MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA

Vnitřní energie tělesa a její změna, teplo

Velmi důležitý článek

1) Zavedení pojmu VNITŘNÍ ENERGIE TĚLESA

Víme: 

Každá látka (těleso) se skládá z částic, které se neustále a neuspořádaně pohybují. (viz. kinetická teorie stavby látek)

Každá molekulová soustava (těleso) potom musí mít určitou vnitřní energii, která souvisí s jeho vnitřní částicovou strukturou. 

Značka vnitřní energie: U

Jednotka: J (joule)

Vlastnost: stavová fyzikální veličina

Do vnitřní energie zahrnujeme různé druhy energie související s částicovou strukturou látky. Proto sem patří například

2) ZMĚNA vnitřní energie

Vnitřní energii tělesa můžeme změnit dvěma způsoby:

1) Konáním práce

2) Tepelnou výměnou

a) Změna vnitřní energie konáním práce

Příklad 1: tření dvou dlaní po sobě, vnímáme pocit tepla

Vysvětlení: 

částice na styčných plochách se více rozkmitají a předají část své energie dalším částicím, tím se zvyšuje teplota obou těles a tím se současně zvyšuje jejich vnitřní energie U

Příklad 2: pohyb tělesa rychlostí v po vodorovné podložce, působením třecí síly Ft se těleso zastaví

Vysvětlení: 

Platí: W = Ft . s a zároveň W = Δ Ek a protože se těleso vlivem třecí síly zastavilo musí úbytek Ek = přírůstek U tělesa a podložky

SHRNUTÍ

Zobecnění ZÁKONA ZACHOVÁNÍ ENERGIE

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

E = EK + EP + U = konst.

b) Změna vnitřní energie tepelnou výměnou

Příklad 1: ohřívání pokrmu na sporáku

Příklad 2: tání sněhu v lidské dlani

Vysvětlení obou případů: 

Neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí na částice studenějšího tělesa a předávají jim část své energie. Tento proces nazýváme tepelná výměna.

TEPELNÁ VÝMĚNA

= děj, při kterém neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí na částice studenějšího tělesa a předávají jim část své energie. V případě, že se tělesa nedotýkají, přenos energie z tělesa teplejšího na studenější se děje prostřednictvím tepelného záření.

TEPLO (Q)

je určeno energií, kterou při tepelné výměně předá teplejší těleso studenějšímu.

Vlastnosti tepla:

Q = c . m . Δ t

Teplo, které přijme chemicky stejnorodé těleso, je přímo úměrné hmotnosti tohoto tělesa a změně teploty.

Vlastnosti měrné tepelné kapacity tělesa (c):

Ve fyzice zavádíme i tzv. tepelnou kapacitu tělesa (C)

Definice: C = Q / ΔT

Jednotka: J . K-1

Vztah mezi c a C: C = c . m

3) ÚLOHY

Úloha 1:

Kovová kulička o hmotnosti 0,1 kg spadne volným pádem z výšky 20 m do písku. O jakou hodnotu vzroste vnitřní energie kuličky a písku? (g = 10 m × s–2)

(20 J)

Úloha 2:

Dřevěná kostka o hmotnosti 5 kg je vržena rychlostí 10 m × s–1 po drsné vodorovné podložce a vlivem tření se zastaví. O jakou hodnotu vzroste vnitřní energie kostky a podložky?

(250 J)

Úloha 3: 

Míč o hmotnosti 400 g spadl volným pádem z výšky 10 m na vodorovnou podlahu a odrazil se do výšky 6 m. O jakou hodnotu vzrostla při nárazu míče na podlahu vnitřní energie míče a podlahy?

(16 J)

Úloha 4:

Tenisový míček o hmotnosti 58 g narazil vodorovným směrem na svislou stěnu rychlostí 90 km × h–1 a odrazil se rychlostí 60 km × h–1. O jakou hodnotu vzrostla při nárazu vnitřní energie míčku a stěny?

(10 J)

Úloha 5:

Letící brok, Sbírka řešených úloh MFF UK

Úloha 6: 

Tření na nakloněné rovině, Sbírka řešených úloh MFF UK

Úloha 7: 

Ohřívání hřebíku při zatloukání, Sbírka řešených úloh MFF UK