Vnútorná energia a teplo Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Vnútorná energia (U) — je súčet pohybovej (kinetickej) a polohovej (potenciálnej) energie všetkých častíc, z ktorých sa teleso skladá — atómov a molekúl. Tieto častice sa neustále neusporiadane pohybujú a navzájom na seba pôsobia príťažlivými silami. Vnútorná energia je teda úplne iná veličina než pohybová energia celého telesa, ktoré sa pohybuje ako celok. Každé teleso má vnútornú energiu, aj keď leží nehybne na stole.

2. Súvis teploty a pohybu častíc — čím rýchlejšie sa častice telesa neusporiadane pohybujú, tým vyššiu má teleso teplotu. Teplota je teda mierou priemernej pohybovej energie častíc látky. Pri zahrievaní sa častice rozkmitajú a rozbehnú rýchlejšie, čím rastie vnútorná energia aj teplota. Pri ochladzovaní sa pohyb častíc spomaľuje.

3. Dva spôsoby zmeny vnútornej energie — vnútornú energiu telesa môžeme zmeniť dvoma spôsobmi: konaním práce alebo tepelnou výmenou. Pri konaní práce teleso trieme, stláčame, ohýbame alebo doň narážame (napríklad trením dlaní sa ruky zohrejú). Pri tepelnej výmene teleso prichádza do styku s teplejším alebo chladnejším okolím. Oba spôsoby vedú k rovnakému výsledku — zmene teploty telesa.

4. Teplo (Q) — je časť vnútornej energie, ktorá prechádza z teplejšieho telesa na chladnejšie pri tepelnej výmene. Teplo nie je „uložené" v telese — je to energia v pohybe, teda prenášaná energia. Značíme ho písmenom Q a jeho jednotkou je joule (J), rovnako ako pri každej inej energii. Teleso teda neobsahuje teplo, ale vnútornú energiu.

5. Smer tepelnej výmeny — teplo vždy samovoľne prechádza z teplejšieho telesa na chladnejšie, nikdy nie opačne. Tepelná výmena prebieha dovtedy, kým sa teploty oboch telies nevyrovnajú — vtedy nastane rovnovážny stav. Práve preto horúca polievka na stole postupne vychladne na teplotu miestnosti a studený nápoj sa ohreje. Tento jav využívame napríklad pri chladení nápojov ľadom.

6. Vedenie tepla (kondukcia) — je prenos tepla v pevných látkach bez premiestňovania samotnej látky. Rýchlejšie kmitajúce častice teplejšej časti telesa narážajú do susedných častíc a odovzdávajú im časť svojej energie, takže rozkmit sa šíri ďalej. Takto sa zohreje napríklad celá kovová lyžička, ktorú ponoríme jedným koncom do horúceho čaju. Vedenie tepla je hlavný spôsob šírenia tepla v tuhých látkach.

7. Tepelné vodiče a izolanty — látky, ktoré vedú teplo dobre, voláme tepelné vodiče (najmä kovy ako meď, hliník, železo), látky, ktoré teplo vedú zle, sú tepelné izolanty (drevo, plast, polystyrén, vzduch, vlna). Preto sú rukoväte hrncov z plastu alebo dreva a okná majú dvojité sklo so vzduchovou medzerou. Vzduch je výborný izolant — práve preto nás hreje páperová bunda, kde je vzduch uväznený medzi vláknami.

8. Prúdenie tepla (konvekcia) — je prenos tepla v kvapalinách a plynoch, pri ktorom sa premiestňuje samotná zohriata látka. Teplejšia časť kvapaliny alebo plynu je redšia a stúpa nahor, chladnejšia klesá nadol, čím vzniká neustály obeh. Takto funguje radiátor v izbe, ktorý zohrieva vzduch pri podlahe a ten stúpa ku stropu. Konvekcia je dôvod, prečo kúrenie umiestňujeme čo najnižšie a klimatizáciu vyššie.

9. Tepelné žiarenie (radiácia) — je prenos tepla v podobe elektromagnetického žiarenia, ktoré sa šíri aj prázdnym priestorom (vákuom), bez akejkoľvek látky. Práve týmto spôsobom k nám prichádza energia zo Slnka cez vesmírny priestor. Každé teplé teleso vyžaruje teplo do okolia, napríklad rozpálená pec alebo oheň, ktorého teplo cítime aj na diaľku. Tmavé a matné povrchy žiarenie pohlcujú lepšie než svetlé a lesklé.

10. Joule (J) ako jednotka energie a tepla — vnútorná energia aj teplo sa merajú v jouloch, pretože sú to formy energie. Často používame väčšiu jednotku kilojoule: 1 kJ = 1000 J. Joule je pomenovaný po anglickom fyzikovi Jamesovi Prescottovi Jouleovi, ktorý skúmal premenu mechanickej práce na teplo. Vďaka jeho pokusom dnes vieme, že práca a teplo sú dva spôsoby prenosu tej istej veličiny — energie.

11. Zákon zachovania energie pri tepelnej výmene — energia sa pri tepelnej výmene nestráca ani nevzniká, iba prechádza z jedného telesa na druhé. Koľko tepla odovzdá teplejšie teleso, presne toľko prijme chladnejšie teleso (ak nie sú straty do okolia). Tento princíp je základom kalorimetrie — merania tepla. Je to konkrétny prejav všeobecného zákona zachovania energie, jedného z najdôležitejších zákonov celej fyziky.

12. Praktický význam tepelnej izolácie — pochopenie vedenia, prúdenia a žiarenia tepla využívame v každodennom živote pri zatepľovaní domov, výrobe termosiek a oblečenia. Termoska udrží nápoj teplý vďaka tomu, že obmedzuje všetky tri spôsoby prenosu tepla naraz — dvojitá stena s vákuom bráni vedeniu a prúdeniu, lesklý povrch odráža žiarenie. Dobré zateplenie domu šetrí energiu na kúrenie a chráni životné prostredie. Preto je znalosť šírenia tepla dôležitá nielen vo fyzike, ale aj v stavebníctve a technike.

1. Poučka

Vnútorná energia telesa je súčet pohybovej (kinetickej) a polohovej (potenciálnej) energie všetkých častíc (atómov a molekúl), z ktorých sa teleso skladá. Čím vyššia je teplota telesa, tým rýchlejšie sa jeho častice pohybujú a tým väčšiu vnútornú energiu teleso má.

Teplo (Q) je časť vnútornej energie, ktorá prejde z teplejšieho telesa na chladnejšie. Teplo vždy prechádza zo telesa s vyššou teplotou na teleso s nižšou teplotou. Jednotkou tepla je joule (J).

Vnútornú energiu telesa možno zmeniť dvoma spôsobmi: konaním práce (trením, stláčaním) alebo tepelnou výmenou (zohrievaním, ochladzovaním).

2. Vysvetlenie

Predstav si, že každé teleso je zložené z obrovského množstva drobných častíc, ktoré sa neustále pohybujú — kmitajú, otáčajú sa, narážajú do seba.

• Krok 1: Tieto častice majú energiu pohybu. Súčet energií všetkých častíc = vnútorná energia telesa.
• Krok 2: Keď teleso zohrejeme, častice sa pohybujú rýchlejšie → teplota stúpa → vnútorná energia rastie.
• Krok 3: Keď teleso ochladíme, častice sa spomalia → teplota klesá → vnútorná energia klesá.
• Krok 4: Vnútornú energiu vieme zmeniť aj bez ohňa — napríklad trením (rukami, pílením dreva) konáme prácu a teleso sa zohreje.
• Krok 5: Keď sa dotkneš teplejšieho telesa, teplo prechádza doň alebo z neho — tomu hovoríme tepelná výmena. Teplo prúdi vždy od teplejšieho k chladnejšiemu, nikdy naopak samo od seba.

Vedenie tepla (kondukcia) je prenos tepla v pevných látkach: rýchlo kmitajúce častice rozkmitajú susedné častice, a tak sa teplo „šíri" cez celé teleso. Kovy vedú teplo dobre (sú dobré vodiče), drevo, plast, vzduch a vlna ho vedú zle (sú izolanty).

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — dva spôsoby zmeny vnútornej energie: Roztrieď: trenie dlaní, ohrev vody na sporáku, nafukovanie pneumatiky pumpou, ohrev kameňa na slnku.
Konanie práce: teleso trieme alebo stláčame (dlane, pumpa).
Tepelná výmena: teleso prijme teplo od teplejšieho telesa (sporák, Slnko).
Výsledok → práca: trenie dlaní, pumpa; tepelná výmena: sporák, slnko

Príklad 2 — zmena vnútornej energie tepelnou výmenou: O koľko sa zvýši vnútorná energia 2 kg vody, ktorá sa ohreje o 5 °C?
Pri tepelnej výmene sa vnútorná energia zvýši presne o prijaté teplo: ΔU = Q
Q = c · m · Δt, c = 4 200 J/(kg·°C)
ΔU = 4 200 · 2 · 5 = 42 000 J

Príklad 3 — zmena vnútornej energie prácou: Pri vŕtaní vykonáme prácu 2,5 kJ. 80 % z nej sa premení na vnútornú energiu vrtáka a dreva. O koľko sa zvýšila ich vnútorná energia?
2,5 kJ = 2 500 J, 80 % = 0,8
ΔU = 0,8 · 2 500 = 2 000 J

Príklad 4 — lyžička v čaji: Prečo sa zohreje aj koniec lyžičky, ktorý nie je v čaji?
Častice v ponorenej časti kmitajú rýchlejšie.
Narážajú do susedných častíc a odovzdávajú im energiu.
Rozkmit sa šíri kovom až na koniec → vedenie tepla v kove

Príklad 5 — rúčka hrnca: Prečo má hrniec rúčku z dreva alebo plastu?
Kov vedie teplo dobre, drevo a plast zle.
Rúčka zo zlého vodiča sa nezohreje a nepopálime sa.
Odpoveď → drevo a plast sú tepelné izolanty

Príklad 6 — zateplenie domu (prax): Dom spotrebuje na kúrenie 1 200 kWh za mesiac. Zateplenie polystyrénom zníži spotrebu o 40 %. Koľko kWh bude dom potrebovať?
Polystyrén obsahuje veľa uzavretého vzduchu a vedie teplo veľmi zle.
Ostane 100 % − 40 % = 60 % pôvodnej spotreby.
Spotreba: 0,6 · 1 200 = 720 kWh

Prečo je to dôležité: Pochopenie vnútornej energie a tepla nám pomáha zatepľovať domy, vyrábať bezpečný riad, navrhovať oblečenie do mrazu aj chladiace zariadenia. Vďaka tomu šetríme energiu, peniaze a chránime prírodu.

Precvič si

1. Ako sa zmení vnútorná energia vody, keď ju ochladíme?
2. Prečo sa klinec pri zatĺkaní kladivom zohreje?
3. Koľko joulov je 3,5 kJ?
4. O koľko sa zvýši vnútorná energia 0,5 kg vody, ktorá sa ohreje o 20 °C?
5. Horúca voda odovzdá studenej vode 21 000 J tepla a do okolia neunikne nič. Koľko tepla prijme studená voda?
6. Medený hrniec s hmotnosťou 0,8 kg (c = 380 J/(kg·°C)) ohrejeme z 20 °C na 120 °C. O koľko sa zvýši jeho vnútorná energia?