Nafukuješ koleso bicykla a po chvíli je spodok pumpičky citeľne teplý. Auto prudko zabrzdí a brzdové kotúče sú také horúce, že sa ich nedá dotknúť. Nikto ich nepostavil na sporák — kde sa to teplo vzalo? Odpoveď je vo vnútornej energii.
Vnútorná energia
Častice telesa sa neustále pohybujú (majú kinetickú energiu) a pôsobia na seba silami (majú potenciálnu energiu vzájomnej polohy). Vnútorná energia telesa je súčet:
- kinetických energií neusporiadaného pohybu všetkých jeho častíc a
- potenciálnych energií ich vzájomnej polohy.
Jednotka je joule (J). Vnútorná energia telesa rastie s teplotou a závisí aj od množstva látky a od skupenstva. Celkovú nevieme jednoducho zmerať, ale vieme určiť jej zmenu — a o tú nám ide.
Pozor: vnútorná energia nie je pohybová energia telesa ako celku. Fľaša vody v idúcom aute má väčšiu kinetickú energiu ako na stole, ale jej vnútorná energia je rovnaká, ak má rovnakú teplotu.
Zmena prácou
Vnútornú energiu telesa zväčšíš, keď na ňom konáš prácu:
- trenie — šúchaš dlane, brzdové doštičky trú o kotúč, píliš drevo,
- stláčanie plynu — v pumpičke stláčaš vzduch, ten sa zohreje,
- opakovaná deformácia — ohýbaš drôt sem a tam, v mieste ohybu sa zohreje.
Pri brzdení sa kinetická energia auta premení na vnútornú energiu bŕzd (a odtiaľ prejde do okolia).
Auto zabrzdí: auto s hmotnosťou 1 200 kg ide rýchlosťou 54 km/h a zabrzdí do zastavenia. Koľko energie sa zmení na vnútornú energiu bŕzd a okolia? (Odpor vzduchu počas brzdenia zanedbáme.)
- — toľko energie skončí ako vnútorná energia kotúčov, doštičiek a okolia.
Zmena tepelnou výmenou
Druhá možnosť: teleso dáš k teplejšiemu telesu. Častice teplejšieho telesa pri zrážkach odovzdávajú energiu časticiam chladnejšieho — bez toho, aby sa konala práca. Tomuto deju hovoríme tepelná výmena (vedením, prúdením alebo žiarením — poznáš zo ZŠ).
Teplo je energia, ktorú pri tepelnej výmene odovzdá teplejšie teleso chladnejšiemu. Jednotka je joule (J). Samovoľne ide energia vždy z teplejšieho na chladnejšie, kým nenastane tepelná rovnováha.
Príklady: hrnček čaju chladne na stole, slnko zohrieva kapotu auta, varná doska ohrieva hrniec.
Teplo nie je „v telese“. Teleso má vnútornú energiu; teplo je energia, ktorá prešla pri tepelnej výmene. Preto je nesprávne „čaj obsahuje veľa tepla“ — správne je „čaj má veľkú vnútornú energiu“ alebo „čaj odovzdá teplo hrnčeku“. Teplo a teplota tiež nie je to isté: teplota je stavová veličina (meria ju teplomer), teplo je energia (v J).
Spolu: práca aj teplo
Vnútornú energiu môžeš meniť prácou aj tepelnou výmenou naraz. Zmena vnútornej energie je
kde je práca, ktorú na telese vykonajú okolité telesá, a je teplo, ktoré teleso prijme (keď teplo odovzdá, je záporné). Podrobne to rozoberieš v celku o ideálnom plyne ako 1. termodynamický zákon.
Pumpička: pri stlačení vykonáš na vzduchu prácu 30 J a vzduch počas toho odovzdá stenám pumpičky teplo 10 J. O koľko sa zmenila vnútorná energia vzduchu?
— vzduch v pumpičke sa zohrial.
🧪 Pokus: teplý ohyb
Pomôcky: kovová kancelárska spinka (alebo kúsok mäkkého drôtu).
Narovnaj spinku a v jednom mieste ju rýchlo ohni sem a tam asi 10-krát. Potom sa miesta ohybu jemne dotkni perami alebo zápästím. Pozor: keď drôt praskne, koniec môže byť ostrý.
Čo uvidíš a prečo
Miesto ohybu je citeľne teplé, hoci si ho ničím neohrieval. Pri ohýbaní si konal prácu, častice kovu sa posúvali a ich neusporiadaný pohyb sa zrýchlil — vnútorná energia drôtu sa zväčšila prácou, nie tepelnou výmenou. Rovnako to funguje, keď si na mraze šúchaš dlane.
Roztrieď, ako sa mení vnútorná energia:
A teraz počítaj — koľko energie sa zmení na vnútornú:
Zapamätaj si
- Vnútorná energia = kinetické energie neusporiadaného pohybu častíc + potenciálne energie ich vzájomnej polohy; rastie s teplotou.
- Vnútornú energiu meníš konaním práce (trenie, stláčanie, deformácia) alebo tepelnou výmenou.
- Teplo je energia odovzdaná pri tepelnej výmene z teplejšieho telesa na chladnejšie; teleso teplo „neobsahuje“.
- ( práca okolitých telies na telese, prijaté teplo).