Termodynamika - Vnútorná energia, Zákony Termodynamiky

Vnútornú energiu telesa môžeme definovať ako súčet všetkých energií (kinetickej a potenciálnej) všetkých častíc telesa. Symbol pre vnútornú energiu je U. Nie je možné vyčísliť celkovú vnútornú energiu daného telesa, a preto hovoríme o zmene vnútornej energie ∆U. ∆U znamená U − U₀ (U je vnútorná energia na konci a U₀ je vnútorná energia na začiatku). Keďže ide o energiu, meriame ju v Jouloch (J).

1. Termodynamický zákon (1. TZ) je zákon zachovania energie a pre nepohybujúcu sa sústavu znie nasledovne: zmena vnútornej energie telesa sa rovná dodanému teplu a práci, ktorú na telese vykonalo okolie. Matematicky môžeme zapísať:

Δ U = Q + W

Znamienková konvencia (dohoda) hovorí o tom, že ak teleso teplo prijíma, tak Q > 0. Ak teleso teplo odovzdáva, potom Q < 0. Ak okolie koná prácu na telese (napr. vonkajšia sila zmenšuje objem telesa), tak W > 0, ak teleso koná prácu (napr. zväčšuje svoj objem), tak W < 0.

Teplota je mierou kinetickej energie častíc. Ak rastie teplota, tak sa častice rýchlejšie pohybujú a preto rastie ich kinetická energia. Ak rastie kinetická energia častíc, zákonite musí rásť aj vnútorná energia telesa (pretože kinetická energia častíc je zložkou vnútornej energie telesa). Čiže ak rastie teplota telesa, jeho vnútorná energia tiež rastie. Ak klesá teplota telesa, jeho vnútorná energia tiež klesá. Opačne to však nemusí platiť. Napríklad: môže rásť vnútorná energia telesa tým, že mení skupenstvo z kvapalného na pevné, ale nemusí pri tom dôjsť k zmene teploty. (Viac o tom, pri zmene skupenstva)

Vnútornú energiu telesa môžeme meniť dvomi spôsobmi a to konaním práce, alebo dodávaním tepla.

Teplo potrebné na zohriatie telesa, alebo látky sa dá vypočítať pomocou vzorca:

Q = C . Δ T

kde C je tepelná kapacita telesa, ktorá udáva, koľko Joulov tepla je potrebné dodať telesu na to, aby sa zohrialo o 1 °C, resp. o 1 K. Toto číslo by sme potrebovali poznať pre každé teleso, čo nie je veľmi praktické. Jednoduchšie je poznať hmotnosť telesa m a látku, z akého je vyrobené. Pre každú látku potom vieme hmotnostnú (mernú) tepelnú kapacitu c, čo je množstvo tepla, ktoré potrebujeme dodať 1 kg látky, aby sme ju zohriali o 1 °C, resp. o 1 K. Potom sa dá vypočítať tepelná kapacita telesa nasledovne:

C = m . c

Respektíve pre teplo potrebné na zohriatie takéhoto telesa môžeme písať:

Q = m . c . Δ T

Doteraz sme rozoberali situáciu, kedy je teleso (systém) v pokoji. Ak sa však teleso pohybuje, okrem tepla, práce a vnútornej energie vystupujú v 1. termodynamickom zákone aj jeho potenciálna a kinetická energia. 1. termodynamický zákon potom môžeme písať ako:

Δ U + Δ E_{k} + Δ E_{p} = Q + W

Takáto situácia sa zvykne zjednodušovať a to tak, že predpokladáme, že teleso je izolované (nedochádza k výmene tepla medzi telesom a okolím). Potom 1. termodynamický zákon môžeme napísať takto:

Δ U + Δ E_{k} + Δ E_{p} = W

Niekoľko príkladov, ktoré popisuje tento zákon:

Kameň padá z výšky do piesku. Na začiatku má určitú polohovú potenciálnu energiu. Počas pádu sa potenciálna energia mení na kinetickú. Ak môžeme zanedbať odpor vzduchu, tak tesne pred dopadom má kameň kinetickú energiu rovnako veľkú, ako bola jeho polohová potenciálna energia. Pri dopade sa kameň zaborí do piesku a všetka kinetická energia sa premení na vnútornú energiu kameňa a piesku.

Olovená diabolka, vystrelená zo vzduchovky, sa zavŕta do dreveného terča. Na začiatku sa pohybuje vysokou rýchlosťou, má teda kinetickú energiu. Pri zavŕtavaní sa do terča časť energie spotrebuje na konanie práce. Zvyšok kinetickej energie sa premení na vnútornú energiu diabolky a terča.