Formy energii i ich przemiany
Z pojęciem energii spotykamy się na co dzień. Mówimy często, że brak nam energii. Uprawiamy sport, żeby dodać sobie energii. Czasami przesyłamy sobie dobrą energię. Każdego dnia podczas posiłków dostarczamy jej, aby móc wykonywać codzienne czynności. A jak tę wielkość opisuje fizyka? Jeśli spojrzymy na definicję, okaże się, że intuicyjnie wiemy, czym jest. Jeśli ciało posiada energię, jest zdolne do wykonania pracy. Jeśli wykonujemy pracę, to zawsze kosztem wcześniej zgromadzonej energii. A więc pojęcie to nie jest nam obce. Energia jest taką wielkością, która nieustannie się zmienia. Grecki filozof Heraklit z Efezu pisał: „panta rhei”, w dosłownym tłumaczeniu: „wszystko płynie”. Tak właśnie dzieje się z energią. Nieustanie przybiera inną formę. Można ją przekazywać na wiele sposobów tak, aby wszystko co nas otacza funkcjonowało zgodnie z prawem natury. Sprawdzimy dzisiaj jak możemy to zaobserwować.
określisz, jaki wpływ na energię wewnętrzną układu ma wykonanie nad nim pracy;
wskażesz, jaki wpływ na energię wewnętrzną układu ma dostarczenie do niego ciepła.
Energia wewnętrzna
Wszystkie ciała zbudowane są z atomów i cząsteczek.
Każda z tych drobin posiada swoją energię kinetyczną, wynikającą z jej ruchu, a także energię potencjalną, wynikającą chociażby z oddziaływania między nią a innymi drobinami. Jeśli dodamy do siebie energię kinetyczną i potencjalną wszystkich cząsteczek i atomów budujących dane ciało, mówimy wówczas o energii wewnętrznejenergii wewnętrznej tego ciała:
Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, jeśli chcemy zmienić energię wewnętrzną układu, musi zostać wykonana praca lub nastąpić wymiana ciepła. Wyrażamy to wzorem:
gdzie:
– zmiana energii wewnętrznej,
– wykonana praca,
– ciepło.
Zmianę energii wewnętrznej ciała możemy zaobserwować poprzez zmianę jego temperatury. Im wyższa temperatura, tym większa energia wewnętrzna.
Ciało o większej energii wewnętrznej może oddać ją ciału o niższej energii. Wynika z tego, że to ciepły sok (większa energia wewnętrzna) ogrzewa kostkę lodu (mniejsza energia wewnętrzna), a nie odwrotnie.
Praca
W dawnych czasach, aby rozpalić ognisko, trzeba było wykonać pracę poprzez pocieranie chociażby kawałków drewna. Wówczas energia wewnętrzna tych ciał rosła i dochodziło do zapalenia się materiału.
W maszynach, w wyniku tarcia, dochodzi do zwiększenia temperatury (czyli wzrostu energii wewnętrznej) w wyniku tarcia pomiędzy jej elementami. Aby uniknąć przegrzania maszyny, stosuje się np. różnego rodzaju smary.
W wyniku wykonywanej pracy, temperatura wiertła zwiększa się, a więc zwiększa się jego energia wewnętrzna.
Transport ciepła
Ciepło możemy przekazać na trzy sposoby, poprzez:
przewodnictwo;
konwekcję;
promieniowanie.
Jak to zapamiętać?
Przewodnictwo
Czy wiesz, dlaczego rączka garnka nagrzewa się, mimo tego, że palnik znajduje się przy jego dnie? To właśnie dzięki przewodnictwu. Sąsiadujące cząsteczki, wpływają na siebie, przekazując m.in. swoją energię kolejnym drobinom. Te przekazują ją następnym. Może to powodować chociażby, zmianę temperatury całego ciała. Oczywiście najpierw nagrzeją się te części, które bezpośrednio stykają się ze źródłem ciepła. Dopiero później ciepło dociera do kolejnych jego partii.
Jednymi z najlepszych przewodników ciepła są metale. Ale czy wszystkie przewodzą tak samo szybko? Zapraszam Cię do naszego wirtualnego laboratorium, gdzie będziesz mógł to sprawdzić.
Przyjrzyj się kilku przykładom zmiany energii wewnętrznej poprzez przewodnictwo.
Obserwując wszystko dookoła, zauważyłeś na pewno, że nie wszystkie ciała przekazują ciepło tak samo szybko. Jest wiele przyczyn tego zjawiska . Dotyczy to m.in. ich budowy wewnętrznej i gęstości. Niektóre tak wolno przewodzą ciepło, że nazywamy je izolatorami. One również znalazły swoje zastosowania w życiu codziennym.
Konwekcja
W gazach i cieczach ciepło przekazywane jest przez konwekcję. Na lekcjach geografii również opisywać będziesz to zjawisko. Ciepłe powietrze lub ciecz, unoszą się do góry. Gdy ulegną ochłodzeniu opadają w dół. Jest to związane ze zmianą ich gęstości. W wyższej temperaturze gęstość maleje i płyn unosi się do góry. W niższej zaś gęstość rośnie, powodując opadanie w dół.
Dlaczego w czajnikach elektrycznych grzałka zawsze umieszczona jest przy dnie? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Dwupiętrowy dom ogrzewany jest za pomocą ogrzewania podłogowego na parterze. Oceń, gdzie będzie znajdować się powietrze o najwyższej temperaturze? Dlaczego? Notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Promieniowanie
Koty potrafią godzinami wylegiwać się na słońcu. Nie oznacza to jednak, że aby się ogrzać, muszą polecieć bezpośrednio na Słońce. Gwiazda ta wypromieniowuje w naszym kierunku światło, które niesie ze sobą mnóstwo energii. Światło to zwiększa energię wewnętrzną ciał, powodując wzrost ich temperatury. Przekonać się o tym możesz w słoneczny, letni dzień, leżąc na plaży.
Promieniowanie jest trzecim sposobem przekazywania ciepła. Zachodzi ono na odległość. Wszystkie ciała o temperaturze powyżej zera bezwzględnego wypromieniowują energię w postaci ciepła. Można to zaobserwować przez kamerę termowizyjną.
Z dostarczeniem ciepła przy pomocy promieniowania mamy do czynienia podczas ogrzewania się przy ognisku lub kaloryferze. Nie musimy bezpośrednio dotykać tych źródeł. Już z pewnej odległości czujemy przyjemne ciepło.
Formy energii i ich przemiany
Przeprowadź doświadczenie w laboratorium fizycznym. Sprawdź, jak można zmienić energię wewnątrz ciał.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/b/PzPlXpDUU
Zmiana energii w wyniku wykonanej pracy
Bez młota to nie robota. Tak mawiali nasi dziadkowie. Dlatego dzisiaj użyjemy tego prostego urządzenia, które powstało podobno około cztery tysiące lat przed naszą erą. Czy wiesz co się stanie z temperaturą metalowej nakrętki, gdy uderzymy ją młotkiem? Wykonaj doświadczenie, i sprawdź czy słuszna jest hipoteza.
młotek,
metalowa nakrętka,
termometr podłączony przewodem do nakrętki.
Podłączamy termometr do nakrętki.
Sprawdzamy temperaturę nakrętki.
Uderzamy młotkiem w nakrętkę.
Sprawdzamy temperaturę nakrętki bezpośrednio po uderzeniu młotkiem.
Możemy podnieść młotek wyżej i jeszcze raz uderzyć.
Zapisujemy swoje spostrzeżenia.
Termometr wskazuje wyższą temperaturę. Im wyżej będzie młotek, tym wyższa temperatura zostanie osiągnięta.
Przekazywanie ciepła przez przewodnictwo
Czy wiesz, jak zaobserwować przewodnictwo cieplne? Co stanie się z korkiem przyczepionym do pręta? Przeprowadź eksperyment w pracowni fizycznej i sprawdź, czy Twoja hipoteza się potwierdzi. Zanotuj swoje obserwacje.
statyw z prętem,
palnik,
wosk ze świeczki,
korek.
Do pręta, przy pomocy wosku z zapalonej świeczki, przyczepiamy kilka korków w równych odległościach.
Palnik ustawiamy na końcu pręta.
Włączamy palnik.
Po pewnym czasie zauważamy, że wosk się roztapia i kawałki korka po kolei odpadają. W wyniku podgrzewania pręta, wszystkie korki kolejno odpadły, zaczynając od tego, który znajdował się najbliżej palnika.
Przekazywanie ciepła przez przewodnictwo
Czy wszystkie ciała ogrzewają się tak samo szybko? Czy najszybciej odpadnie zapałka przyczepiona do pręta stalowego, miedzianego, czy wykonanego z aluminium? Masz już swoją hipotezę? Zaplanuj doświadczenie i sprawdź, czy jest słuszna. Zanotuj swoje obserwacje.
statyw z przyczepionymi prętami (miedzianym, stalowym, ze stopu aluminium),
palnik,
wosk,
zapałki.
Do przyczepionych na statywie prętów, za pomocą wosku, przyczepiamy zapałki.
Palnik ustawiamy na środku, aby ciepło rozchodziło się równomiernie we wszystkich kierunkach.
Włączamy palnik.
Obserwujemy, która zapałka odpadnie najszybciej.
Po włączeniu palnika pręty ogrzewają się, po pewnym czasie zapałki zaczynają odpadać. Nie wszystkie zapałki odpadają w tym samym momencie – najszybciej odpada zapałka przyczepiona do pręta wykonanego z miedzi, później ze stopu aluminium, a na końcu ze stali.
W jaki sposób energia wewnętrzna jest przekazywana w cieczach i gazach?
Zastanów się nad tym problemem badawczym, postaw hipotezę i sprawdź, czy jest słuszna. Swoje obserwacje i spostrzeżenia zanotuj.
naczynie z wodą,
palnik,
barwnik,
pipeta.
Nad palnikiem umieszczamy naczynie z wodą.
Włączamy palnik i podgrzewamy wodę.
W trakcie podgrzewania dodajemy do wody (przy pomocy pipety) kilka kropel barwnika.
Obserwujemy ruch barwnika w ogrzewanej wodzie.
Barwnik po wlaniu do wody opada na dno naczynia, po czym krąży w górę i w dół – docierając do górnych warstw, zaczyna opadać. Proces powtarza się, aż do wymieszania barwnika z wodą.
Czy istnieje sposób przekazywania ciepła na odległość?
Sprawdźmy to i tym razem. Zanotuj swoje spostrzeżenia.
termometr na podczerwień,
lampa ze starą żarówką (żarnikową),
czarna płytka.
Czarną płytkę podłączamy do termometru.
Włączamy żarówkę, oświetlając nią płytkę.
Obserwujemy temperaturę płytki przy pomocy termometru na nią nakierowanego.
Po włączeniu lampy temperatura płytki się podnosi. Im dłużej oświetlamy, tym wyższa jest temperatura.
Sprawdź się
Podaj przykłady przekazywania ciepła poprzez wykonanie pracy, przewodnictwo i promieniowanie. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Podczas wieszania firan w ciepły, letni dzień, przy suficie Możliwe odpowiedzi: 1. czujemy, że jest cieplej niż przy podłodze. Wynika to ze zjawiska konwekcji., 2. czujemy, że jest chłodniej niż przy podłodze. Wynika to ze zjawiska konwekcji., 3. czujemy, że jest chłodniej niż przy podłodze. Wynika to ze zjawiska przewodnictwa., 4. czujemy, że jest cieplej niż przy podłodze. Wynika to ze zjawiska przewodnictwa.
Podczas kruszenia lodu blenderem Możliwe odpowiedzi: 1. wzrośnie energia wewnętrzna lodu w wyniku wykonanej pracy., 2. wzrośnie energia wewnętrzna lodu w wyniku konwekcji., 3. energia wewnętrzna lodu nie zmieni się, gdyż to blender wykonał pracę i tylko on zwiększy swoją energię wewnętrzną.
Co sprawia, że herbata w termosie wolniej stygnie? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Zmiana energii 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy następuje w wyniku 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy.
- 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy można przekazać poprzez 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy.
1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy zachodzi w gazach i 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy.
Promieniowanie jest to 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy dostarczania 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy na 1. Konwekcja, 2. cieczach, 3. promieniowanie, 4. wewnętrznej, 5. odległość, 6. ciepło, 7. ciepła, 8. sposób, 9. wykonania pracy.
Słownik
suma energii kinetycznej i potencjalnej wszystkich cząsteczek i atomów budujących dane ciało.
Bibliografia
Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP