Vnitřní energie, práce, teplo – maturitní otázka

Otázka: Vnitřní energie, práce, teplo

Předmět: Fyzika

Přidal(a): anonymus

 

 

Vnitřní energie

• Vnitřní energie tělesa (soustavy) je součet celkové kinetické energie všech neuspořádaně se pohybujících částic tělesa a celkové potenciální energie vzájemné polohy těchto částic.
• značka U
• na počátku termodynamického děje má soustava vnitřní energii U₁, při konečném stavu vnitřní energii U₂;
• děj charakterizuje změna vnitřní energie soustavy DU = U₂ – U₁.

 

Vnitřní energii tělesa můžeme změnit:

• a) konáním práce
• b) tepelnou výměnou

 

a) změna vnitřní energie konáním práce (příklady sami)

• Při dějích probíhajících v izolované soustavě těles zůstává součet kinetické, potenciální a vnitřní energie konstantní.

b) změna vnitřní energie tepelnou výměnou

• Tepelná výměna – předávání vnitřní energie, aniž by se konala práce; těleso s vyšší teplotou předává energii tělesu s nižší teplotou(neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí na částice studenějšího tělesa a předávají jim část své energie)

 

K tepelné výměně může dojít:

a) Vedením – dvě dotýkající se tělesa nebo v jednom tělese; různé látky vedou teplo různě

• tepelné vodiče-dobře vedou teplo, např. kovy
• tepelné izolanty – špatně vedou teplo, např. dřevo, papír
• velmi špatnou tepelnou vodivost má voda a plyny,sypké a pórovité látky, které mají uvnitř vzduch – peří, tkaniny, suché dřevo, cihly, skelná vata

b)Prouděním – zahříváme-li kapalinu nebo plyn zdola; teplejší kapalina má menší hustotu, proto stoupá vzhůru a přenáší teplo do chladnějších míst, např. vaření,ohřev vzduchu v místnosti,tah komínu

c) Zářením – tepelná výměna pomocí tepelného elektromagnetického záření – infračervené záření-bez kontaktu

• tepelné záření látkou tělesa (např. sklem) prochází, teplota tělesa se nezvýší.
• tepelné záření se od povrchu tělesa převážně odráží a zvýšení teploty je malé – lesklé kovové plochy, světlé barvy
• tepelné záření je povrchem tělesa pohlcováno a těleso se zahřívá-tmavé plochy

 

Teplo; Měrná tepelná kapacita

• Velikost přijatého či odebraného tepla je přímo úměrná hmotnosti tělesa m a změně teploty tělesa Dt, pokud se nemění skupenství látky.
• Q = m . c . Dt
• m – hmotnost tělesa
• c – měrná tepelná kapacita
• Dt – změna teploty
• Množství tepla, které se musí dodat tělesu o hmotnosti 1 kg, aby se jeho teplota zvětšila o 1 K, je jeho měrná tepelná kapacita c.
• [c] = J × K^–1×kg^–1
• Měrná tepelná kapacita závisí na látce.
• Množství tepla, které se musí danému tělesu dodat, aby se jeho teplota zvětšila o 1K,je jeho tepelná kapacita C.
• [C] = J × K^–1
• Měrná tepelná kapacita je veličina charakteristická pro danou látku, pro různé látky a různá skupenství má měrná tepelná kapacita různou hodnotu.

 

Kalorimetrická rovnice

• Vložíme těleso o vyšší teplotě t₁ do kapaliny o nižší teplotě  t₂. Dojde k tepelné výměně. Tělesa na konci děje dosáhnou rovnovážného stavu, tzn. mají stejnou teplotu t.
• těleso: hmotnost m₁, teplota t₁, měrná tepelná kapacita c₁
• kapalina: hmotnost m₂, teplota t₂, měrná tepelná kapacita c₂
• Při tepelné výměně odevzdá teplejší těleso kapalině teplo Q₁ = c₁ . m₁ . Dt₁
• Kapalina přijme teplo Q₂ = c₂ . m₂ . Dt₂
• Ze zákona zachování energie plyne pro izolovanou soustavu, že úbytek vnitřní energie tělesa se rovná přírůstku vnitřní energie kapaliny tedy
• Q₁ = Q₂
• m₁ · c₁ · ( t – t₁) = m₂ · c₂ · ( t₂ – t)
• Dostali jsme tzv. kalorimetrickou rovnici. Kalorimetrická rovnice však předpokládá, že nádoba, ve které je kapalina i předmět, žádné teplo nepřijme. Jestliže budeme uvažovat tuto skutečnost, dostaneme rovnici ve tvaru:
• m₁ · c₁ · ( t – t₁) = m₂ · c₂ · ( t₂ – t) + C · ( t₂ – t)
• Kalorimetrická rovnice vyjadřuje zákon zachování energie při tepelné výměně.

 

První termodynamický zákon

• Celková změna vnitřní energie soustavy DU se rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy nebo soustavou silovým působením a tepla Q přijatého z okolních těles nebo odevzdaného okolním tělesům.
• DU = W + Q
• a.pro  Q = 0  nastává   DU = W  ….  adiabatický děj
• b.pro  W = 0 nastává   DU = Q  ….  změna vnitřní energie se rovná teplu, které soustava přijala nebo odevzdala.
• c.je-li W práce vykonaná okolními tělesy, pak W´ je práce konaná soustavou, pak   DU = -W´ + Q
• tedy: Q = DU + W ´
• …teplo dodané soustavě se rovná přírůstku vnitřní energie a práce, kterou soustava vykonala.