Vnitřní energie tělesa a teplo

Každé těleso má vnitřní energii (U), která vzniká díky tomu, že všechny látky jsou složené z neustále se pohybujících částic. Celková energie tělesa se skládá ze tří částí: potenciální energie (závislé na poloze), kinetické energie (závislé na pohybu) a právě vnitřní energie.

Změna vnitřní energie může být kladná (ΔU > 0, energie roste) nebo záporná (ΔU < 0, energie klesá). Tato změna může nastat třemi způsoby: tepelnou výměnou, konáním práce, nebo kombinací obojího.

Tip: Když si třeš ruce, konáš práci a zvyšuješ jejich vnitřní energii - proto se zahřejí!

Příklad s kuličkou ti názorně ukazuje, jak se různé druhy energie proměňují. Když kulička dopadne na zem, její kinetická energie se přemění na vnitřní energii - proto se místo dopadu trochu zahřeje.

Změna vnitřní energie konáním práce a tepelnou výměnou

Když stlačuješ plyn, částice se přiblíží k sobě, dochází k více srážkám a působí na sebe většími silami. Díky tomu se vnitřní energie zvětší (ΔU > 0). Naopak při roztahování plynu mají částice více prostoru, méně se srážejí a vnitřní energie klesá.

Teplo (Q) není totéž co teplota! Teplo popisuje děj předávání energie mezi tělesy, zatímco teplota charakterizuje stav tělesa. Množství předaného tepla závisí na hmotnosti, původní teplotě a typu materiálu.

Pamatuj si: Teplo vždy přechází z teplejšího tělesa na chladnější, nikdy naopak!

Pro výpočty používáme vzorce Q = c·Δt (když známe tepelnou kapacitu) nebo Q = m·c·Δt (když známe hmotnost a měrnou tepelnou kapacitu materiálu). Tyto vzorce ti pomůžou vyřešit většinu úloh z této oblasti.

Kalorimetrická rovnice a tepelné výpočty

Kalorimetrická rovnice je tvůj nejlepší přítel při řešení úloh s tepelnou výměnou. Její princip je jednoduchý: teplo odevzdané = teplo přijaté. To znamená, že Qₚᵣᵢⱼₐₜₑ́ = Qₒ𝒹ₑᵥᵣ𝒟ₐₙₑ́.

Když slijeme studenou a teplou vodu v izolované nádobě (kalorimetr), teplejší voda odevzdá teplo chladnější vodě, dokud nedosáhnou stejné teploty. Výsledná teplota závisí na hmotnostech obou porcí vody a jejich původních teplotách.

Pozor: Kalorimetr také přijímá teplo, proto musíš do výpočtu zahrnout i jeho tepelnou kapacitu!

Vzorec vypadá složitě, ale princip je prostý: m₁·c₁·$t - t₁$ = m₂·c₂·$t₂ - t$ + C·$t - t₁$. Levá strana představuje přijaté teplo, pravá strana odevzdané teplo včetně tepla přijatého kalorimetrem.

První zákon termodynamiky a přenos tepla

První zákon termodynamiky jednoduše říká: ΔU = W + Q. Změna vnitřní energie se rovná součtu vykonané práce a dodaného tepla. Pokud plyn koná práci (rozpíná se), píšeme -W, pokud konáme práci na plyn (stlačujeme ho), píšeme +W.

Při řešení úloh si dávej pozor na znaménka. Dodané teplo je +Q, odebrané teplo je -Q. Podobně práce vykonaná na soustavu je +W, práce vykonaná soustavou je -W.

Teplo se přenáší třemi způsoby: vedením (v pevných látkách, nejlépe kovy), prouděním (v kapalinách a plynech) a sáláním (záření). Vždy směřuje z teplejšího místa na chladnější.

Zajímavost: Termoska využívá všechny tři způsoby - vakuum zabraňuje vedení a proudění, lesklý povrch odráží sálání!