Vnitřní energie. Teplo. Tepelná výměna. A) Výklad: Vnitřní energie vnitřní energie označuje součet celkové kinetické energie částic (tj. rotační + vibrační + translační energie) a celkové polohové energie vzájemně na sebe působících částic (tj. molekulární potenciální energie). Změna vnitřní energie tělesa je podmíněna změnou kinetické nebo molekulární potenciální energie jeho částic. Tato změna se nejčastěji děje získáním nebo odevzdáním tepla mění se kinetická energie. Získáním tepla se vnitřní energie těles zvyšuje (pohyb částic se zrychlí), odevzdáním tepla se naopak snižuje. Změnu druhé složky vnitřní energie polohové energie částic lze např. docílit stlačováním nebo rozpínáním tělesa. Při stlačování nebo rozpínání tělesa je konána práce (působí se silou proti mezimolekulárním silám), proto polohová energie tělesa roste. Zvyšováním vnitřní energie se projeví na zvýšení rychlosti molekul, tedy větší kinetické energii a tím i vyšší teplotě tělesa. To platí i naopak 1
Vnitřní energie fyzikální veličina (značka U, jednotka J (Joule)) Zvýšení vnitřní energie: PRACÍ již víme, že při práci dochází ke zvyšování vnitřní energie tedy i teploty tělesa. Např. mnutí rukou, pilování, huštění, běh, řezání, zatloukání hřebíku, atd. Pozn. Často pak musíme tělesa chladit. (Řezání chodníku, vrtací soupravy) TEPELNOU VÝMĚNOU - teplejší těleso předá část své energie studenějšímu. Tato část energie se nazývá teplo. 2
TEPLO Teplem se tedy vyjadřuje změna vnitřní energie těles při tepelné výměně. Teplo je fyzikální veličina se značkou Q a její jednotkou je joule (J). Pokud se zvětší vnitřní energie tělesa při tepelné výměně, pak těleso přijalo určité množství tepla (zvětší se rovněž teplota tělesa). Naopak těleso teplo odevzdá, zmenší-li se jeho vnitřní energie (klesne rovněž jeho teplota). Tělesa z různých látek odevzdávají nebo přijímají teplo různě: záleží na jejich měrné tepelné kapacitě c, hmotnosti m a rozdílu teplot (t t 0 ) mezi chladnějším tělesem (o teplotě t 0 ) a teplejším tělesem (o teplotě t). pro množství přijatého nebo odevzdaného tepla Q tělesem o hmotnosti m, měrné tepelné kapacitě c, počáteční teplotě t 0 a konečné teplotě t platí vztahy: 3
Měrná tepelná kapacita měrná tepelná kapacita (někdy se také označuje jako měrné teplo) udává množství tepla, které těleso o hmotnosti 1 kg přijme nebo odevzdá, pokud se jeho teplota zmenší o 1 C. Měrná tepelná kapacita se značí c a je velmi důležitou konstantou každého materiálu. Již víme: Teplo Q přijaté tělesem o hmotnosti m při zvýšení jeho teploty z hodnoty t0 na hodnotu t se dá vyjádřit vzorcem: Z tohoto vztahu je možné lehce určit měrnou tepelnou kapacitu c: 4
Pojem: Změna teploty tělesa: Teplota tělesa se změní vždy, pokud se změní pohybová energie jeho částic. Čím je pohyb částic v tělese rychlejší, tím je i teplota tělesa vyšší a tím je vyšší i vnitřní energie tělesa. Částice lze v tělese uvézt do rychlejšího pohybu např. prudkým nárazem dvou těles na sebe (zahřívání hřebíku při zatloukání kladivem), nebo ponořením tělesa do teplejšího prostředí, kdy se částice teplejšího prostředí pohybují rychleji než částice chladnějšího tělesa a mohou jim tedy při nárazech předat část své pohybové energie. 5
Po předání energie se zrychlí pohyb částic v chladnějším tělese (čímž stoupne teplota) a naopak se zpomalí pohyb částic teplejšího prostředí (jeho teplota klesne). nesouhlasné póly se přitahují Pojem: Tepelná výměna Tepelná výměna je děj, při kterém předávají částice teplejšího tělesa část své energie částicím chladnějšího tělesa a to tak dlouho, dokud se teplota obou těles nevyrovná. K tepelné výměně dochází VEDENÍM, PROUDĚNÍM nebo ZÁŘENÍM. TEPELNÁ VÝMĚNA VEDENÍM: vedením se přenáší teplo zejména v pevných látkách, kde se teplo přenáší mezi sousedními atomy jejich kmitáním a ve vodičích navíc i pohybem volných elektronů. Částice chladnějšího tělesa získají část pohybové energie po kontaktu s teplejším tělesem, jehož částice se pohybují rychleji. Rychlejší ( teplejší ) částice předají při srážce část pohybové energie pomalejším ( chladnějším ) částicím atd. Tento proces přenosu tepla probíhá postupně a tak dlouho, dokud se teploty obou těles vzájemně nevyrovnají. 6
TEPELNÁ VÝMĚNA PROUDĚNÍM: Teplo se přenáší prouděním hlavně v kapalinách nebo plynech a to tak, že se pohybují celé oblasti prostředí o stejné teplotě a ne pouze jednotlivé částice. Po zahřátí kapaliny nebo plynu se začíná kapalina nebo plyn rozpínat, tím klesá jeho hustota a zahřátá část kapaliny nebo plynu mění jako celek své místo stoupá vzhůru. Naopak chladnější části klesají dolů na předešlé místo teplejší části. Takto vzniká v prostředí proudění. Teplejší a chladnější oblasti si navzájem vyměňují místa. 7
POKUS: 8
TEPELNÁ VÝMĚNA ZÁŘENÍM: K tepelné výměně zářením dochází mezi teplejšími a chladnějšími tělesy bez přítomnosti prostředí, tedy i ve vakuu. Tepelné záření je vlastně elektromagnetické vlnění podobné světlu, které vyzařují všechna tělesa. Tepelné záření má stejnou rychlost jako světlo, pouze barva (vlnová délka) je taková, že ji lidské oko není schopna zaznamenat. Říká se mu infračervené záření. Některá tělesa toto tepelné záření pohltí (lidské tělo) a zvýší tím svou teplotu tzn. že se jejich částice vlivem záření začnou pohybovat rychleji. Jinými tělesy záření prochází bez pohlcení (např. sklo). Energie pohlcená tělesem závisí na teplotě zářiče, na vzájemné vzdálenosti a povrchové úpravě zářiče i tělesa. 9
POKUS 10