Notranja energija


Snov je zgrajena iz atomov oz. molekul. V različnih agregatnih stanjih so ti med seboj različno povezani. V plinu je povezava med posameznimi sestavnimi deli šibka, pri trdninah pa zelo močna.



Pri segrevanju se atomi oz. molekule, ki sestavljajo snov, začnejo v povprečju hitreje gibati, zato se v povprečju poveča tudi njihova kinetična energija. Pri kapljevinah in trdnih snoveh pa moramo k skupni energiji prišteti tudi energijo, ki je povezana z vezmi med atomi oz. molekulami, ki sestavljajo snov. Skupna energija snovi je enaka vsoti energij vseh sestavnih delov. Ker te energije ne moremo izmeriti za vsak atom oz. molekulo posebej, določimo energijo nekoliko drugače.  

Skupno energijo sestavnih delov snovi poimenujemo notranja energija  in jo merimo v joulih []. Skupna energija npr. plina se poveča, če se poveča kinetična energija atomov oz. molekul, ki plin sestavljajo. Kinetična energija se poveča, če plin segrejemo, zato je tudi notranja energija snovi sorazmerna povečanju temperature. To lahko zapišemo kot . 


Toplota

Toplota je oblika energije, ki se prenaša med telesi.

Primer:

Vzemimo v roke sneženo kepo. Na roki čutimo, da nas hladi, saj prehaja toplota iz toplejše roke na hladnejši sneg. Snežena kepa prejema toploto in se tali. Roka pa zgublja oddaja (izgublja) toploto in se ohlaja.


Toplota se vedno prenaša iz toplejšega telesa na hladnejše telo.


Označujemo jo s črko Q. Njena enota je joule [J].

S toploto se med telesi prenaša notranja energija. Z dovajanjem toplote povečamo notranjo energijo snovi, z odvzemanjem toplote pa jo zmanjšujemo. Toplota torej neposredno vpliva na spremembo notranje energije teles:

Q » Wn


Za segreto (toplo) telo ne rečemo, da ima toploto. Segreto telo ima notranjo energijo. Pred tem, ko telo segrevamo, pa mu dovajamo toploto. Pravimo, da je telo prejelo toploto. Zaradi tega se mu poveča notranja energija. Ko se poveča notranja energija, se ponavadi pove ča tudi temperatura telesa.


Primer:

Ko dovedemo enemu litru vode 42 kJ toplote, se njena notranja energija poveča za 42 kJ. Pri tem se ji temperatura poveča za 10 stopinj Celzija.
Če vodi odvzamemo 42 kJ toplote, se bo njena notranja energija zmanjšala za 42 kJ, njena temperatura pa se bo zmanjšala za 10 stopinj Celzija.
Temperaturna sprememba za oba primera velja le, če se voda:

  •  ne pretvori v paro med segrevanjem,
  •  ne pretvori v led med ohlajanjem.

Ko snov prehaja v drugačno agregatno stanje, se njena temperatura ne spreminja kljub temu, da prejema ali izgublja toploto.



Ko snov sprejema ali oddaja toploto, se spreminja njena notranja energija:

Q = ΔWn

Zaradi dovajanja ali odvzemanja toplote se spreminja temperatura snovi ali pa njeno agregatno stanje.


Notranja energija in delo

 

 

Na filmu vrtalnik izvrta luknjico. Pri tem je opravil delo. Digitalni termometer vstavimo v luknjico in izmerimo višjo temperaturo. Obravnavali smo primer, ko se je snov segrela tako, da je prejela toploto. Pri tem se je snovi, ki se je segrela, povečala notranja energija.

 

 


Iz primera z vrtanjem pa lahko povzamemo, da se notranja energija telesu lahko zviša tudi z delom.


Notranjo energijo torej lahko spreminjamo ali z delom ali s toploto (ali z obema hkrati), zato lahko pišemo tudi:



Razlikovanje med temperaturo in toploto

Zelo pomembno je, da razlikujemo med toploto in temperaturo, saj se pojma podobno slišita, vendar imata povsem drugačno vlogo.

  • Temperatura ni energija

Temperatura je le količina, ki označuje trenutno toplotno stanje snovi. Če poznamo temperaturo in agregatno stanje snovi, lahko izračunamo njeno notranjo energijo.

Ker temperatura ni energija, se njena velikost ne ohranja in se ne pretaka. Nikamor ne teče. Se le spreminja in s tem nakazuje, da se spreminja tudi notranja energija.

  • Toplota je energija

Toplota se zato, tako kot vsaka energija, prenaša med telesi.

Teče iz telesa z večjo temperaturo, na telo z manjšo temperaturo.

Prejeta toplota poveča notranjo energijo, oddana toplota pa jo zmanjša.


 

 


Razlikujemo med toploto in temperaturo:

Toplota je energija, ki se prenaša iz toplejših teles na hladnejša. Njena enota je J (joule).

Temperatura označuje toplotno stanje snovi in jo merimo v  0C ali K (Kelvin).



Računanje toplote in specifična toplota


Spoznali smo, da se z dovajanjem toplote snovi poveča temperatura (ali pa spremeni agregatno stanje). Za koliko se bo dvignila temperatura ob segrevanju je odvisno od:

  •  vrste snovi.
  •  mase snovi.


Poskus:

Vzamemo toplotno izolirano posodo, npr. termovko z dovolj širokim vratom, vanjo nalijemo liter vode in potopimo električni grelec z močjo 420 W.  Paziti moramo, da bo grelec segreval le vodo in da bo šlo zanemarljivo malo toplote za segrevanje same posode in okoliškega zraka. V nasprotnem primeru meritve ne bodonatančne. Opisana naprava se imenuje kalorimeter.


Grelec nam daje toploto, ki je produkt moči grelca in časa:

Q = P • t

Začetna temperatura vode je 12 0C. Ko vklopimo grelec, se voda začne segrevati. Prejema toploto, ki do oddaja grelec. Vsako minuto odčitajmo
temperaturo vode. Rezultate vpišemo v tabelo.


Vidimo, da temperatura vode enakomerno narašča z dovedeno toploto. Za vsakih 25200 J dovedene toplote se liter    (1 kg) vode segreje za 6 0C. Da segrejemo 1 kg vode le za 1 0C potrebujemo torej šestkrat manj ali 4200 J toplote.


Zgornji poskus ponovimo tako, da v posodo vlijemo dvakrat več vode. V tem primeru potrebujemo dvakrat več toplote za isto temperaturno razliko. Namesto vode lahko vzamemo 1 kg neke druge snovi. Iz rezultatov meritev razberemo, koliko J toplote rabimo, da kg snovi segrejemo za 1 0C ali 1 K.

Rezultate meritev lahko povzamemo v naslednjo ugotovitev:


Toplota, ki je potrebna, da segrejemo snov za ΔT je sorazmerna masi m snovi. Faktor sorazmernosti se imenuje specifična toplota in ga označimo s c:


Q = m•c•ΔT


Če enačbo obrnemo, dobimo izraz za specifično toploto:

Enota ze specifično toploto je:

Specifična toplota c nam pove, koliko J toplote potrebujemo, da segrejemo 1 kg snovi za 1 0C. Toplota, ki je potrebna za segrevanje 1 kg snovi za 1 0C, je za vsako snov drugačna, a vendar točno določena. Iz zgornjega poskusa smo že ugotovili, kolikšna je specifična toplota vode.

V spodni tabeli so podane specifične toplote nekaterih snovi:



Če snovi dodajamo toploto, se veča njena temperatura, z odvzemanjem toplote pa manjša. Toploto in spreminjanje temperature povezuje enačba:

Q = m•c•ΔT

Specifična toplota c je odvisna od snovi. Pove nam pove, koliko J toplote potrebujemo, da segrejemo 1 kg snovi za 1 0C ali 1 K.


Primer:

Koliko toplote potrebujemo, da 2 kg železa segrejemo od 20 0C do 180 0C?
m = 2 kg
T1 = 20 0C
T2 = 180 0C
Q =?

___________________

Rešitev:

Uporabimo enačbo:

Q = m•c•ΔT

Vstavimo:

ΔT = T2 - T1
Q = m•c•(T2 - T1)

Vstavimo podatke. Specificno toploto železa dobimo iz tabele.

c = 460J/kg•K

Q = 2 kg•460 J/kg•K•(180 0C - 20 0C)

Temperaturna razlika v  0C je enaka, kot v K
Zapišimo jo:

Q = 2 kg • 460 J/kg K  •160 K

Izračunajmo:

Q = 147 200 J

Uporabimo predpono k (kilo) in zaokrožimo rezultat:

Q ≈ 150 kJ

Potrebujemo približno 150 kJ toplote.


Zadnja sprememba: ponedeljek, 25 januar 2021, 11:28