3. What kind of energy do the particles have? Can you change it? How?
4. How could we change the temperature of, for example, the aluminum rod?
5. Is there any relationship between the bar's temperature and the energy of molecules?
Conclusion:
Temperature is the size determining the state of the body due to the kinetic energy of the moving particles of the body. The greater the kinetic energy of moving body molecules, the higher the body temperature.
Definition of internal energyinternal energyinternal energy.
Internal energyinternal energyInternal energy is the sum of kinetic and potential energies of all particles (atoms or molecules) of the substance.
The concept of internal energy is closely related to the potential and kinetic energy of all body molecules.
The kinetic energy of molecules is related to the speed of molecules and the potential energy with interaction between them.
The kinetic energy of molecules changes, for example, when the body temperature changes, and the potential energy of molecules changes when the state of body changes.
The unit of internal energy is joule [J].
It follows that the value of internal energyinternal energyinternal energy depends on three factors:
- the number of atoms and molecules which are part of this body – the more molecules, the greater the number of components of the sum,
- body temperature - higher temperature means a higher value of the average kinetic energy of the particles, so the total energy of the system is greater,
- the type of substance and its state of matterstate of matterstate of matter - the amount of potential energy which comes from intermolecular interactions changes with the state of matterstate of matterstate of matter of the substance and is different for different substances. This will be explained comprehensively in the subsection devoted to the processes of changing the states of matter.
The following examples explain the above statements:
- At the same constant temperature, a bucket of water has more internal energyinternal energyinternal energy than a glass of water, because in the bucket there are many more particles.
- A glass of hot tea has more internal energyinternal energyinternal energy than the same amount of cold tea, because the particles of hot liquid have higher average kinetic energy. In both glasses there is the same number of particles.
- A glass of water at 0°C has more internal energyinternal energyinternal energy than the ice which was formed of the water at the same temperature.
The internal energyinternal energyinternal energy of the body can be changed in two ways.
Examples of increasing the internal energyinternal energyinternal energy by doing workdoing workdoing work:
- putting your hands on you (internal energy grows), - pump the bicycle wheel using a pump (internal energy increases, the pump feels hot), - hammering a metal sheet with a hammer (internal energy is growing, the metal sheet is hot), - sprays aerosol (internal energy decreases, the container feels cold).
Examples of changes in internal energy through heat exchange:
- cooling of dishes in the refrigerator (internal energy of the food decreases), - water heating in the kettle (internal energy of water increases), - freezing of water on the lake (internal energy of the water decreases and the surrounding area grows), - water evaporation from the human skin after leaving the bath - we feel the coolness (the internal energy of the water decreases and the surroundings grow).
HeatheatHeat is the part of the internal energyinternal energyinternal energy which the body with a higher temperature transmits to the body with a lower temperature.
The mechanism of internal energy transfer due to the temperature difference is the thermal flow of energy. Joule is a unit of heatheatheat and is used for all other kinds of energy.
Thermal flow of energy is possible only between bodies of different temperatures. It always takes place from the body with a higher temperature to the body with the lower temperature and stops after the temperatures have equalised.
The first law of thermodynamicsthermodynamicsthermodynamics.
The change in the internal energyinternal energyinternal energy of the body/body system (the body system can be e.g. water in a glass, or water in a bucket, etc.) is always equal to the sum of work done on the body (or by the body) and the heatheatheat supplied to the body (given out by the body):
where: ∆U - the change of the internal energyinternal energyinternal energy of the body, W – the work done on the system (by system), Q – the heatheatheat supplied to the system (rendered by the system).
In order to avoid misunderstandings, the following agreement was introduced to differentiate the work done on the body from the work done by the system.
W – the work done on the system is always positive (W > 0).
W – the work done by the system is always negative (W < 0).
There is also a similar agreement which is related to heat exchangeheat exchangeheat exchange with the environment.
Q – the heatheatheat supplied to the system is always positive (Q > 0).
Q – the heatheatheat emited by the system is always negative (Q < 0).
If we apply the above findings, then ΔU <0 means the decrease of the internal energy of the body, and thus the decrease of its temperature. By contrast, ΔU> 0 means an increase in the internal energy of the body, and thus an increase in body temperature.
If we skillfully use certain processes, we can build a thermal engine, which converts part of the heatheatheat taken from a heater warmed to high temperature into usable work.
[Slideshow]
Task 1
A glass and a liter pot were filled to the full with water at the same temperature. Is the internal energy of water in these vessels the same? Justify the answer.
Task 2
Two identical glasses contain water at different temperatures: 20°C and 40°C. Is the internal energy of water in each glass the same? Justify the answer.
1. The internal energyinternal energyinternal energy of the body is the sum of the kinetic and potential energies of all atoms or molecules that this body consists of.
2. The value of internal energyinternal energyinternal energy depends on:
- the number of atoms and molecules which are part of this body – the more molecules, the greater the number of components of the sum, - body temperature - higher temperature means a higher value of the average kinetic energy of the particles, - the type of substance and its state of matterstate of matterstate of matter - the amount of potential energy which comes from intermolecular interactions changes with the state of matterstate of matterstate of matter of the substance and is different for different substances.
3. The first law of thermodynamics determines the relationship between the change of the internal energy of the body and the work done by the body (or over the body) and heat (delivered or given away by the body).
The first law of thermodynamics states that the change in the internal energy of the system ΔU is equal to the sum of the heat supplied Q and the work done on the system W.
4. The work done by the body against the force of friction can increase its internal energyinternal energyinternal energy. Rubbing hands or starting fire by rubbing two properly prepared dry woods are the examples of such situation.
Selected words and expressions used in the lesson plan
3) wskazuje, że nie następuje przekazywanie energii w postaci ciepła (wymiana ciepła) między ciałami o tej samej temperaturze;
4) wskazuje, że energię układu (energię wewnętrzną) można zmienić, wykonując nad nim pracę lub przekazując energię w postaci ciepła.
m6dcb4b2906f70ff3_1528449068082_0
45 minut
m6dcb4b2906f70ff3_1528449523725_0
Sformułowanie I zasady termodynamiki.
m6dcb4b2906f70ff3_1528449552113_0
1. Definiuje energię wewnętrzną ciała.
2. Wymienia i wyjaśnia sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała.
3. Formułuje I zasadę termodynamiki.
4. Stosuje I zasadę termodynamiki do rozwiazywania zadań.
m6dcb4b2906f70ff3_1528450430307_0
Uczeń:
- wskazuje, że energię układu (energię wewnętrzną) można zmienić wykonując nad nim pracę lub przekazując energię w postaci ciepła,
- analizuje jakościowo związek między temperaturą a średnią energią kinetyczną (ruchu chaotycznego) cząsteczek.
m6dcb4b2906f70ff3_1528449534267_0
1. Pogadanka, „burza mózgów”.
2. Uczenie się przez stosowanie poznanych reguł i rozwiązywanie zadań problemowych.
m6dcb4b2906f70ff3_1528449514617_0
1. Współpraca ucznia z nauczycielem przy rozwiązywaniu powstałych problemów.
2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.
m6dcb4b2906f70ff3_1528450127855_0
Pytania wprowadzające:
1. Z czego zbudowana jest materia?
2. Jakie znasz rodzaje energii?
3. Jaki rodzaj energii posiadają cząsteczki? Czy można ją zmienić? W jaki sposób?
4. W jaki sposób moglibyśmy zmienić temperaturę np. pręta aluminiowego?
5. Czy istnieje jakiś związek między temperaturą pręta a energią cząsteczek?
Wniosek:
Temperatura jest wielkością określającą stan ciała ze względu na energię kinetyczną poruszających się cząsteczek ciała. Im większa energia kinetyczna poruszających się cząsteczek ciała, tym większa temperatura ciała.
m6dcb4b2906f70ff3_1528446435040_0
Definicja energii wewnętrznej.
Energia wewnętrzna to suma energii kinetycznych i energii wiązań międzycząsteczkowych wszystkich drobin (atomów lub cząsteczek) danej substancji.
Pojęcie energii wewnętrznej jest ściśle związane z energią potencjalną i kinetyczną wszystkich cząsteczek ciała.
Energia kinetyczna cząsteczek związana jest z prędkością cząsteczek, a energia potencjalna z wzajemnym oddziaływaniem między nimi.
Energia kinetyczna cząsteczek zmienia się np. podczas zmiany temperatury ciała, a energia potencjalna cząsteczek zmienia się podczas zmiany stanu skupienia ciała. Jednostką energii wewnętrznej jest dżul [J].
Wynika z tego, że wartość energii wewnętrznej zależy od trzech czynników:
- liczby atomów i cząsteczek tworzących to ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy,
- temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek, zatem całkowita energia układu będzie większa,
- rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna w przypadku różnych substancji. Wyjaśnimy to dokładniej w podrozdziale poświęconym procesom zmiany stanów skupienia ciał.
Przykłady wyjaśniające powyższe sformułowania:
1. W takiej samej ustalonej temperaturze wiadro wody ma większą energię wewnętrzną niż szklanka wody, gdyż w wiadrze wody jest znacznie więcej cząsteczek niż w szklance wody.
2. Szklanka gorącej herbaty ma większą energię wewnętrzną niż ta sama ilość zimnej herbaty, ponieważ cząsteczki gorącego płynu mają większą średnią energię kinetyczną, a w obu szklankach jest ich tyle samo.
3. Szklanka wody o temperaturze 0°C ma większą energię wewnętrzną niż powstała z niej bryła lodu o tej samej temperaturze.
Zmienić energie wewnętrzną ciała można na dwa sposoby.
Przykłady zmiany energii wewnętrznej poprzez wykonanie pracy:
- pocieranie rąk o siebie (energia wewnętrzna rośnie), - pompowanie koła rowerowego za pomocą pompki (energia wewnętrzna rośnie, pompka w dotyku jest gorąca), - uderzanie młotkiem w blachę (energia wewnętrzna rośnie, blacha w dotyku jest gorąca), - rozpylanie areozolu (energia wewnętrzna maleje, pojemnik w dotyku jest zimny).
Przykłady zmiany energii wewnętrznej poprzez wymianę ciepła:
- chłodzenie potraw w lodówce (energia wewnętrzna potrawy maleje), - ogrzewanie wody w czajniku (energia wewnętrzna wody rośnie), - zamarzanie wody na jeziorze (energia wewnętrzna wody maleje, a otoczenia rośnie), - parowanie wody ze skóry człowieka po wyjściu z kąpieli‑odczuwamy chłód (energia wewnętrzna wody maleje, a otoczenia rośnie).
Definicja ciepła.
Ciepło to ta część energii wewnętrznej, którą przekazuje ciało o wyższej temperaturze ciału niższej temperaturze. Mechanizm przekazywania energii wewnętrznej na skutek różnicy temperatur to cieplny przepływ energii. Jednostką ciepła, tak jak każdego rodzaju energii, jest dżul [J].
Cieplny przepływ energii jest możliwy tylko pomiędzy ciałami o różnej temperaturze, odbywa się zawsze od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej i ustaje po wyrównaniu się temperatur.
I zasada termodynamiki.
Zmiana energii wewnętrznej ciała/układu ciał (układem ciał może być np. woda w szklance, bądź woda we wiadrze itp.) jest zawsze równa sumie pracy wykonanej nad ciałem (przez ciało) oraz ciepła dostarczonego do ciała (oddanego przez ciało):
gdzie: ∆U - zmiana energii wewnętrznej ciała, W – praca wykonana nad układem (przez układ), Q – ciepło dostarczone do układu (oddane przez układ).
W celu uniknięcia nieporozumień wprowadzono następującą umowę dotyczącą odróżnienia pracy wykonanej nad ciałem lub przez układ.
W – praca wykonana nad układem jest zawsze dodatnia (W > 0).
W – praca wykonana przez układ jest zawsze ujemna (W < 0).
Podobna umowa dotyczy wymiany ciepła z otoczeniem.
Q – ciepło dostarczone do układu jest zawsze dodatnie (Q > 0).
Q – ciepło oddane przez układ jest zawsze ujemne (Q < 0).
Jeżeli stosujemy powyższe ustalenia, to ∆U < 0 oznacza zmniejszenie się energii wewnętrznej ciała, a tym samym zmniejszenie się jego temperatury. Natomiast ∆U > 0 oznacza wzrost energii wewnętrznej ciała, a tym samym wzrost temperatury ciała.
Jeżeli umiejętnie wykorzystamy pewne procesy to możemy zbudować silnik cieplny, który część ciepła pobranego z grzejnicy o wysokiej temperaturze zamienia w pracę użyteczną.
[Slideshow]
Polecenie 1
Szklankę i litrowy garnek napełniono do pełna wodą o tej samej temperaturze. Czy energia wewnętrzna wody w tych naczyniach jest taka sama? Uzasadnij odpowiedź.
Polecenie 2
W dwóch jednakowych szklankach znajduje się woda o różnej temperaturze: 20°C i 40°C. Czy energia wewnętrzna wody w każdej ze szklanek jest taka sama? Uzasadnij odpowiedź.
m6dcb4b2906f70ff3_1528450119332_0
Podsumowanie:
1. Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich atomów lub cząsteczek tworzących to ciało.
2. Wartość energii wewnętrznej zależy od: - liczby atomów lub cząsteczek tworzących to ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy, - temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek, - rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna w przypadku różnych substancji.
3. Pierwsza zasada termodynamiki określa związek między zmianą energii wewnętrznej ciała a pracą wykonaną przez ciało (lub nad ciałem) i ciepłem (dostarczonym lub oddanym przez ciało). Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana wewnętrznej energii układu ΔU równa jest sumie ilości dostarczonego ciepła Q oraz pracy wykonanej nad układem W.
4. Praca wykonana przez ciało przeciwko sile tarcia może spowodować wzrost jego energii wewnętrznej. Przykładem takiej sytuacji może być pocieranie rąk lub rozniecanie ognia metodą pocierania o siebie dwóch odpowiednio przygotowanych suchych drewienek.