Ciała (ciała fizyczne, rzecz jasna) są w dotyku zimne lub ciepłe. Z takich doświadczeń wzięło się pojęcie temperatury. Jest ono miarą naszych wrażeń zmysłowych. Ale wrażenia jak to wrażenia, mogą nas zawodzić. Wprowadzono więc solidne pojęcie temperatury.

1. Co to jest temperatura?

Aby ją określić, potrzebna jest nam skala, a przede wszystkim charakterystyczne punkty skali temperatur. W powszechnie używanej skali Celsjusza są to dwa punkty:

  • temperatura topnienia lodu, której przypisano wartość 0
  • i temperatura wrzenia wody, której przyporządkowano wartość 100.

Ten przedział temperatur podzielono na 100 równych części. Część taka nazywa się stopniem Celsjusza, który oznaczamy 1oC. W nauce częściej używa się skali Kelvina. Stopień Kelvina (albo po prostu kelwin) oznaczamy K. Kelwin i stopień Celsjusza są równe.

Czym wobec tego różnią się te skale?

Położeniem punktu zerowego. Punkt ten w skali Kelvina to temperatura, w której zamiera ruch postępowy atomów. Nie da się osiągnąć temperatury niższej niż 0 K! Nie istnieją temperatury ujemne w tej skali. Temperatura Kelvina ma swoją mikroskopową interpretację. Jest ona mianowicie miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała. Im wyższą (średnio) energię kinetyczną mają cząsteczki ciała, tym wyższa jest jego temperatura.
W temperaturze (zero) 0 K (zwanej zerem bezwzględnym) średnia energia kinetyczna cząsteczek ciała wynosi zero.
Zapamiętaj, jak przeliczać temperaturę ze skali Kelvina na Celsjusza i na odwrót:

  • temperatura w skali Kelvina = temperatura w skali Celsjusza + 273,15
  • temperatura w skali Celsjusza = temperatura w skali Kelvina – 273,15

Przykład:
Na dworze jest 23oC. Ile to kelwinów?
T = (23 + 273)K = 300 K

 

2. Co to jest energia wewnętrzna ciała?

Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych wszystkich atomów, które składają się na ciało, i suma ich energii potencjalnych wzajemnych oddziaływań (atomy działają na siebie siłami i z tym związana jest energia potencjalna). Mierzy się ją oczywiście w dżulach.

 

3. Jak można zmienić energię wewnętrzną?

Energię wewnętrzną ciała można zmienić na dwa sposoby.

  • Pierwszy z nich to wykonanie pracy nad ciałem. Co to znaczy? Możemy ciało odkształcić tak, by zmieniło swoją objętość. Mamy tu działanie siły i przemieszczenie, mamy więc wykonaną pracę.
    Praca, która zmienia energię wewnętrzną:

    • kucie żelaza (żelazo rozgrzewa się, gdy je kujemy),
    • pompowanie piłki (powietrze w pompce i piłce rozgrzewa się podczas pompowania),
    • pocieranie rąk o siebie itd.

We wszystkich tych przypadkach wykonywanie pracy zwiększało energię wewnętrzną ciał.

  • Drugi sposób zmiany energii wewnętrznej to przekazywanie ciepła. Gdy postawimy garnek z wodą na ogniu, to żadnego wykonywania pracy nie widać, a jednak woda (i garnek) zwiększa swą energię wewnętrzną, co poznajemy po tym, że zwiększa swą temperaturę.
    Ciepło, które zmienia energię wewnętrzną:

    • włożenie żelaza do ognia (żelazo rozgrzewa się – rośnie jego energia wewnętrzna),
    • wrzucenie piłki do ciepłej wody (powietrze w piłce rozgrzewa się),
    • zetknięcie rąk z ciepłym piecem itd.

Zarówno pracę, jak i ilość ciepła mierzymy w dżulach. Pracę będziemy oznaczać literą W, a ilość ciepła Q.

 

4. Jak można sformułować pierwszą zasadę termodynamiki?

Obydwa sposoby zmiany energii wewnętrznej mogą zachodzić jednocześnie. Żelazo można zarazem kuć i je podgrzewać. Wtedy zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie wykonanej nad ciałem pracy W i dostarczonego ciepła Q. Możemy to zapisać w postaci wzoru:

Powyższe równanie nosi nazwę pierwszej zasady termodynamiki. Jest to nic innego jak wersja zasady zachowania energii, bowiem pierwsza zasada termodynamiki mówi, że praca wykonana nad ciałem i dostarczone ciepło nie znikają (ani nie powstają z niczego), lecz objawiają się w postaci wzrostu energii wewnętrznej ciała. Wielkości występujące w pierwszej zasadzie termodynamiki mogą mieć różne znaki.

Zmiana energii wewnętrznej

  • Jest dodatnia, jeśli energia wewnętrzna ciała rośnie.
  • Jest ujemna, jeśli energia ciała maleje.

Ilość ciepła

  • Gdy ciepło jest dostarczane do ciała, uważać je będziemy za dodatnie.
  • Jeśli ciepło jest z ciała odprowadzane, przypiszemy mu znak minus.

Praca

  • Jeśli otoczenie wykonuje pracę nad ciałem, to jest ona dodatnia.
  • Jeśli ciało wykonuje pracę nad otoczeniem, to jest ona ujemna.

Przykład:
Praca wykonana nad gazem w pompce do roweru jest dodatnia, jeśli to my (czyli otoczenie pompki) sprężamy gaz w pompce. Jeśli natomiast tenże gaz się rozpręża, przesuwając tłok na zewnątrz, to taka praca jest ujemna – gaz pozbywa się w ten sposób energii.

 

5. W jaki sposób energia cieplna może być przekazywana od jednego do drugiego ciała?

Są trzy sposoby przekazywania energii wewnętrznej (cieplnej) z jednego ciała do drugiego: przewodnictwo, konwekcja, promieniowanie.

  • Przewodnictwo
    Nieraz mieszałeś łyżeczką gorącą herbatę. Łyżeczka początkowo była chłodna, ale w miarę mieszania stawała się coraz cieplejsza. Styka się ona z gorącą herbatą swą dolną częścią, a energia jest przewodzona do Twojej ręki dzięki zderzeniom między atomami łyżeczki (a nawet bardziej między elektronami). Łyżeczka, ani żadna jej część, przy tym się nie przemieszcza.
    Najlepszymi przewodnikami ciepła są metale. Inne materiały: styropian, drewno, tworzywa sztuczne itd. bardzo słabo przewodzą ciepło – są izolatorami. Dlatego często stosuje się te materiały w budownictwie. Nie dopuszczają do „ucieczki” energii cieplnej z mieszkania na zewnątrz.
  • Konwekcja (unoszenie)
    Woda jest bardzo słabym przewodnikiem ciepła, a jednak podgrzewana od dołu dość szybko staje się ciepła również u góry. W tym przypadku sposób przenoszenia energii jest inny. Jest ona przenoszona wraz z materią, w tym przypadku z wodą. Podgrzana u dołu od płomienia woda zmniejsza swą gęstość (rozszerza się) i jest wypierana do góry. Wraz z tą porcją wody wędruje do góry energia cieplna. Na miejsce gorącej wody wchodzi chłodniejsza i cykl powtarza się. Zjawisko to nazywamy konwekcją.
  • Promieniowanie
    Gdy zbliżysz z boku rękę do kaloryfera lub żarówki – czujesz ciepło. Powietrze jest złym przewodnikiem, zatem czujesz to ciepło nie dzięki przewodnictwu. Konwekcja też nie jest za to odpowiedzialna, bo w ten sposób transportuje się ciepło do góry. Tu mamy do czynienia z trzecim sposobem przenoszenia energii – promieniowaniem.

 

Zadanie

Silnik pobrał 1000 J ciepła i wykonał pracę 600 J.
O ile zmieniła się jego energia wewnętrzna?

A) zmieniła się o 1600 J
B) zmieniła się o 0 J
C) zmieniła się o 400 J
D) zmieniła się o – 400 J

Rozwiązanie
W rozwiązaniu wykorzystujemy pierwszą zasadę termodynamiki. Należy tylko ustalić znaki ciepła i pracy. Ciepło przybywa do silnika, jest więc dodatnie. Silnik wykonuje pracę nad otoczeniem, zatem część jego energii zostaje przekazana otoczeniu – ta praca jest ujemna. Wobec tego

Widać stąd, że prawdziwa jest odpowiedź C).