Energia wewnętrzna, temperatura i przekazywanie ciepła - Spotkania z fizyką 7

1.Kiedy ciała się rozgrzewają?

Ciała się rozgrzewają, gdy np. uderzamy młotkiem w nakrętkę, pocieramy dłonie, szlifujemy drewno papierem ściernym, piłujemy metal albo wiercimy stępionym wiertłem. We wszystkich tych przypadkach rośnie temperatura ciał. Iskry spod szlifierki to drobne fragmenty materiału rozgrzane tak bardzo, że świecą.

2.Doświadczenie modelowe z kulkami w blistrze

Kulki ziela angielskiego w zagłębieniach blistra są modelem cząsteczek ciała stałego. Po lekkim pstryknięciu drgają słabo, po uderzeniu piłeczki pingpongowej - silniej, a po uderzeniu metalowej kulki - najsilniej, bo dostają najwięcej energii. Tak samo młotek zwiększa drgania cząsteczek nakrętki.

3.Energia wewnętrzna ciała

Suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek, z których zbudowane jest ciało, i energii potencjalnych związanych z wzajemnym oddziaływaniem tych cząsteczek. Oznaczamy ją $E_w$. Gdy cząsteczki drgają lub poruszają się intensywniej, energia wewnętrzna rośnie.

4.Temperatura

Wielkość charakteryzująca stan ciała; jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała. Im szybciej poruszają się cząsteczki, tym wyższa temperatura. W cieczach i gazach wzrost energii kinetycznej oznacza większą prędkość cząsteczek, a w ciałach stałych - intensywniejsze drgania.

5.Energia wewnętrzna a liczba cząsteczek

Ciało danego rodzaju i o danej temperaturze ma tym większą energię wewnętrzną, z im większej liczby cząsteczek się składa. Np. woda w jeziorze ma znacznie większą energię wewnętrzną niż cieplejsza woda w szklance, bo ma ogromnie więcej cząsteczek.

6.Kelwin

Jednostka temperatury w układzie SI (1 K), używana w skali bezwzględnej, czyli skali Kelvina. W tej skali 0 K to temperatura zera bezwzględnego, zamarzanie wody to 273 K, a wrzenie wody - 373 K.

7.Skala Celsjusza

Skala temperatur używana na co dzień m.in. w Polsce. Za $0^\circ\mathrm{C}$ przyjęto temperaturę zamarzania wody, a za $100^\circ\mathrm{C}$ - temperaturę wrzenia wody (pod ciśnieniem 1013,25 hPa). Zaproponował ją szwedzki uczony Anders Celsjusz.

8.Zero bezwzględne

Najniższa możliwa teoretycznie temperatura, przy której ustałby wszelki ruch cząsteczek. W skali Kelvina to 0 K, a w skali Celsjusza ok. $-273^\circ\mathrm{C}$ (dokładnie $-273{,}15^\circ\mathrm{C}$). Niższej temperatury nie ma.

9.Przeliczanie stopni Celsjusza na kelwiny

Do liczby stopni Celsjusza dodajemy 273 (dokładnie 273,15), np. $20^\circ\mathrm{C} = (20 + 273)~\mathrm{K} = 293~\mathrm{K}$, $-40^\circ\mathrm{C} = (-40 + 273)~\mathrm{K} = 233~\mathrm{K}$. Przy zamianie kelwinów na stopnie Celsjusza odejmujemy 273.

10.Różnica temperatur w kelwinach i stopniach Celsjusza

Zmiana temperatury o 1 K jest równa zmianie o $1^\circ\mathrm{C}$: $\Delta T~[\mathrm{K}] = \Delta T~[^\circ\mathrm{C}]$. Jeśli temperatura wzrosła o $5^\circ\mathrm{C}$, to wzrosła też o 5 K - do różnicy temperatur nie dodajemy 273.

11.Zwiększanie energii wewnętrznej przez pracę

Energię wewnętrzną ciała można zwiększyć, wykonując nad nim pracę, np. uderzając w nie młotkiem, pocierając je albo sprężając powietrze w pompce. Rośnie wtedy temperatura ciała.

12.Dlaczego pompka nagrzewa się podczas pompowania?

Cząsteczki powietrza odbijają się od tłoka, który porusza się w ich stronę - podobnie jak piłka tenisowa odbita rakietą lecącą jej naprzeciw. Po odbiciu cząsteczki są szybsze, więc rośnie ich energia kinetyczna i temperatura powietrza, a rozgrzane powietrze ogrzewa pompkę.

13.Praca a różne formy energii

Przyrost energii ciała jest zawsze równy wykonanej nad nim pracy, ale praca może zwiększać różne formy energii. Podniesienie ciała zwiększa jego energię potencjalną ciężkości, a energia wewnętrzna się nie zmienia (bez oporów ruchu). Pocieranie dwóch kawałków drewna zwiększa ich energię wewnętrzną, a nie zmienia energii potencjalnej.

14.Dlaczego odbita piłka nie wraca na początkową wysokość?

Bo część jej energii mechanicznej zamienia się w energię wewnętrzną. Podczas spadania i wznoszenia, w wyniku tarcia o powietrze, rośnie energia wewnętrzna piłki i powietrza, a podczas odbicia - energia wewnętrzna piłki i podłoża. Dlatego przy wznoszeniu w energię potencjalną zamienia się tylko część energii kinetycznej piłki.

15.Ciepło

Ilość energii wewnętrznej przekazanej między ciałami o różnych temperaturach bez wykonywania pracy. Oznaczamy je literą $Q$, a jego jednostką, tak jak pracy, jest dżul (1 J).

16.Kierunek przepływu ciepła

Ciepło przepływa zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze, aż temperatury obu ciał się wyrównają. Ciało, które pobiera ciepło, zwiększa energię wewnętrzną, a ciało, które oddaje ciepło (np. do otoczenia) - zmniejsza ją.

17.Równowaga termiczna

Stan, w którym stykające się ciała mają taką samą temperaturę, więc ciepło między nimi nie przepływa.

18.Doświadczenie z garnkiem i metalowym uchwytem

Cel: sprawdzić, czy energia wewnętrzna może wzrosnąć bez wykonywania pracy. Przebieg: podgrzewamy na kuchence garnek z wodą i trzymamy koniec jego długiego metalowego uchwytu (albo metalową łyżkę włożoną do wody). Obserwacja: uchwyt robi się ciepły. Wniosek: energia wewnętrzna rośnie wskutek przekazywania ciepła od ciała cieplejszego do chłodniejszego.

19.Pierwsza zasada termodynamiki

Jeżeli praca wykonana nad ciałem prowadzi w całości do przyrostu energii wewnętrznej, to przyrost energii wewnętrznej ciała jest równy sumie pracy wykonanej nad ciałem i pobranego ciepła: $\Delta E_w = W + Q$.

20.Przewodnictwo cieplne

Sposób przekazywania ciepła, który zachodzi przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych temperaturach. Cząsteczki ciała cieplejszego (o większej średniej energii kinetycznej) przekazują część energii cząsteczkom ciała chłodniejszego: w ciałach stałych przez silniejsze drgania sąsiednich cząsteczek, a w cieczach i gazach - w zderzeniach.

21.Przewodniki ciepła

Substancje, które dobrze przewodzą ciepło, więc szybko zmieniają temperaturę. Należą do nich wszystkie metale, a świetnym przewodnikiem ciepła jest też diament.

22.Izolatory ciepła

Substancje, które słabo przewodzą ciepło, np. drewno, styropian, guma, tworzywa sztuczne i powietrze. Woda także jest złym przewodnikiem ciepła. Izolatory chronią przed utratą ciepła albo przed oparzeniem.

23.Powietrze jako izolator ciepła

Powietrze i inne gazy są bardzo dobrymi izolatorami ciepła, jeśli ograniczy się ich konwekcję. Tak działają ubrania (powietrze uwięzione między włóknami), wełna mineralna i styropian, zbudowany z małych oddzielnych pęcherzyków gazu, między którymi gaz nie może krążyć.

24.Doświadczenie z kubkami i łyżkami w gorącej wodzie

Cel: porównać, jak różne substancje przewodzą ciepło. Do kubków: metalowego, plastikowego, styropianowego i do szklanki nalewamy gorącej wody, a do garnka z wrzątkiem wkładamy łyżkę metalową i drewnianą. Obserwacja: kubek metalowy jest gorący, szklanka bardzo ciepła, plastikowy ciepły, a styropianowy można trzymać w dłoni; metalowa łyżka nagrzewa się niemal od razu, drewniana prawie wcale. Wniosek: metale to dobre przewodniki, a drewno i styropian - izolatory ciepła.

25.Dlaczego metal w dotyku wydaje się zimniejszy niż drewno?

Choć oba przedmioty mają tę samą temperaturę, metal jako dobry przewodnik szybko odprowadza ciepło z naszej dłoni. Drewno i plastik robią to znacznie wolniej, dlatego wydają się cieplejsze.

26.Konwekcja

Sposób przekazywania ciepła w cieczach i gazach: ogrzana ciecz (lub gaz) przemieszcza się do góry, a chłodniejsza ciecz (gaz) zajmuje miejsce ogrzanej. Dzieje się tak, bo gęstość cieplejszej cieczy lub gazu jest mniejsza niż chłodniejszej. Dlatego w ogrzewanym pokoju pod sufitem jest cieplej niż przy podłodze.

27.Konwekcja w podgrzewanej wodzie

Woda jest złym przewodnikiem ciepła, więc w całej objętości nagrzewa się dzięki konwekcji: woda ogrzana przy dnie unosi się, a chłodna opada i zajmuje jej miejsce. Konwekcja zachodzi też przy schładzaniu: napój ochłodzony przy kostkach lodu opada, a cieplejszy napływa w ich pobliże.

28.Doświadczenie z sokiem z buraków

Cel: zaobserwować konwekcję w cieczy. Wodę w przezroczystym, żaroodpornym naczyniu podgrzewamy na palniku lub kuchence i co minutę dodajemy kilka kropel soku z buraków. Obserwacja: smugi soku pokazują, że woda krąży, a jej ruchy są coraz gwałtowniejsze wraz ze wzrostem temperatury. Wniosek: ogrzana woda unosi się, a chłodniejsza opada.

29.Doświadczenie z wiatraczkiem nad płomieniem

Cel: wykazać, że ciepłe powietrze unosi się do góry. Papierowy wiatraczek na szpilce przytrzymujemy nad zapaloną świeczką lub palnikiem. Obserwacja: wiatraczek zaczyna się obracać. Wniosek: ogrzane nad płomieniem powietrze ma mniejszą gęstość, unosi się i porusza skrzydełka - to konwekcja w gazie.

30.Promieniowanie

Sposób przekazywania ciepła na odległość, który może zachodzić także w próżni - tak ciepło ze Słońca dociera na Ziemię. Czujemy je np. dłonią zbliżoną z boku do płomienia. Nieprzezroczysty przedmiot umieszczony między dłonią a płomieniem zatrzymuje promieniowanie i wrażenie gorąca znika.

31.Sposoby przekazywania ciepła

Wyróżnia się trzy sposoby przekazywania (przepływu) ciepła: przewodnictwo cieplne (przy bezpośrednim kontakcie ciał), konwekcję (ruch ogrzanej cieczy lub gazu) i promieniowanie (na odległość, także w próżni).

32.Dom pasywny

Budynek o bardzo małym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania. Ma duże okna od południa (energia słoneczna), okna z potrójnymi szybami z gazem szlachetnym (np. argonem), grubą i szczelną izolację oraz rekuperator, w którym świeże zimne powietrze ogrzewa się od zużytego powietrza wywiewanego. Okapy nad oknami ograniczają nasłonecznienie latem.