Spis treści

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film samouczek

Sprawdź się

Dla nauczyciela

0412 Definicja energii wewnętrznej

Czy wiesz, że w otaczającym cię powietrzu kryje się ogromna energia? Przyjmijmy, że siedzisz właśnie w pokoju o powierzchni 20 mIndeks górny 22 i wysokości 2,5 m. Temperatura wynosi 27°C i panuje ciśnienie około 1000 hPa. W takich, zupełnie zwyczajnych, warunkach powietrze zawarte w twoim pokoju ma energię około 8,5 MJ (8,5 miliona J). To energia wystarczająca do podniesienia słonia o masie 5 ton na wysokość 170 m, czyli przybliżoną wysokość Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie! (Rys. a.) Tę tajemniczą energię nazywamy energią wewnętrzną. Czym jest energia wewnętrzna, dowiesz się z tego e-materiału.

Rys. a. Słoń podnoszony dźwigiem na ostatnie piętro Pałacu Kultury i Nauki

Twoje cele

- dowiesz się, jakie rodzaje energii mogą mieć cząsteczki tworzące materię,

- poznasz definicję energii wewnętrznej,

- zrozumiesz związek energii wewnętrznej z temperaturą,

- poznasz przyczyny zmiany energii wewnętrznej ciała,

- przeanalizujesz różne przypadki z życia codziennego, w których energia wewnętrzna ciała zmienia się.

Przeczytaj

Warto przeczytać

Wszystkie ciała składają się z ogromnej liczby molekuł: atomów lub cząsteczek chemicznych. Molekuły znajdują się w ciągłym ruchu. Może to być ruch postępowy, obrotowy i drgający lub wszystkie naraz. Z ruchem związana jest energia kinetyczna. Oprócz energii kinetycznej cząsteczki mają też inne rodzaje energii. Każda cząsteczka składa się z atomów, które związane są ze sobą przyciągającym oddziaływaniem elektromagnetycznym. Mówimy, że między atomami istnieje wiązanie chemiczne. Związana jest z nim energia wiązania, czyli energia potencjalna oddziaływania elektromagnetycznego. Cząsteczki ciał stałych i cieczy działają na siebie przyciągającymi siłami o krótkim zasięgu. Siły te, wiążące cząsteczki w strukturę krystaliczną lub w ciecz, mają naturę elektromagnetyczną. Z tym oddziaływaniem również jest związana energia potencjalna. Cząsteczki każdego ciała mają więc różne rodzaje energii – całkowitą energię wszystkich cząsteczek nazywamy energią wewnętrzną ciała.

Energia wewnętrzna ciała lub układu ciał to suma wszystkich rodzajów energii cząsteczek i atomów tworzących ten układ.

Zwróćmy uwagę, że do energii wewnętrznej nie wliczamy energii ciała jako całości. Tak więc kula wystrzelona z karabinu ma taką samą energię wewnętrzną, jak kula o tej samej masie i temperaturze, która jest w spoczynku. Podobnie, gdy podniesiemy ciało o masie m na wysokość h, to zwiększymy energię potencjalną tego ciała o wartość mgh, natomiast jego energia wewnętrzna nie zmieni się. A jak można zmienić energię wewnętrzną?

Może to być zmiana całkowitej energii kinetycznej cząsteczek. Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura. Zwiększanie temperatury oznacza, że cząsteczki poruszają się coraz szybciej. Zwiększa się średnia energia kinetyczna, a tym samym całkowita energia kinetyczna. Energia wewnętrzna zależna jest więc od temperatury ciała. Ponieważ energia wewnętrzna jest sumą energii wszystkich cząsteczek ciała, to oczywiście jej wartość zależy też od liczby tych cząsteczek, czyli od masy ciała. Im większa masa i im większa temperatura, tym większa energia wewnętrzna.

Energia wewnętrzna zmieni się też, gdy zmieni się energia potencjalna cząsteczek. Energia potencjalna zależy od odległości między oddziałującymi cząsteczkami – im większa odległość, tym większa energia potencjalna. Odległość może zmienić się w przemianach fazowych, na przykład podczas topnienia lodu, odległość między cząsteczkami zwiększa się na tyle, że zerwane zostają więzy między nimi i ciało stałe przemienia się w ciecz. Energia wewnętrzna wody powstałej z lodu ma większą energię wewnętrzną niż lód, chociaż temperatura lodu i wody jest taka sama – 0°C. Ogólnie można powiedzieć, że energia wewnętrzna zależna jest od stanu skupienia ciała. Zwiększenie energii wewnętrznej ciała wymaga dostarczenia mu energii, gdyż całkowita energia jest zachowana. W wymienionych przykładach, gdy chcemy zwiększyć temperaturę ciała lub stopić lód, musimy dostarczyć układowi ciepło. I na odwrót, zmniejszenie temperatury lub proces krzepnięcia wody związane są z oddaniem ciepła przez układ. Energię wewnętrzną gazu można też zwiększyć, wykonując nad gazem pracę podczas sprężania. Natomiast rozprężanie, czyli zwiększanie objętości gazu, związane jest ze zmniejszeniem energii wewnętrznej. Szczegółowo te problemy wyjaśnione są w e-materiale: „O czym mówi I zasada termodynamiki?”.

Słowniczek

Zasada zachowania energii

(ang.: law of conservation of energy) energia nie może być ani utworzona, ani nie może zniknąć, mogą jedynie zachodzić przemiany jednych form energii w inne.

Przemiana fazowa

(ang.: phase transition) przejście między fazami, czyli stanami skupienia materii.

Są to:

- topnienie i krzepnięcie, czyli przejście między stanem ciekłym i stałym;

- wrzenie i skraplanie, czyli przejście między stanem gazowym i ciekłym;

- sublimacja i resublimacja, czyli przejście między stanem gazowym i stałym.

Film samouczek

Definicja energii wewnętrznej

Obejrzyj film samouczek, aby dowiedzieć się, jaka energia kryje się w 1 mIndeks górny 3  Indeks górny koniec3 powietrza.

Wysłuchaj alternatywnej ścieżki lektorskiej samouczka i dowiedz się, jaka energia kryje się w 1 metrze sześciennym powietrza.

Polecenie 1

Oblicz, z jaką prędkością musiałby się poruszać motocykl z zawodnikiem, których łączna masa wynosi  200 kg, aby ich energia kinetyczna miała wartość równą energii wewnętrznej 1 mIndeks górny 33 azotu w warunkach normalnych.

Pokaż odpowiedź

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Które z poniższych stwierdzeń są prawdziwe?

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Energia wewnętrzna nie zależy od masy ciała.

- Energia wewnętrzna to suma energii kinetycznej i potencjalnej ciała oraz jego cząsteczek.

- Energia wewnętrzna ciała to suma wszystkich rodzajów energii cząsteczek, z których składa się to ciało.

- Energia wewnętrzna zwiększa się ze wzrostem temperatury.

Ćwiczenie 2

Chłopiec rzucił kamieniem, nadając mu energię kinetyczną równą 200 J. Jaka była zmiana energii wewnętrznej kamienia?

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Energia wewnętrzna kamienia nie zmieniła się.

- Energia wewnętrzna kamienia wzrosła.

- Energia wewnętrzna kamienia zmalała.

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 3

Kiełbasę wyjęto z lodówki i upieczono na grillu. Odpowiedz, jak zmieniła się energia wewnętrzna kiełbasy i co spowodowało tę zmianę.

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Energia wewnętrzna kiełbasy spadła.

- Energia wewnętrzna kiełbasy nie uległa zmianie.

- Energia wewnętrzna kiełbasy wzrosła.

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 4

W czajniku pozostawiono przez nieuwagę gotującą się wodę i cała woda o temperaturze 100°C zamieniła się w parę wodną o temperaturze 100°C. Wyjaśnij, jak w procesie wrzenia zmieniła się energia wewnętrzna – zwiększyła się, zmniejszyła czy pozostała stała.

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Energia wewnętrzna nie uległa zmianie.

- Energia wewnętrzna zwiększyła się.

- Energia wewnętrzna zmniejszyła się.

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 5

Klocek pchnięty po podłodze rozpoczął swój ruch z prędkością 2 m/s i wkrótce, na skutek tarcia, zatrzymał się. Jego energia kinetyczna zmniejszyła się do zera. Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia nie może zniknąć, tylko zmienia swoją formę. Odpowiedz, w jaką energię zamieniła się energia kinetyczna klocka.

Energia      klocka zamieniła się w energię      klocka i podłogi, których temperatura      na skutek tarcia.

potencjalna        zmniejszyła się        wewnętrzna        kinetyczną        zwiększyła się        kinetyczna        wewnętrzną        potencjalną

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 6

Rowerzysta pompując energicznie koła swojego roweru, zauważył, że pompka nagrzała się. Wyjaśnij, jak zmieniła się energia wewnętrzna powietrza w pompce oraz przyczynę tej zmiany.

Energia wewnętrzna powietrza w pompce     , ponieważ      temperatura.      energii wewnętrznej spowodowany był wykonaniem pracy nad układem podczas sprężania powietrza przy pompowaniu.

Spadek        Wzrost        spadła        wzrosła        spadła        wzrosła

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 7

Na deser podano ciepłą szarlotkę o temperaturze 50°C z lodami o temperaturze 0°C. Część lodów stopiła się. Przeanalizuj zmiany energii wewnętrznej lodów i szarlotki. Czy energia wewnętrzna lodów, szarlotki, a także układu złożonego z szarlotki i lodów zwiększyła się, zmniejszyła czy pozostała stała? Zakładamy, że deser nie wymienia ciepła z otoczeniem.

Lody podczas procesu topnienia pobrały ciepło od szarlotki, której temperatura obniżyła się. Energia potencjalna cząsteczek lodów      podczas topnienia, więc energia      lodów również     . Energia wewnętrzna szarlotki      na skutek obniżenia temperatury, a więc zmniejszenia energii      cząsteczek. Natomiast energia      układu złożonego z lodów i szarlotki nie uległa zmianie, ponieważ, zgodnie z zasadą zachowania energii, energia oddana przez szarlotkę      energii pobranej przez lody.

zmniejszyła się        jest równa        jest większa od        wewnętrzna        kinetyczna        jest mniejsza od        potencjalna        kinetycznej        zmniejszyła się        wewnętrznej        zwiększyła się        zwiększyła się        wewnętrzna        potencjalnej

Pokaż podpowiedź

Ćwiczenie 8

Do wody o temperaturze 10°C wrzucono monetę rozgrzaną do temperatury 80°C. Energia wewnętrzna wody wzrosła o 500 J. Odpowiedz, ile wynosi zmiana energii wewnętrznej monety.

Odp.:               J

Pokaż podpowiedź

Pokaż odpowiedź

Dla nauczyciela

Konspekt (scenariusz) lekcji

Imię i nazwisko autora:

Krystyna Wosińska

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Definicja energii wewnętrznej

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne:

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Zakres podstawowy

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.

V. Termodynamika. Uczeń:

3) posługuje się pojęciem energii wewnętrznej; analizuje pierwszą zasadę termodynamiki jako zasadę zachowania energii.

Zakres rozszerzony

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.

VI. Termodynamika. Uczeń:

3) posługuje się pojęciem energii wewnętrznej; analizuje pierwszą zasadę termodynamiki jako zasadę zachowania energii.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

- kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

- kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

- kompetencje cyfrowe,

- kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. wyjaśni, jakie rodzaje energii mogą mieć cząsteczki tworzące materię.

2. poda definicję energii wewnętrznej.

3. wyjaśni związek energii wewnętrznej z temperaturą.

4. omówi przyczyny zmiany energii wewnętrznej ciała.

5. przeanalizuje różne przypadki z życia codziennego, w których energia wewnętrzna ciała zmienia się.

Strategie nauczania:

strategia eksperymentalno-obserwacyjna (dostrzeganie i definiowanie problemów)

Metody nauczania:

- wykład informacyjny,

- pokaz multimedialny,

- analiza pomysłów.

Formy zajęć:

- praca w grupach,

- praca indywidualna.

Środki dydaktyczne:

komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia

Materiały pomocnicze:

e-materiały: „Energia wewnętrzna jako funkcja stanu”, „O czym mówi I zasada termodynamiki?”, „Analizujemy zmiany energii wewnętrznej w przemianach fazowych”.

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca

1. Wprowadzenie zgodnie z treścią e-materiału.

2. Odwołanie do wiedzy uczniów o cząsteczkowej budowie materii.

Faza realizacyjna

Uczniowie w dyskusji pod kierunkiem nauczyciela ustalają, jakie rodzaje energii mają cząsteczki materii. Nauczyciel wyjaśnia pojęcie energii potencjalnej cząsteczek i wymienia kilka przykładów jej zmiany, następnie prosi uczniów o podanie kolejnych przykładów.

Nauczyciel podaje definicję energii wewnętrznej, zwracając uwagę, że do energii wewnętrznej nie wlicza się energii ciała jako całości. Uczniowie zgłaszają pomysły, w jakich procesach energia wewnętrzna zmienia się i co może spowodować zmianę. Uczniowie oglądają film samouczek i wykonują polecone obliczenia.

Faza podsumowująca

Uczniowie rozwiązują zadania 6, 7 i 8 z zestawu ćwiczeń.

Praca domowa

Zadania z zestawu ćwiczeń, do wyboru 3 zadania z nierozwiązanych na lekcji.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Film samouczek można wykorzystać na lekcji. Może też być wykorzystany przez uczniów po lekcji do powtórzenia i utrwalenia materiału.

Table of Contents

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film samouczek

Sprawdź się

Dla nauczyciela