Termodynamika
Wszystkie substancje zbudowane są z cząsteczek. Biorąc pod uwagę oddziaływania między cząsteczkami (ich przyciąganie i odpychanie się) możemy stwierdzić, że posiadają one energię potencjalną 𝐸𝑝 , a biorąc pod uwagę ruch cząsteczek możemy stwierdzić, że posiadają też energię kinetyczną 𝐸𝑘. Sumę energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich cząsteczek, z których zbudowane jest ciało nazywamy energią wewnętrzną ciała.
Energia wewnętrzna zależy od temperatury, bo im większa temperatura, tym cząsteczki szybciej się poruszają, więc mają większe energie kinetyczne.
Temperatura jest to wielkość charakteryzująca dane ciało i jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek.
Temperaturę oznaczmy literą T.
Jednostką temperatury w układzie SI jest 1K (kelwin). Na co dzień używamy innych jednostek - °C (stopni Celsjusza).
0°C to temperatura zamarzania wody, 0K to tzw. zero absolutne, najniższa możliwa temperatura. Aby stopnie Celsjusza zamienić na kelwiny, należy do nich dodać 273.
Zero bezwzględne to temperatura, w której ustają drgania atomów i cząsteczek.
0 𝐾 = −273,15℃
0℃ = 273,15 𝐾 100℃ = 373,15 𝐾
Skoro energia wewnętrzna to suma energii wszystkich cząsteczek, to ciało ma tym większą energię wewnętrzną, z im większej liczby cząsteczek się składa.
Energię wewnętrzną ciała można zwiększyć wykonując nad ciałem pracę lub dostarczając do ciała ciepło.
Ciepło to ilość energii wewnętrznej przekazywanej między ciałami podczas jakiegoś procesu.
Ciepło oznaczamy literą Q.
Jednostką ciepła w układzie Si jest dżul (1J).
Ciepło może przepływać na trzy sposoby: przewodnictwa cieplnego, promieniowania i konwekcji.
Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z ruchem materii w gazie lub cieczy, np. unoszenie się do góry ciepłego powietrza.
Jeśli temperatura jakiegoś ciał rośnie, to rośnie jego energia wewnętrzna
I zasada termodynamiki. Przyrost energii wewnętrznej ciała (∆𝐸𝑊) jest równy sumie pracy wykonanej nad ciałem przez siły zewnętrzne (W) i dostarczonego mu ciepła (Q).
∆𝐸𝑊= 𝑊 + 𝑄
Jeśli ciało wykonuje pracę, to W<0, a jeśli ciało oddaje ciepło, to Q<0.
Ciepło może przepływać samorzutnie od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
Rozszerzalność to zjawisko zwiększania się objętości substancji wraz ze wzrostem temperatury i zmniejszania się objętości wraz ze zmniejszeniem się temperatury.
Spowodowane jest to zwiększaniem się odległości między cząsteczkami, które w wyniku wzrostu temperatury zwiększają swoją energię (ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego).
Wraz ze wzrostem temperatury ciała stałe wydłużają się. Zjawisko takie nazywamy rozszerzalnością liniową ciała. Zmiana rozmiarów ciała powoduje też wzrost jego objętości. . Zjawisko takie nazywamy rozszerzalnością objętościową ciała.
Zmiana Rozszerzalność liniowa musi być brana pod uwagę przy konstrukcji mostów, szyn kolejowych, linii energetycznych itp., które w czasie upałów zwiększają swoje rozmiary.
Rozszerzalność objętościową wykazują również ciecze i gazy. Zjawisko to wykorzystuje się w termometrach.
Rozszerzalność temperaturowa ciał jest różna w zależności od rodzaju substancji. Największą rozszerzalnością odznaczają się gazy, najmniejszą ciała stałe.
Ciepło właściwe substancji to ilość ciepła, którą należy dostarczyć, aby temperaturę 1 kg tej substancji podwyższyć o 1 ˚C (1K), a także ilość ciepła, którą oddaje 1 kg substancji podczas obniżania temperatury o 1 ˚C (1K).
Ciepło właściwe oznaczamy literą c.
Jednostką ciepła właściwego jest 𝐽
𝑘𝑔∙℃ 𝑙𝑢𝑏 𝐽
𝑘𝑔∙𝐾
Gdy ciało pobiera ciepło, zwiększa się jego energia wewnętrzna. Ilość ciepła, jaką trzeba dostarczyć ciału o masie m, aby ogrzać je o ∆T, obliczamy ze wzoru:
𝑄 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ ∆𝑇
