Vnitřní energie, práce a teplo

Vnitřní energie, práce a teplo

Zákon zachování mechanické energie V izolované soustavě těles je v každém okamžiku úhrnná mechanická energie stálá. Mění se navzájem jen potenciální energie Ep a kinetická energie Ek. Platí vztah E = Ek + Ep = konst.

Vnitřní energie tělesa Vnitřní energie U tělesa (soustavy) je součet celkové kinetické energie neuspořádaně se pohybujících částic tělesa (molekul, atomů a iontů) a celkové potenciální energie vzájemné polohy těchto částic.

Říkáme, že systém je izolovaný, jestliže nevyměňuje s okolím energii ani hmotu. (Příkladem je čaj v termosce.)

uzavřený, jestliže nevyměňuje s okolím hmotu, avšak vyměňuje s ním energii.(Hrneček horkého čaje, který je přikryt víčkem; čaj se ochlazuje, energie v podobě tepla přechází do okolí.) otevřený, jestliže vyměňuje s okolím hmotu i energii. (Hrneček horkého čaje, ze kterého navíc uniká pára.)

Každý živý organismus je otevřeným systémem, protože k udržení života potřebuje přísun hmoty i energie z okolí.

Vnitřní energie tělesa Ke změně vnitřní energie tělesa může docházet: a) konáním práce (tření dvou těles, stlačování plynu) b) tepelnou výměnou (ohřívání vody)

Vnitřní energii tělesa lze měnit dějem, který nazýváme konání práce.

Zákon zachování energie Při dějích v izolované soustavě těles zůstává součet kinetické, potenciální a vnitřní energie konstantní.

Vnitřní energie tělesa W  U vykonaná práce se rovná přírůstku vnitřní energie, vždy na úkor Ek nebo Ep , 1 2 U  E p  Ek  mgh  mv 2

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 Děj, při němž neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí na částice dotýkajícího se studenějšího tělesa a předávají jim část své energie, nazýváme tepelná výměna. Teplejší těleso odevzdává studenějšímu teplo (studenější přijímá teplo).

Teplo Teplo Q je určeno energií, kterou při tepelné výměně odevzdá teplejší těleso studenějšímu. Jednotkou je joule (J). Tepelná výměna může probíhat i mezi tělesy, která se nedotýkají, v tomto případě se přenos energie uskutečňuje pomocí tepelného záření.

Tepelná kapacita C tělesa

Q C t   

Jednotkou tepelné kapacity C]= J . K-1 Jednotkou tepla Q]= J Jednotkou teploty t]= K

Měrná tepelná kapacita

C Q c  m mt    



Jednotkou tepelné kapacity C]= J . K-1 Jednotkou tepla Q]= J Jednotkou teploty t]= K Jednotkou hmotnosti m]= kg Jednotkou měrné tepelné kapacity c]= J . kg-1 K-1

Teplo

Q  cmt Teplo, které přijme chemicky stejnorodé těleso, je přímo úměrné hmotnosti tělesa a přírůstku teploty.

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

Kalorimetrická rovnice Těleso odevzdá teploQ1

 c1m1 (t1  t ) ,

které se rovná teplu Q2  c2 m2 (t  t 2 ) , které přijme voda. Proto platí kalorimetrická rovnice:

c1m1 (t1  t )  c2 m2 (t  t 2 )





K měření měrné tepelné kapacity se používají kalorimetry. Směšovací kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem, při vložení teplejšího tělesa se zvýší teplota kapaliny, nádoby, míchačky i teploměru. Musíme tedy počítat i s tepelnou kapacitou kalorimetru: c1m1 (t1  t )  c2 m2 (t  t 2 )  Ck (t  t 2 ) , kde Ck (t  t 2 ) je teplo, které přijme kalorimetr.

Kalorimetr

Termosky

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

U  W  Q





 

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 stejně velkou silou opačného směru po stejné dráze. Ze zákona akce a reakce vyplývá: W  W ' Po dosazení do rovnice tohoto zákona získáme vztah:

Q  U  W '

Teplo Q dodané soustavě se rovná součtu přírůstku vnitřní energie soustavy a práce W´, kterou soustava vykoná.

Přenos vnitřní energie   

tepelná výměna vedením tepelná výměna zářením přenos vnitřní energie prouděním

Tepelná výměna vedením 

  

zahříváme-li jeden konec tyče, pozorujeme, že se zvyšuje i teplota 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

Vedení tepla - délka

Vedení tepla - materiál

Vedení tepla -průřez

t Q  S  d  je součinitel tepelné vodivosti, S je obsah plochy, d je tloušťka desky, t je teplotní rozdíl,  je doba

Tepelná výměna zářením 

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

Přenos vnitřní energie prouděním 



zahříváme-li kapalinu nebo plyn zdola, vzniká proudění; chladnější tekutina má větší hustotu, klesá v tíhovém poli dolů a vytlačuje teplejší tekutinu ze dna nádoby vzhůru proudící tekutina přitom přenáší vnitřní energii

Pokus 

Aby se voda prohřála, musíme ji zahřívat zdola. Teplo se od zdroje šíří prouděním zahřáté vody ode dna k hladině. Chladnější voda od hladiny klesá dolů, na dně se zahřeje, stoupá vzhůru a celý koloběh se opakuje. Tento jev můžeme názorně demonstrovat se skleněnou konvicí na čaj. Konvici naplníme vodou a vhodíme do ní drobná semínka nebo piliny z tvrdého dřeva. Při zahřívání začnou částice ve vodě vířit a jejich pohyb ukazuje průběh tepelných proudů v konvici.

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Perpetum mobile

Literatura: K. Bartuška, E. Svoboda – Molekulová fyzika a termika Použité zdroje: Internet, AMD ČR Vyrobeno v rámci projektu SIPVZ Gymnázium a SOŠ Cihelní 410 Frýdek-Místek

Autor: Mgr. Libor Lepík Rok výroby: 2005