Vnútorná energia, práca a teplo

Vnútorná energia, práca a teplo
Vnútornou energiou U telesa (sústavy) budem nazývat súcet celkovej kinetickej energie
neusporiadane sa pohybujúcich castíc telesa (molekúl, atómov a iónov) a celkovej
potenciálnej energie vzájomnej polohy týchto castíc. Vnútorná energia nie je
všeobecnou konštantnou velicinou. Deje, pri ktorých sa mení vnútorná energia telesa,
možno rozdelit do dvoch skupín:
a) deje, pri ktorých sa mení vnútorná energia konaním práce (napr. trenie dvoch telies,
stlácanie plynu)
b) deje, pri ktorých zmena vnútornej energie nastáva tepelnou výmenou (napr.
zohrievaním vody na varici)
Zmena vnútornej energie telesa pri konaní práce
Zmena stavu telesa pri trení je spôsobená tým, že castice, ktoré ležia na stycných
plochách, vzájomnými nárazmi sa rozkmitajú viac a cast svojej energie odovzdávajú
dalším casticiam. Preto sa teplota oboch telies aj ich vnútorná energia zväcšuje.
Zmena vnútornej energie konaním práce nastáva aj pri stlacení plynu v tepelne
izolovanej nádobe, pri zohrievaní kvapaliny prudkým miešaním, pri ohýbaní drôtu,
nepružnom náraze telesa na podložku, pri rozdrvení telesa na menšie casti a pod.
Pri dejoch, ktoré prebiehajú v izolovanej sústave telies, zostáva súcet kinetickej,
potenciálnej a vnútornej energie telies konštantný.
Zmena vnútornej energie telesa pri tepelnej výmene, Teplo
Dej, pri ktorom neusporiadane sa pohybujúce castice teplejšieho telesa narážajú na
castice studenšieho telesa a odovzdávajú im cast svojej energie, nazýva sa tepelná
energia. Tepelná výmena môže prebiehat aj medzi dvoma telesami, ktoré sa navzájom
nestýkajú. V tomto prípade sa prenos energie uskutocnuje prostredníctvom tepelného
žiarenia.
Ked teplejšie teleso odovzdáva studenšiemu tepelnou výmenou energiu, hovoríme, že
teplejšie teleso odovzdalo teplo. Ked studenšie teleso prijme energiu, hovoríme, že
studenšie teleso prijalo teplo od teplejšieho.
Teplo Q je urcené energiou, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso
studenšiemu. [Q] = J (Joule).
Merná tepelná kapacita
Ked teleso prijme teplo Q tepelnou výmenou, zväcší sa jeho vnútorná energia o
hodnotu U, ak nenastane súcasne zmena skupenstva látky, zvýši sa teplota
telesa o t (resp.
T).
Tepelnú kapacitu telesa definujeme vztahom
Q Q
C = --- C = --- [C]= J.K-1
t T
Mernú tepelnú kapacitu definujeme vztahom
C Q C Q
c = --- = ----- c = --- = ------ [c] = J.kg-1.K-1
m m t m mT
Teplo, ktoré prijme chemicky rovnorodé teleso, je priamo úmerné hmotnosti m telesa a
prírastku teploty.
Kalorimeter
Teplo Q1 = c1 m1 (t1 - t), ktoré odovzdá teleso, rovná sa teplu Q2 = c2m2(t - t2),
ktoré príjme kvapalina v nádobe. Preto platí kalorimetrická rovnica:
c1 m1 ( t1 – t ) = c2 m2 ( t - t2 )
Na experimentálne urcenie mernej tepelnej kapacity sa používajú kalorimetre.
Zmiešavací kalorimeter je tepelne izolovaná kovová nádoba s miešackou a
teplomerom.
Ked tepelná výmena prebieha medzi teplejším telesom a studenšou kvapalinou v
kalorimetri, platí:
c1 m1 ( t1 - t) = c2 m2 ( t - t2 ) + C ( t - t2 ), kde C(t-t2) je teplo prijaté
kalorimetrom a príslušenstvom.
Prvý termodynamický zákon
Vo vede a v technickej praxi sú dôležité deje, pri ktorých dané teleso prijíma, alebo
odovzdáva energiu oboma spôsobmi súcasne.(konaním práce, tepelná výmena).
Prírastok vnútornej energie sústavy U sa rovná súctu práce W vykonanej
okolitými telesami, ktoré pôsobia na sústavu silami a tepla Q odovzdaného okolitými
telesami sústave. Toto vyjadríme rovnicou U = W + Q, ktorú nazývame prvý
termodynamický zákon.
Ked konaním práce alebo tepelnou výmenou sústava energiu prijíma, považujeme
prácu vykonanú okolitými telesami pôsobiacimi na sústavu silami a teplo prijaté
sústavou za kladné veliciny ( W>0, Q>0 ). Ked sústava konaním práce alebo tepelnou
výmenou okolitým telesám energiu odovzdáva, považujeme prácu vykonanú okolitými
telesami a teplo odovzdané okolitým telesám za záporné veliciny. ( W