Vnitřní energie, práce a teplo, 1. Termodynamický zákon

Proč je zakázané kopírování? 💾 Stáhnout materiálVIP členstvíNahlásit chybu

fyzika

 

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

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

Celková energie soustavy

Tvořena:

  • kinetickou energií Ek – jejího makroskopického pohybu celku (posun, otočení, kmit)
  • potenciální energií Ep – vyplývající ze vzájemného silového působení těles (v tíhovém nebo elektrostatickém poli)
  • vnitřní energií U
  • E = Ek + Ep + U = E’ + U   kde   E’ = Ek + Ep => 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 Uk tepelného pohybu částic
    • celková vnitřní potenciální energie Up 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 Uk částic. Zmenšování objemu plynu způsobuje zmenšování vzdáleností mezi částicemi, proto se mění i celková vnitřní potenciální energie Up 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 ck tepelná kapacita kalorimetru, můžeme vyjádřit:
    • teplo Q1 = c1m1 (t1 – t), které těleso odevzdá
    • teplo Q2 = c1m1 (t – t2), které přijme kapalina
    • teplo Qk = Ck (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) + Ck (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