Mezi základní nejobecnější zákony fyziky už několik staletí patří
zákon zachování energie. V mechanice se nejčastěji uvádí ve tvaru:"Součet kinetické a poten
ciální energie mechanické soustavy je v každém okamžiku stejný." Takto řečený zákon platí velmi dobře v mechanice. My s ním ovšem nevystačíme. Přihlížíme totiž také k částicové struktuře látek. Do úvah musíme zahrnout další podstatnou složku celkové energie – vnitřní energii. Vnitřní energie určuje stav soustavy. Je to stavová veličina definována vztahem:U = W - Wp- Wk ,
kde W je celková energie soustavy,Wp je potenciální energie soustavy a Wk je kinetická energie soustavy.Vnitřní energie
U je tvořena například energií pohybu elektronů, vazebnou energií jader a energií chemické vazby. Vnitřní energie je dána součtem: | kinetických energií všech částic soustavy |
| potenciálních energií vzájemného působení částic této soustavy |
Celková energie termodynamické soustavy
je tvořena celkovou mechanickou energií soustavy a vnitřní energií U.Vnitřní energie soustavy se může měnit v závislosti na okolních podmínkách. Každý přírůstek a úbytek vnitřní energie můžeme zařadit do jedné z následujících tří možností:
M
írou přeměny vnitřní energie při sdílení tepla je teplo Q. Jednotkou tepla je joule, značka J.
Přenos vnitřní energie
Z místa o vyšší teplotě může vnitří energie přecházet do míst s nižší teplotou. Přenos se uskutečňuje vedením, sdílením tepla, prouděním a zářením. V praxi se jednotlivé projevy navzájem doprovázejí a doplňují.
1. Sdílení tepla vedením je vysvětlováno předáváním energie mezi částicemi. Protože teplejší částice kmitají rychleji, část energie od nich získávají okolní částice. V kovech předpokládáme, že vedení tepla zprostředkovávají hlavně elektrony. Různé látky mají různou tepelnou vodivost, která je závislá na jejich vnitřní struktuře.
Vždy záleží na látce, ve které vedení tepla popisujeme. V kovech je vedení uskutečňováno převážně volnými elektrony. V izolantech se zase rozkmitají atomy. Svou energii předají sousedním atomům v chladnější části tělesa. Rychlost předávání tepla je různá. Závisí na složení tělesa. Kovy jsou obecně velmi dobrými vodiči tepla.
Využíváme toho u kovových vařičů, parních kotlů, radiátorů a ledniček. Látky se špatnou tepelnou vodivostí, například polystyren, skelnou vatu, cihly a textil, používáme jako tepelné izolanty.
2. Sdílení tepla prouděním. Při zahříváni kapaliny nebo plynu se teplejší části látky postupně přemísťují do horních částí nádoby či místnosti. Tento jev nazýváme proudění. U pevných látek proudění není možné. Částice se nemohou volně pohybovat, protože jsou pevně vázány.
Proudění pozorujeme u kapalin a plynů pouze v tíhovém poli. Teplejší část tekutiny mají menší hustotu. Proto proudí nahoru, odkud vytlačuje chladnější tekutinu dolů. Zároveň dochází k přenosu energie. Využití v praxi: teplovzdušné balony, ústřední topení atd.
3. Sdílení tepla zářením. Mezi dvěma tělesy se rovněž může uskutečnit tepelná výměna vyzařováním a pohlcováním elektromagnetického záření. Intenzita vyzařování je závislá na tepelném pohybu částic zdroje, proto jej nazýváme tepelné záření.
Těleso část dopadajícího záření odráží, část jim prochází a zbytek pohlcuje. Pro život na zemi je nejdůležitější elektromagnetické záření Slunce.
Zvláštní případy změny vnitřní energie
| V izolované soustavě se vnitří energie U nemění, ať probíhá jakýkoliv děj. |
| Kruhový děj: Počáteční a koncový stav soustavy je shodný. Po proběhnutí kruhového děje se vnitří energie soustavy nezmění. |
| Tepelně izolovaná soustava: Soustava pracuje na úkor své vnitřní energie. Dochází k velkému poklesu vnitřní energie soustavy. |
| Soustava mechanicky izolovaná: Veškeré teplo se mění v přírůstek vnitřní energie. |
