Energia wewnętrzna ciała

około 12 minut
W tej lekcji1/14

Zagadka na otwarcie działu: kubek herbaty prosto z czajnika ma 80°C, a jezioro w pochmurny dzień ledwie 15°C. Gdzie jest więcej energii? Prawie każdy wskaże herbatę — w końcu to ona parzy. A jednak poprawna odpowiedź brzmi: w jeziorze. I to nie odrobinę więcej — nieporównanie więcej. Żeby zrozumieć, jak to możliwe, poznamy dziś wielkość, na której stoi cała nauka o cieple: energię wewnętrzną.

Energia schowana w środku każdego ciała

Połączmy dwie rzeczy, które już wiesz: cząsteczki każdego ciała nigdy nie stoją w miejscu, a wszystko, co się porusza, ma energię kinetyczną.

Definicja energii wewnętrznej

Energia wewnętrzna ciała to suma energii ruchu i energii oddziaływań WSZYSTKICH jego cząsteczek. Oznaczamy ją EwE_w i mierzymy — jak każdą energię — w dżulach.

Temperatura pyta o średnią, energia wewnętrzna o sumę

Z poprzedniej lekcji wiesz już, że temperatura to miara średniej energii ruchu cząsteczek: im wyższa temperatura, tym szybciej porusza się przeciętna cząsteczka. Ogrzewanie to rozpędzanie cząsteczek, stygnięcie to ich zwalnianie.

Skarbonki: przeciętna kontra majątek miasteczka

To dokładnie taka różnica jak między średnią a sumą. Wyobraź sobie skarbonki: jeden kolekcjoner trzyma w swojej 1000 zł, a w miasteczku każdy z dziesięciu tysięcy mieszkańców ma po 10 zł. Średnia na skarbonkę jest wyższa u kolekcjonera — ale całe miasteczko ma razem sto razy więcej pieniędzy. Temperatura to zasobność przeciętnej skarbonki, energia wewnętrzna to majątek całego miasteczka.

Podgrzewanie i dolewanie — dwa różne skutki

Stąd dwa wnioski, które warto zapamiętać na zawsze:

Herbata kontra jezioro — pojedynek na energię

  1. 1

    W lewym narożniku: kubek herbaty o temperaturze 80°C i masie ćwierć kilograma. Jego cząsteczki pędzą bardzo szybko — każda niesie sporą porcję energii ruchu.

    therbaty=80 ∘Ct_{\text{herbaty}} = 80\ ^{\circ}\text{C}
  2. 2

    W prawym narożniku: jezioro o temperaturze 15°C. Jego cząsteczki poruszają się wyraźnie wolniej — pojedyncza cząsteczka wody z jeziora ma mniej energii niż pojedyncza cząsteczka herbaty.

    tjeziora=15 ∘Ct_{\text{jeziora}} = 15\ ^{\circ}\text{C}
  3. 3

    Runda pierwsza: temperatura. Tu wygrywa herbata i nie ma o czym dyskutować — jej cząsteczki są średnio szybsze.

    80 ∘C>15 ∘C80\ ^{\circ}\text{C} > 15\ ^{\circ}\text{C}
  4. 4

    Runda druga: liczymy zawodników. Kubek to ćwierć kilograma wody. Nawet niewielkie jezioro ma masę miliardów kilogramów — cząsteczek jest w nim miliardy razy więcej niż w kubku.

    mjeziora≫mherbatym_{\text{jeziora}} \gg m_{\text{herbaty}}
  5. 5

    Runda trzecia: sumujemy. Każda cząsteczka jeziora wnosi mniejszą porcję energii, ale tych porcji jest niewyobrażalnie więcej. Suma miażdży: energia wewnętrzna jeziora jest miliardy razy większa niż energia wewnętrzna herbaty.

    Ew, jeziora≫Ew, herbatyE_{\text{w, jeziora}} \gg E_{\text{w, herbaty}}
Wszystkie kroki za Tobą!

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

Twoja kolej

Nalewasz z jednego dzbanka dwie szklanki wody: pełną i napełnioną do połowy. Obie mają dokładnie 20°C. Które zdanie jest prawdziwe?

Pułapka! Gorące nie znaczy pełne energii

Najczęstszy błąd w całym dziale: utożsamianie temperatury z energią wewnętrzną. Skoro coś ma wysoką temperaturę, to musi mieć dużo energii — prawda? Nieprawda. I jest na to spektakularny dowód.

Rozwiązanie zagadki iskry

Jak to możliwe? Iskra to okruszek rozżarzonego materiału o masie ułamka miligrama. Jej cząsteczki pędzą oszałamiająco szybko — stąd ogromna temperatura — ale jest ich tak mało, że suma ich energii jest znikoma. Skórze oddadzą tyle co nic. Wrzątek ma cząsteczki wolniejsze, za to tryliony razy liczniejsze: jego energia wewnętrzna jest ogromna i skóra dostaje jej bolesną porcję.

- Iskra ma bardzo wysoką temperaturę i bardzo małą energię wewnętrzną ✓
- Im wyższa temperatura ciała, tym większa jego energia wewnętrzna — zawsze ✗

Parzy przekazana energia, nie sama temperatura

O tym, czy coś nas poparzy, decyduje nie sama temperatura, lecz to, ile energii może nam przekazać — a to zależy także od masy. Ciepło to przekazywana energia, a temperatura tylko wskazówka, w którą stronę popłynie.

Zjazd na sam dół — dlaczego istnieje zero bezwzględne

  1. 1

    Skoro temperatura mierzy ruch cząsteczek, zróbmy eksperyment myślowy: schładzajmy powietrze i patrzmy, co robią jego cząsteczki. W pokoju, przy 20°C, cząsteczki azotu i tlenu śmigają średnio z prędkością około 500 metrów na sekundę.

    t=20 ∘Ct = 20\ ^{\circ}\text{C}
  2. 2

    Schładzamy do -100°C — cząsteczki lecą wolniej. Do -200°C — jeszcze wolniej; powietrze jest już wtedy cieczą. Każdy stopień w dół oznacza jedno: wolniejszy ruch cząsteczek i mniejszą energię wewnętrzną.

  3. 3

    I tu pojawia się pytanie: jak głęboko można tak zjeżdżać? Ruch da się spowalniać tylko dopóty, dopóki jakikolwiek jest. Wolniej niż prawie wcale poruszać się nie da — więc skala temperatur musi mieć dno.

    tmin=−273 ∘Ct_{\text{min}} = -273\ ^{\circ}\text{C}
  4. 4

    To dno nazywamy zerem bezwzględnym: -273°C. Z poprzedniej lekcji znasz skalę Kelvina — zaczyna się dokładnie tam, w punkcie 0 K, i dlatego nie ma w niej temperatur ujemnych. Zimniejszego niż bezruch nic być nie może.

    0 K=−273 ∘C0\ \text{K} = -273\ ^{\circ}\text{C}
  5. 5

    Czy w zerze bezwzględnym energia wewnętrzna spadłaby do zera? Nie całkiem: ruch niemal ustaje, ale energia oddziaływań między cząsteczkami zostaje. Mówimy więc, że w 0 K energia wewnętrzna jest najmniejsza możliwa — nie zerowa.

Wszystkie kroki za Tobą!

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

Twoja kolej

Upalny dzień nad morzem. Piasek parzy w stopy — ma 45°C. Woda w morzu ma ledwie 18°C. Co ma większą energię wewnętrzną: garść gorącego piasku z twojej dłoni czy całe morze?

Ściąga do zapamiętania

Czym jest energia wewnętrzna i czym różni się od temperatury?

ENERGIA WEWNĘTRZNA ciała (EwE_w) to suma energii ruchu i energii oddziaływań WSZYSTKICH jego cząsteczek. Jednostka: dżul (J). Ma ją każde ciało, także zimne — cząsteczki nigdy nie stoją, więc zimna woda też ma energię wewnętrzną: mniejszą niż gorąca, ale ogromną, bo cząsteczek są tryliony. TEMPERATURA to miara średniej energii ruchu cząsteczek — mówi, jak szybko porusza się przeciętna cząsteczka, i nie zależy od ilości substancji. Energia wewnętrzna zależy od temperatury I od masy. Sedno: herbata 80°C ma wyższą temperaturę niż jezioro 15°C, ale to jezioro ma nieporównanie większą energię wewnętrzną, bo ma miliardy razy więcej cząsteczek. Ta sama zasada: iskra o temperaturze ponad 1000°C ledwie szczypie, a wrzątek 100°C groźnie parzy — o skutkach decyduje suma przekazanej energii, nie sama temperatura. Kres schładzania: zero bezwzględne, czyli -273°C = 0 K — cząsteczki nie mogą poruszać się wolniej, więc nic zimniejszego nie istnieje, a energia wewnętrzna jest tam najmniejsza możliwa (ale nie zerowa — zostaje energia oddziaływań).

Sprawdź się!

Odpowiedziano na 0 z 5 pytań

Skróty klawiszowe quizu: klawisze od 1 do 4 wybierają odpowiedź, Enter sprawdza, a po sprawdzeniu przechodzi do następnego pytania. Każdy przycisk możesz też wybrać Tabem i Spacją.

1

Co to jest energia wewnętrzna ciała?

2

Czy woda wyjęta z lodówki, o temperaturze 5°C, ma energię wewnętrzną?

3

Kubek herbaty ma 80°C, a jezioro 15°C. Które zdanie jest prawdziwe?

°C010203040506070809010080 °C — kubek herbaty15 °C — woda w jeziorze
Herbata i jezioro na jednej skali
4

Iskra ze sztucznych ogni ma temperaturę ponad 1000°C, a spadając na dłoń, ledwie szczypie. Wrzątek o temperaturze 100°C parzy groźnie. Dlaczego?

5

Dlaczego nie istnieje temperatura niższa niż zero bezwzględne, czyli -273°C (0 K)?

Następny temat
Zmiana energii wewnętrznej przez pracę