Vnitřní energie, práce a teplo

Vnitřní energie

• souvisí s částicovou strukturou těles
• je to součet celkové kinetické energie neuspořádaně se pohybujících částic a celkové potenciální energie těchto částic, která závisí na jejich poloze
• při dějích není vnitřní energie konstantní, značíme jí U
• děje, při kterých se mění vnitřní energie můžeme rozdělit na 2 skupiny

1. děje, při kterých dochází ke konání práce (tření dvou těles)
2. děje, při kterých dochází ke změně U tepelnou výměnou (ohřívání vody)

Změna vnitřní energie tělesa při konání práce

• příklady: tření, stlačování plynu, míchání kapaliny, ohýbání drátu atd.

Zákon zachování energie

• Při dějích v izolované soustavě těles zůstává součet kinetické, potenciální a vnitřní energie konstantní.
• , vykonaná práce se rovná přírůstku vnitřní energie, vždy na úkor nebo
• , nakloněná rovina – rozdíl potenciální energie na vrcholu nakloněné roviny a kinetické energie v nejnižším bodě roviny se rovná přírůstku vnitřní energie tělesa a roviny

Změna vnitřní energie při tepelné výměně, Teplo

Tepelná výměna

Děj, při kterém částice teplejšího tělesa narážejí do částic studenějšího tělesa a předávají jim část své energie.

• tepelná výměna může probíhat i mezi tělesy, která se nedotýkají, v tomto případě se přenos energie uskutečňuje pomocí tepelného záření
• teplejší těleso odevzdává studenějšímu teplo (studenější přijímá teplo)

Teplo Q je určeno energií, kterou předá teplejší těleso studenějšímu. Jednotkou je joul (J).

V izolované soustavě se celková vnitřní energie nemění.

Měrná tepelná kapacita

Tepelná kapacita tělesa

• určuje kolik tepla musí těleso přijmout, aby se jeho teplota zvětšila o 1 K
• vztah , jednotkou je J . K-1

Měrná tepelná kapacita

• , jednotkou J . K-1 . kg-1 ,
• vyjadřuje, kolik tepla se spotřebuje na zvýšení teploty o 1 K jednoho kilogramu tělesa
• Teplo, které přijme chemicky stejnorodé těleso, je přímo úměrné hmotnosti tělesa a přírůstku teploty.
• je to charakteristická veličina, každá látka má různou hodnotu měrné tepelné kapacity
• mění se s teplotou tělesa, proto se udává pro určité teploty látek, největší měrnou kapacita má voda (4180 J . K-1 kg-1), malou naopak jí mají kovy (velmi dobré opracovávání)
• pro daný stupeň výpočtů jí lze považovat za konstantní

Kalorimetrická rovnice

• ponoříme-li teplejší těleso (t1,m1,c1) do studenější vody (t2,m2,c2) v izolované nádobě, nastane tepelná výměna, ta trvá až do té doby, kdy nastane rovnovážný stav, v tomto rovnovážném stavu mají voda i těleso stejnou teplotu t
• úbytek vnitřní energie tělesa se rovná přírůstku vnitřní energie vody, celková vnitřní energie soustavy je konstantní
• těleso odevzdá teplo , které se rovná teplu, které voda přijme
• proto platí kalorimetrická rovnice

K měření tepelné kapacity se používají kalorimetry.

Směšovací kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem, při vložení teplejšího tělesa se zvětší teploty vody, nádoby, míchačky i teploměru. Musíme tedy počítat i s tepelnou kapacitou kalorimetru: , kde je teplo, které přijme kalorimetr.

První termodynamický zákon

Přírůstek vnitřní energie soustavy se rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě.

Pokud soustava přijímá energie jsou W a Q kladné, pokud soustava odevzdává energie jsou W a Q záporné.

W‘ je práce, kterou vykoná soustava při působení na okolní tělesa stejnými silami jako oni na ni. Ze zákona akce a reakce vyplývá: , pokud toto dosadíme do rovnice tohoto zákona získáme vztah: – Teplo Q dodané soustavě se rovná součtu přírůstku vnitřní energie soustavy a práce W‘, kterou soustava vykoná.

Přenos vnitřní energie

• děje se pomocí tepelné výměny nebo tepelného záření
• pokud U přenáší proudící kapalina mluvíme o přesunu U prouděním

Tepelná výměna vedením

• zahříváme-li jeden konec tyče pozorujeme, že se zvyšuje i teploty částí, které nejsou přímo v plameni
• zahřívané částice se rozkmitají a předají svou energie částicím v chladnějších oblastech
• v kovech předávají energii hlavně volné elektrony
• různé látky mají různou tepelnou vodivost (největší kovy), voda je velmi špatný vodič a nejmenší tepelnou vodivost mají plyny, proto látky napuštěné plyny se používají jako tepelné izolace

Tepelné záření

• dopadne-li záření na těleso, část se odrazí, část tělesem projde a zbytek je pohlcen

Proudění

• zahříváme-li plyn nebo vodu ze zdola, chladnější tekutina má větší hustotu a vytlačuje teplejší tekutinu ze dna nádoby
• proudící tekutina přitom přenáší vnitřní energii