Vnitřní energie, práce a teplo, 1. Termodynamický zákon

 

Otázka: Vnitřní energie, práce a teplo, 1. Termodynamický zákon

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

Celková energie soustavy

Tvořena:

• kinetickou energií E_k – jejího makroskopického pohybu celku (posun, otočení, kmit)
• potenciální energií E_p – vyplývající ze vzájemného silového působení těles (v tíhovém nebo elektrostatickém poli)
• vnitřní energií U
• E = E_k + E_p + U = E’ + U   kde   E’ = E_k + E_p => je celková mechanická energie soustavy

 

Vnitřní energie soustavy

• vnitřní energie U je energie, která závisí pouze na stavu tělesa (soustavy těles) a nezávisí na tom, jak se do toho stavu těleso dostalo
• vnitřní energii tvoří:
  • celková vnitřní kinetická energie U_k tepelného pohybu částic
  • celková vnitřní potenciální energie U_p částic, která vyplývá ze vzájemného působení
  • energie elektronů v elektronových obalech atomů a iontů
  • energie jader
• Vnitřní energii U tělesa (soustavy) tvoří především součet celkové kinetické energie tepelného pohybu částic tělesa (atomů, molekul, iontů) a celkové vnitřní potenciální energie vyplývající ze vzájemného působení těchto částic
• vnitřní energie není obecně konstantní veličina

 

Změna vnitřní energie

• Změna vnitřní energie ∆U může nastat dvěma způsoby:
  • konáním práce (třením těles, stlačováním plynu …)
  • tepelnou výměnou (radiátor a vzduch, varná konvice …)
  • současně tepelnou výměnou a konáním práce

∆U = U₂ – U₁

∆U >0 – vnitřní energie se zvětšila, přírůstek vnitřní energie

∆U <0 – vnitřní energie se zmenšila, úbytek vnitřní energie

 

Změna vnitřní energie konáním práce

• nastává např. při působení vnější tlakové síly F na píst válce s plynem, čímž dochází ke stlačování plynu. Protože částice plynu dopadají na pohybující se píst, zvyšují po odrazu svou rychlost. Tím dochází ke změně celkové vnitřní kinetické energie U_k částic. Zmenšování objemu plynu způsobuje zmenšování vzdáleností mezi částicemi, proto se mění i celková vnitřní potenciální energie U_p částic. Tato změna se projeví zvýšením teploty nádoby a stlačovaného plynu (př. hustilka na nafukování)
• ∆U = U₂ – U₁ = W
• v případě, že by byla nádoba adiabaticky (tepelně) izolována  ∆U = W
• vykoná-li práci plyn (=okolí) W’ posunutím pístu, zmenší se jeho vnitřní energie. Proto změna vnitřní energie plnu bude záporná ∆U = -W’.
• využívá se v tepelných motorech

 

Změna vnitřní energie tepelnou výměnou

• tepelná výměna: děj, při kterém neuspořádaně pohybující se částice tělesa s vyšší teplotou naráží na částice tělesa s nižší teplotou
• vnitřní energie jednoho tělesa se zvětšuje na úkor vnitřní energie druhého tělesa, obě tělesa jsou vůči sobě v klidu
• může probíhat i mezi tělesy, které se navzájem nedotýkají, předávání energie se uskutečňuje tepelným zářením
• Při tepelné výměně mezi tělesy A a B říkáme, že těleso A odevzdalo teplo tělesu B a těleso B teplo přijalo

 

Teplo Q

• Teplo Q je určeno energií, kterou odevzdá (nebo přijme) těleso při tepelné výměně.
• Vyjadřuje změnu stavu tělesa
• Teplo je celkovou kinetickou energií neuspořádaného pohybu částic, z nichž se látka skládá
• Jednotkou tepla je J [joule]
• Q = m×c×∆t
  • m – hmotnost tělesa
  • c – měrná tepelná kapacita
  • ∆t – teplotní rozdíl

 

Měrná tepelná kapacita c

• Je množství tepla potřebné k ohřátí 1 kg látky o 1 °C (1 K)
• Měrná tepelná kapacita (látky) c
  • je číselně rovna teplu potřebnému k zahřátí 1 kg látky o 1 °C (1 K)
  • je to tepelná kapacita vztažená na 1 kg látky
  •  C = C/m = Q/∆t = Q/∆T  [J.K-1.kg-1]   => Q = m.c.∆t
  • teplo, které přijme stejnorodé těleso je přímo úměrné hmotnosti a přírůstku teploty
  • uvedeny v MFChT

• Tepelná kapacita C
  • Množství tepla, jakým se těleso ohřeje za 1 teplotní rozdíl
  • platí pro konkrétní tělesa
  • C = Q/∆t = Q/∆T

 

Kalorimetr

• Slouží k experimentálnímu určení tepla Q a tepelné kapacity c
• Směšovací kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem, naplněná kapalinou. Pro přesnější měření může mít dvojitou stěnu vyplněnou vakuem.
• Je-li c_k tepelná kapacita kalorimetru, můžeme vyjádřit:
  • teplo Q₁ = c₁m₁ (t₁ – t), které těleso odevzdá
  • teplo Q₂ = c₁m₁ (t – t₂), které přijme kapalina
  • teplo Q_k = C_k (t – t₂), které přijme soustava kalorimetru

 

Kalorimetrická rovnice

• Vyjadřuje energetickou bilanci při tepelné výměně mezi tělesy v kalorimetru.
• Neuvažujeme-li tepelnou kapacitu kalorimetru s příslušenstvím, má rovnice tvar:
  • c₁m₁ (t₁ – t) = c₂m₂ (t – t₂) + C_k (t – t₂)
  • teplo odevzdané = teplo přijaté studenějším tělesem a kalorimetrem

 

První termodynamický zákon

• Je fyzikálním zákonem zachování energie
• Dodané teplo může zvýšit vnitřní energii systému nebo se spotřebovat na práci systému
• Neexistuje tepelný stroj, který by porušoval zákon zachování energie a vykonával trvale a cyklicky mechanickou práci bez přísunu energie. (Perpetuum mobile prvního druhu)
• Změna vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu tepla dodaného soustavě a vykonané práce ∆U = Q + W
  • ∆U = změna vnitřní energie
  • Q = teplo
  • W = práce

• Jestliže Q >0 a W >0, pak ∆U >0
  • vnitřní energie roste – soustava teplo přijímá, okolí vykonává práci na soustavě
• Jestliže Q <0 a W <0, pak ∆U <0
  • vnitřní energie klesá – soustava teplo odevzdává, soustava koná práci ne okolí

• Je-li soustava tepelně izolována (Q = 0), pak ∆U = W, vnitřní energie se mění pouze konáním práce. Jedná se o adiabatický děj – děj, při kterém neprobíhá tepelná výměna mezi soustavou a okolím.
• Jestliže se během termodynamického děje nekoná žádná práce W = 0, pak ∆U = Q, vnitřní energie se mění pouze díky teplu. Jedná se o tepelnou výměnu.

 

Formy přenosu vnitřní energie

Vedením/kondukcí

• Tělesa musí být ve vzájemném kontaktu, nebo mezi různými částmi jednoho tělesa
• Částice teplejšího vzduchu narážejí do částic tělesa studenějšího
• Velkou tepelnou vodivost mají kovy, špatnou kapaliny a velmi špatnou plyny
• Probíhá v každé látce
• Tepelné vodiče (látky s dobrou tepelnou vodivostí)
• Tepelné izolanty (látky se špatnou tepelnou vodivostí)

 

Prouděním/konvekcí

• Teplejší tělesa stoupají v látkovém prostředí vzhůru, chladnější klesají
• Probíhá pouze v kapalinách a plynech
• Mnohem více energie lze přenést prouděním, než pomalejším vedením (např. ústřední topení)

 

Zářením/radiací

• Výměna tepla mezi 2 tělesy je uskutečněna vyzářením a pohlcením elektromagnetického záření
• Tepelné záření může být odraženo, propuštěno nebo pohlceno
• Přenos energie může probíhat i ve vakuu