Prečo vzniká námraza, aj keď v noci nemrzlo?

Jedna z vecí, čo sa mi páčila na prednáškach Vlada Černého z termodynamiky bola, že nám ukázal asi 8 rôznych definácii pojmu teplota. Ako hovoril Richard Feynman, dobrý fyzik by mal poznať čo najviac opisov toho istého javu, aby si vedel vybrať ten najlepší.

Pre túto otázku nám najviac pasuje táto definácia teploty: je to miera (mikroskopického) pohybu častíc. V studenej látky sa atómy chvejú len tak trochu. V horúcej kmitajú oveľa viac, narážajú do seba intenzívnejšie. Jednoducho, sú oveľa energetickejšie. 

Čo sa stane, ak sa nejaká rýchla vec zrazí s nejakou pomalou? Tá rýchla sa spomalí a pomalá sa zrýchli.

Ak dáme do kontaktu niečo teplé a niečo studené, atómy na rozhraní týchto materiálov sa začnú zrážať. Pomalé (chladnejšie) sú zrážkami urýchlované (ohrievajú sa), rýchle (horúce) sa spomaľujú (ochladzujú sa). 

Inými slovami: pri kontakte sa teplota materiálov vyrovnáva. Toto je fyzikálna podstata ohrievania a chladenie.

Máme s tým veľa skúseností. Ak dáme ruku to teplej vody, cítime, ako sa ohrieva (teda rýchlejšie atómy vody urýchľujú tie v našej koži). Ak ju dáme do ľadovej, cítime ako chladne. Kontaktom sa teda vyrovnáva teplota objektov, nie je to však jediná možnosť, akou dochádza k transportu energie.

Každý objekt totiž energiu aj sála – vo forme elektromagnetického žiarenia – pričom čím je oblekt teplejší, tým viac vyžaruje. Zároveň sa teplotou mení aj vlnová dĺžka žiarenia, teda jeho farba. Dosť horúce veci, ako napríklad žeravé uhlíky, dokonca sálať nielen cítime, ale aj vidíme.

Všetky objekty takéto žiarenia zároveň zachytávajú. Spomeňte si, ako vás v lete hriali lúče Slnka.

Ak je nejaký objekt obklopený v priemere teplejšími vecami, viac energie prijíma ako vyžaruje. Ak je obklopený chladnejšími, v priemere stráca. 

Ak by sme vedľa seba položili dve rovnaké dosky rôznej teploty, ich teplota by sa vyrovnávala, aj keby sme zamedzili kontaktu (napríklad vákuom). Kým je jedna z nich teplejšia, viac energie vyžiari než absorbuje. 

Námraza na aute

Zatial šlo o jednoduché modelové situácie, realita však býva zložitejšia – svet okolo nás je tvorený objektami s rôznymi teplotami a rôznymi tepelnými vodivosťami. Teploty medzi objektami sa vyrovnávajú kontaktom či sálaním, no tieto objekty sa hýbu a dostávajú do kontaktu s ďalšími objektami. Celé je to veľmi komplexné a zložité!

Ide o dynamické hľadanie rovnováhy: teplý vzduch stúpa, voda tečia dole kopcom, omrznutý Janko sa utečie schovať domov. Rovnováha nikdy netrvá dlho (ak vôbec nastane) – Slnko neustále dodáva energiu, stále však na iné miesta na Zemi.

V noci je situácia trochu jednoduchšia – zem, atmosféra a objekty (ako napr. zaparkované autá) sálajú energiu, no (takmer) nič im ju nevracia. Cez deň sa snažili dosiahnuť balans so Slnkom, no jeho príspevok v noci chýba a tak všetko postupne chladne.

Čo sa teda deje, ak zaparkujete auto pod holou oblohou? Celú noc je v kontakte so vzduchom. Ak je vzduch teplejší ako auto, ohrieva ho (a naopak). Zároveň však auto sála energiu – a z holého neba sa prakticky nič nevracia; teplota žiarenia vesmíru je okolo -270˚C, efektívna teplota atmosféry okolo -50˚C až -30˚C. Ak je teplota vzduchu tesne nad nulou, sú straty dôsledkom sálania väčšie, než ohrievanie vzduchom a na kapote vznikne námraza.

Ako tomu zabrániť? Stačí dať nad auto prístrešok, ktorý časť vyžiarenej energie odrazí späť, zmení celkový balans a zabráni zamŕzaniu. Ak nemáte prístrešok, musíte dúfať v oblaky, ktoré slúžia podobne. Mimochodom, aj preto sú jasné noci také studené!

[Samuel]

PS: Samozrejme, rovnaký záver sa netýka len áut, ale aj napríklad chodníkov či vodných plôch.

PS2: Veľa vecí som tu zjednodušil – je to OK pre širokú verejnosť, no študenti fyziky by mali napríklad vedieť, že teplota je úmerná nie rýchlosti, ale (strednej) kinetickej energii, presnejšie rozumieť balansu pri tepelnom vyžarovaní než som to opísal a podobne.

Použité zdroje