Vypracovala: B. Horváthová
Každé teleso má energiu, ktorá súvisí s jeho vnútornou časticovou štruktúrou, a voláme ju vnútorná energia telesa. Vnútornou energiou telesa nazývame súčet celkovej kinetickej energie neusporiadane sa pohybujúcich častíc telesa (molekúl, atómov a iónov) a celkovej potenciálnej energie vzájomnej polohy týchto častíc.
Vnútorná energia nie je všeobecne konštantnou veličinou. Deje, pri ktorých sa mení vnútorná energia telesa, rozdeľujeme do skupín:
a) deje, pri ktorých sa mení vnútorná energia konaním práce (trenie telies, stláčaním plynu)
b) deje, pri ktorých nastáva zmena vnútornej energie tepelnou výmenou (zohrievaním vody na variči)
Pri trení dvoch telies sa ich teplota zvyšuje. Zmena stavu telesa pri trení je spôsobená tým, že častice, ktoré ležia na styčných plochách, sa vzájomnými nárazmi rozkmitajú viac a časť svojej energie odovzdávajú ďalším časticiam. Preto sa teplota oboch telies, aj ich vnútorná energia, zväčšuje.
Pri stlačení plynu nastáva zmena vnútornej energie konaním práce. To isté sa deje aj pri prudkom miešaní, pri ohýbaní drôtu, pri rozdrvení telesa na menšie časti.
Pre tento dej môžeme zovšeobecniť zákon zachovania energie.
Na obrázku pružina pôsobí na pohyblivý piest silou a stláča plyn v nádobe. Pružina pri tomto deji vykonáva prácu W, ktorá sa rovná zmene potenciálnej energie pružnosti pružiny, o rovnakú hodnotu sa zväčší aj vnútorná energia plynu. Predpokladáme, že nádoba s plynom a pružina tvoria izolovanú sústavu telies.
Môžeme zovšeobecniť zákon zachovania energie: pri dejoch, ktoré prebiehajú v izolovanej sústave telies, zostáva súčet kinetickej, potenciálnej a vnútornej energie telies konštantný.
Zmeny vnútornej energie plynu alebo pary možno využiť aj na konanie mechanickej práce (napr. tepelné motory).
K zmene vnútornej energie môže dôjsť, aj keď napríklad do teplej vody ponoríme studenšie teleso. Budeme pozorovať zvýšenie teploty telesa a zníženie teploty vody. Po určitom čase nastane rovnovážny stav. Predpokladáme, že voda a teleso tvoria izolovanú sústavu telies.
Pri styku oboch telies nastávajú zrážky častíc, ktoré ležia na rozhraní oboch telies. Pri zrážkach častice teplejšieho telesa odovzdávajú časticiam studenšieho telesa časť svojej energie. Odovzdávanie energie neprebieha iba na rozhraní, ale aj medzi ostatnými časticami. Obe telesá sú pri tom v pokoji, tzn. že odovzdávanie energie sa neuskutočňuje konaním práce.
Dej, pri ktorom neusporiadané sa častice teplejšieho telesa narážajú na častice studenšieho telesa a odovzdávajú mu časť svojej energie, sa nazýva tepelná výmena. Tepelná výmena prebieha pri zohrievaní pokrmov, pri ochladzovaní potravín, pri topení ľadu, pri tavení kovov.
Tepelná výmena môže prebiehať aj medzi dvomi telesami, ktoré sa navzájom nedotýkajú. V tomto prípade sa prenos energie uskutočňuje prostredníctvom tepelného žiarenia.
Energiu, ktorú teplejšie teleso odovzdá studenšiemu tepelnou výmenou nazývame teplo. Keď studenšie teleso prijme od teplejšieho tepelnou výmenou energiu, hovoríme, že studenšie teleso prijalo teplo.
Teplo Q je určené energiou, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso studenšiemu. Jednotkou tepla je joule.
Príklad:
1) Teleso s hmotnosťou 2 kg padá z výšky 15 m do piesku. Vypočítajte, ako sa po dopade zmení vnútorná energia telesa a piesku. Tiažové zrýchlenie g = 9,8 m.s-2
m=2 kg; h=15 m; g= 9,8 m.s-2 ; ∆U=?
∆U= m.g.h= 2.15.9,8 J= 294 J
Vnútorná energia telesa a piesku sa zväčší približne o 294 J.
2) Auto s hmotnosťou 900 kg sa pohybuje po vodorovnej ceste rýchlosťou 80 km/h a náhle zabrzdí. Vypočítajte, ako sa po zastavení auta zmení vnútorná energia jeho pneumatík a brzdových diskov.
m=900kg; v= 80 km/h = 22,2m/s; ∆U=?
∆U = ½ . m.v2=1/2 . 900 . 22,2 . 22,2 = 222 kJ
Energia sa zväčší o 222 kJ.
Úlohy:
1. Charakterizujte, akým spôsobom môže dôjsť k tepelnej výmene.
2. Čo je to teplo?
3. Vysvetlite základné poznatky o tepelnej výmene vedením a tepelným žiarením.
Použitá literatúra a obrazová príloha:
E. Svoboda a kol. fyzika pre 2.ročník gymnázia
http://www.beodom.com/assets/images/blog/medium/14.jpg