Fizika 7 - 6.1 Unutarnja energija, toplina i temperatura

Na početku...

Što se događa kad zagrijavamo led?

Mijenja li se ledu zagrijavanjem agregacijsko stanje?

Led se nalazi u čvrstom stanju. Zagrijavanjem led se topi i mijenja agregacijsko stanje u tekuće.

Daljnjim zagrijavanjem tekućina prelazi u plinovito stanje.

Agregacijska stanja su stanja u kojima tvari nalazimo u prirodi. Najčešće ih nalazimo u jednom od triju stanja: čvrstom, tekućem ili plinovitom.

Tijela mogu prelaziti iz jednoga agregacijskog stanja u drugo. Većina tvari iz čvrstog stanja zagrijavanjem prelazi u tekuće stanje, a daljnjim zagrijavanjem iz tekućeg stanja prelazi u plinovito. No postoje i tvari koje iz čvrstog stanja izravno prelaze u plinovito.

Od čega su tvari građene?

Sve tvari građene su od vrlo sitnih čestica koje su ljudskom oku nevidljive i između kojih se nalazi prazan prostor koji nazivamo međuprostor ili vakuum. U čvrstim tijelima kemijske veze među česticama tvari jake su i teško se raskidaju. U tekućinama su te veze slabije nego u čvrstim tvarima, a u plinovima su čestice povezane veoma slabim vezama pa se zato one raspršuju po prostoru. Čestice tvari u neprestanom su gibanju.

Utječe li zagrijavanje tijela na gibanje čestica unutar tijela?

Što uočavamo? Razmislite zbog čega nam za čaj treba topla voda. Što se dogodilo?

U vrućoj vodi čestice se gibaju brže nego u hladnoj vodi. Zbog bržega gibanja čestica u vrućoj vodi one imaju i veću kinetičku energiju od čestica u hladnoj vodi. Čestice vode prilikom gibanja predaju dio svoje kinetičke energije česticama čaja, pa se čestice čaja u vrućoj vodi brže prošire nego u hladnoj. Čestice vode unutar šalice nalaze se na različitim udaljenostima jedne od drugih te zbog međusobnog položaja imaju potencijalnu energiju.

Čestice imaju kinetičku i potencijalnu energiju i to je energija čestica unutar tvari koju nazivamo unutarnja energija tijela.

Unutarnja energija tijela zbroj je kinetičkih i potencijalnih energija svih čestica tijela.

Pokus

Balon na boci koja se nalazi u hladnoj vodi je ispuhan, dok se u toploj vodi napuše.

Topli hladni balon

Potrebno:

dvije posude s toplom i hladnom vodom
plastična boca
balon.

Postupak:

Napunite jednu posudu toplom, a drugu hladnom vodom. Balon navucite na grlo boce. Uronite vodu s balonom u posudu s hladnom vodom.

Što uočavate? Premjestite bocu s balonom u posudu s vrućom vodom. Hoće li se išta dogoditi? Zašto se balon napuhao? Što će se dogoditi ako balon vratite u hladnu vodu?

Topla voda zagrije zrak u balonu pa se čestice zraka počnu brže gibati i udaljavati jedna od druge. Unutarnja energija zraka unutar balona je veća. Na taj način povećava se volumen zraka u balonu i balon se napuše. Ako ponovno vratimo bocu u posudu s hladnom vodom, unutarnja energija zraka će se smanjiti, čestice će se približiti jedna drugoj, sporije će se gibati i volumen će se smanjiti. Balon će se ispuhati.

Kako povećati unutarnju energiju hladne vode?

Primjer 1.

Što će se dogoditi kad lončić s hladnom vodom stavimo na uključeni električni štednjak?

Električna energija pretvara se u unutarnju energiju vode i voda se zagrijava.

Primjer 2.

Što će se dogoditi kad u šalicu vrućeg čaja stavimo metalnu žličicu kako bismo promiješali čaj?

Žličica će se zagrijati i unutarnja energija će joj se povećati, a čaj će se ohladiti i unutarnja energija će mu se smanjiti. Čaj je predao dio svoje unutarnje energije žličici te joj se unutarnja energija povećala.

Dio unutarnje energije tijela koji prelazi s toplijeg tijela na hladnije tijelo naziva se toplina.

Toplina prelazi s toplijeg čaja na hladniju žličicu

Toplinu označavamo oznakom $Q$ . Toplina je energija pa je iskazujemo mjernom jedinicom $J$ (džul).

Zanimljivost

Mjerna jedinica topline je džul ( $J$ ), međutim stara mjerna jedinica bila je kalorija.

$1 cal= 4,186 J$

Kalorija je mjerna jedinica koja se u prehrani rabi kao mjera energetskog sastava hrane.

Energija koju dobivamo iz raznih namirnica izražava se uglavnom u kilokalorijama ( $kcal$ ). Tablice s energetskim sastavom hrane najčešće se rabe u planiranju zdrave prehrane ili prehrane sportaša.

Energija sama od sebe prelazi s toplijeg tijela na hladnije tijelo kad su ona u dodiru. Sve dok postoji razlika u unutarnjim energijama, energija prelazi s toplijeg tijela na hladnije tijelo. Nakon nekog vremena tijela će biti u toplinskoj ravnoteži i imat će jednake temperature.

Zagrijanost tijela

Temperatura je mjera zagrijanosti tijela.

Temperaturu označavamo oznakom $T$ i iskazujemo mjernom jedinicom kelvin $(K),$ ali i oznakom $t$ kad je iskazana mjernom jedinicom Celzijev stupanj $(° C) .$

Što tijelo ima veću unutarnju energiju, veća mu je temperatura.

Meteorološka postaja na Zrinjevcu — „Meteorološki stup, Zrinjevac“, autor fotografije Suradnik13, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Meteoroloski_stup,_Zrinjevac.jpg, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic. Fotografija je umanjena (Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic).

Kako znamo da je tijelo toplije ili hladnije?

Kutak za znatiželjne

Potrebno:

$3$ čaše
topla, hladna i mlaka voda.

Postupak:

Napunite čaše redom toplom, hladnom i mlakom vodom. Uronite jednu ruku u toplu vodu, a drugu u hladnu vodu. Nakon nekog vremena uronite obje ruke u mlaku vodu.

Što osjećate? Kakva je voda, topla ili hladna? Što zamjećujete? Jesu li naša osjetila dovoljno dobar pokazatelj zagrijanosti tijela?

Naš osjet nije pouzdano mjerilo i često nas vara. Da bismo točnije odredili koliko su tijela zagrijana, koristimo se fizičkom veličinom temperaturom.

6.1 Unutarnja energija, toplina i temperatura