VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO Zákon zachování mechanické energie E celk . = ______________ = konst.
Míček, který se odráží od země putuje do stále menší výšky, kam se část energie ztrácí?
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________
VNITŘNÍ ENERGIE TĚLESA Vnitřní energie tělesa souvisí s
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Částice konají _________________ pohyb Složkami vnitřní energie jsou:
-___________________________________________________ -___________________________________________________ -___________________________________________________ -___________________________________________________ Vnitřní energie U tělesa (soustavy těles) je součet celkové
_______________
energie
neuspořádaného pohybu částic a celkové _______________ energie jejich vzájemné polohy. Je vnitřní energie obecně konstantní?
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Vnitřní energii lze měnit:
-___________________________________________________ -___________________________________________________
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Co je to vnitřní energie? 2. Jaké složky má vnitřní energie? 3. Jak lze měnit vnitřní energii? ZMĚNA VNITŘNÍ ENERGIE KONÁNÍM PRÁCE Při tření roste
______________________________________________________________ Částicově se při tření děje
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ a tím se mění
______________________________________________________________ Vnitřní energii tělesa lze měnit konáním __________________ Zobecnění zákona zachování energie: Při
dějích
v izolované
__________________
soustavě
zůstává
součet
__________________,
a __________________ energie konstantní.
ŘEŠENÁ ÚLOHA Těleso o hmotnosti 1kg klouže po nakloněné rovině, která má délku 2,1m a svírá s vodorovnou rovinou úhel 30 o . Velikost rychlosti tělesa na konci nakloněné roviny je 4,1m ⋅ s −1 . Třením se nakloněná rovina a těleso zahřívají. Urči přírůstek vnitřní energie nakloněné roviny a tělesa.
m = 1kg l = 2,1m
α = 30 o
v = 4,1m ⋅ s −1 g = 10m ⋅ s1 ∆U = ? J
Zákon zachování energie: rozdíl potenciální energie v nejvyšším bodě a kinetické energie v nejnižším bodě je roven přírůstku vnitřní energie. ∆U = mgh −
1 mv 2 2
h = l sin α 1 1 ∆U = mgl sin α − mv 2 = m gl sin α − v 2 2 2 ⋅
∆U = 2 J
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Jak lze měnit vnitřní energii? 2. Co se děje při změně vnitřní energie s částicemi? 3. Jaký je rozdíl mezi zákonem zachování mechanické energie a zobecněným zákonem zachování energie? 4. Co se děje při tření těles? 5. Urči jakou rychlost má těleso o hmotnosti 10kg na konci nakloněné roviny dlouhé 15m , která svírá s vodorovnou rovinou úhel 45 o , jestliže přírůstek vnitřní energie tělesa a nakloněné roviny vlivem tření je 500 J . 6. Urči jaká je výška nakloněné roviny, jestliže má těleso o hmotnosti 12kg na konci nakloněné roviny rychlost 5m ⋅ s −1 a přírůstek vnitřní energie tělesa a nakloněné roviny vlivem tření je 90 J .
ZMĚNA VNITŘNÍ ENERGIE PŘI TEPELNÉ VÝMĚNĚ, TEPLO Rovnovážný stav je
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Pokud ponoříme chladné těleso do horké vody budeme pozorovat, že
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ K vyrovnání teplot dochází tak, že
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________
Tělesa jsou z hlediska makrosvěta v klidu, nedochází tedy ke konání _____________________ Děj, při němž neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí na částice chladnějšího tělesa při jejich vzájemném dotyku a předávají jim část své energie nazýváme
______________________________________________________________ K výměně (přenosu) tepla může docházet i bez vzájemného dotyku těles formou
______________________________________________________________ Příkladem takového přenosu tepla je
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Dalšími typy přenosu tepla jsou
-___________________________________________________ -___________________________________________________ Teplo Q je určeno energií, kterou při tepelné výměně odevzdá tělesu
_______________ těleso
_______________
Jednotkou tepla je _______________, protože
______________________________ ______________________________________________________________
HISTORICKÁ POZNÁMKA V 18. století existovala teorie tepelného fluida. Látky, která se při tepelné výměně přemísťuje z jednoho tělesa na druhé. Koncem 18. století pozoroval anglický fyzik Rumford (1753-1814), že při vrtání dělových hlavní se hlaveň neustále zahřívá a pochopil, že toto fluidová teorie vysvětlit nedokáže.
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Co je to tepelná výměna? 2. Jaké typy přenosu tepla znáš? 3. Co je to teplo? 4. Jaký je rozdíl mezi zvýšení vnitřní energie konáním práce a přenosem tepla? 5. Uveď příklady přenosu tepla vedením, prouděním a zářením.
MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA Těleso přijme teplo a tím se zvýší jeho _______________________________________ a pokud při tom nedojde ke skupenské změně, zvýší se i ____________________________ Tepelnou kapacitu definujeme jako C=
Q ∆t
a její jednotkou je _____________________ Měrnou tepelnou kapacitu definujeme jako c=
Q C = m m∆t
a její jednotkou je _____________________ Z tohoto vztahu vyplývá Q = mc∆t
Teplo, které přijme stejnorodé těleso je přímo úměrné
______________________
a
______________________. Měrná tepelná kapacita charakterizuje látku, v tabulkách nalezneme hodnotu při 20 o C , s teplotou se mění jen mírně.
___________________ hodnotu měrné tepelné chladící kapalina. Její hodnota je ___________________.
Voda má
kapacity, proto je vhodná jako
___________________ hodnotu měrné tepelné kapacity, proto jsou snadno tepelně zpracovatelné. Její hodnota je ___________________. Kovy mají
TABULKA VYBRANÝCH MĚRNÝCH TEPELNÝCH KAPACIT LÁTEK V J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 voda
vzduch
led
olej
železo
měď
zinek
hliník
4180
1003
2090
2000
450
383
385
896
ethanol platina 2460
133
olovo 129
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Co se děje, když těleso přijímá energii? 2. Co je to tepelná kapacita? 3. Co je to měrná tepelná kapacita? 4. Jaký je vztah pro teplo, které přijme stejnorodé těleso, 5. Jakou hodnotu měrné tepelné kapacity má voda? 6. Jakou hodnotu měrné tepelné kapacity mají kovy?
KALORIMETRICKÁ ROVNICE Do tepelně izolované soustavy (kapaliny) přidáme těleso o vyšší teplotě, pokud nebude docházet k chemické reakci nebo změně skupenství, budeme pozorovat, že
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Charakteristika teplejšího tělesa - m1 , t1 , c1
t 2 〈 t1 Charakteristika kapaliny - m 2 , t 2 , c 2 Tepelná výměna probíhá tak dlouho, dokud nenastane _____________________________. tedy těleso i kapalina mají teplotu t takovou, že t 2 〈t 〈t1
____________________________ tělesa stejně velký, jako přírůstek ____________________________ kapaliny. Celková energie tedy zůstává ____________________________. Podle zákona zachování energie je úbytek
Q1 = m1 c1 (t1 − t ) Q2 = m 2 c 2 (t − t 2 ) Kalorimetrická rovnice vyjadřuje vztah, že Q1 = Q2
m1c1 (t1 − t ) = m 2 c 2 (t − t 2 ) Kalorimetr je nádoba, ve které ____________________________________________
______________________________________________________________ Má-li těleso před ponořením vyšší teplotu než kapalina, ohřeje se i kalorimetr, je tedy nutné přidat do kalorimetrické rovnice teplo Q , které přijme kalorimetr.
Q = C K (t − t 2 ) potom
m1 c1 (t1 − t ) = m 2 c 2 (t − t 2 ) + C K (t − t 2 )
kde C K je tepelná kapacita kalorimetru POZOR Je třeba vždy promyslet ke které straně přidáváme člen Q = C K (t − t 2 ) podle toho, zda se kalorimetr při tepelné výměně ochlazuje nebo ohřívá, rovnice nemá univerzální tvar uvedený výše.
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Co je to kalorimetr? 2. Jak kalorimetr ovlivňuje tepelnou výměnu? 3. Do 3kg vody o teplotě 10 o C bylo ponořeno těleso ze železa o hmotnosti 50 g a teplotě 95 o C . Jaké bude teplota poté co dojde k tepelné výměně? Výměnu tepla s kalorimetrem zanedbej. 4. Do vody o hmotnosti 10kg a teplotě 80 o C v kalorimetru nalijeme ethanol o hmotnosti 8kg a teplotě 10 o C . Tepelná kapacita kalorimetru je 600 J ⋅ K −1 . Jaká teplota soustavy bude po tepelné výměně? 5. Jaká byla teplota tělesa o hmotnosti 2kg , které bylo ponořeno do 5kg ethanolu o teplotě 20 o C umístěného v kalorimetru o tepelné kapacitě 500 J ⋅ K −1 , jestliže teplota po tepelné výměně byla 25 o C
ÚLOHA NAVÍC 1. V pekle mají špatně opravenou střechu a dovnitř prší. Celé peklo je vyrobeno ze železa o měrné tepelné kapacitě 450 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 , váží 250t a má teplotu 90 o C . Střechou dovnitř naprší 380l vody o teplotě 5 o C . Jak se změní teplota v pekle? 2. Janě se v pátek nechce do školy a proto vymyslí na maminku lest. Chce ponořit teploměr do čaje a fingovat teplotu 37,5 o C . Čaj má ale teplotu 65 o C , proto je do něj nutné přilít chladnou vodu. Z vodovodu teče voda o teplotě 8 o C . Kolik ml vody musí Jana nalít do 250ml čaje, aby docílila teploty 37,5 o C ? Měrná tepelná kapacita čaje je 4000 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 . 3. Ježibaba se rozhodla uvařit si Jeníčka s Mařenkou. Ponořila je proto do vody o teplotě 80 o C a objemu 150l . Děti měly teplotu 36 o C , hmotnost 80kg (oba dva) a měrnou tepelnou kapacitu 3000 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 . Jak se po jejich ponoření změnila teplota vody? Jak dlouho bude trvat, než se uvaří, pokud soustavě kotel – děti trvá 2 min ohřátí o 1o C a je nutné děti 2hodiny vařit při 100 o C ?
PRVNÍ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON V praxi dochází vždy ke konání
_________________
i tepelné
_________________
současně. Př. Uvnitř nádoby je plyn, na píst působíme silou a zároveň soustavu zahříváme
W = 20 J Q = 30 J
∆U = 50 J
Přírůstek vnitřní energie ∆U je roven součtu tělesy na soustavu a
_________________
vykonané okolními
_________________ odevzdaného okolními tělesy soustavě. ∆U = W + Q
Pokud soustava přijímá energii, má práce
_________________
znaménko, pokud energii
odevzdává, má _________________ znaménko. Pokud nedochází k předávání tepla, jde všechna práce na ___________________________ Takovému ději říkáme adiabatický, Q = 0 → ∆U = W Adiabatický děj je tedy děj, při kterém _______________________________________
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Ve většině případů neuvažujeme_________________, kterou konají okolní tělesa (W ), ale
_________________, kterou koná daná soustava ( W ´ ). Vztah mezi nimi je W = −W ´ . Tvar prvního termodynamického zákona tedy bude: ∆U = −W ´+Q Q = ∆U + W ´ Teplo Q dodané soustavě se rovná součtu ___________________________ ∆U a ____________ W ´ , kterou vykoná soustava.
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Co vyjadřuje první termodynamický zákon? 2. Urči, zda je práce kladná nebo záporná soustava koná práci –
___________________ na píst nádoby působí tíhovou silou závaží a píst posouvá směrem dolů –
___________________ zahříváním plyn v nádobě expanduje (zvětšuje svůj objem) –
___________________ 3. Plyn v nádobě zahříváme, za určitou dobu mu dodáme teplo Q = 500 J a on vlivem expanze vykoná práci W = 200 J . Jak se změní jeho vnitřní energie? 4. Jak se mění vnitřní energie, pokud nedochází k tepelné výměně soustavy s okolím?
PŘENOS VNITŘNÍ ENERGIE Teplo se vždy přemísťuje z míst s ____________ teplotou do míst s ____________ teplotou. Rozlišujeme 3 typy přenosu tepla (tepelné výměny):
-___________________________________________________ -___________________________________________________ -___________________________________________________ 1. Vedení (kondukce) K přenosu tepla vedením dochází tak, že _____________________________________
______________________________________________________________ ______________________________________________________________
POKUS Na tyčky z různých materiálu umísti ve stejných vzdálenostech několik voskových kuliček. Jeden konec tyček umísti nad plamen. Kuličky na různých tyčkách začnou odpadávat v různé časové okamžiky. Proč tomu tak je??
___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________
Proč špatně vedou teplo plyny nebo sypké a pórovité látky?
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2. Záření (sálání, radiace) K přenosu tepla zářením dochází tak, že _____________________________________
______________________________________________________________ ______________________________________________________________ K tepelnému záření dochází na rozdíl od vedení také ve ________________ 3. Proudění Pokud budeme zdola zahřívat kapalinu umístěnou v tíhovém poli, bude teplejší putovat směrem ________________ a chladnější směrem ________________ Důvodem tohoto přemísťování hmoty je to, že chladnější kapalina má větší _________________ a klesá tedy směrem dolů.
?
OTÁZKY A ÚLOHY
1. Popiš přenos tepla zářením, vedením a prouděním. Které společné charakteristiky mají a čím se naopak liší? 2. Proč se teplo přemísťuje z míst s vyšší teplotou do míst s teplotou nižší a nikoli naopak?
