If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Czym jest energia termiczna (cieplna) ?

Learn what thermal energy is and how to calculate it.

Czym jest energia cieplna (termiczna)?

Aby zrozumieć pojęcie energii termicznej, zwanej także potocznie energią cieplną trzeba wyposażyć się w duuuuże szkło powiększające i zajrzeć do środka ciała w poszukiwaniu cząsteczek, z których jest zbudowane. Zauważ, że mówiąc o energii mechanicznej, nie odwołujemy się do budowy wewnętrznej ciał, a traktujemy je jako jedną całość. W przypadku energii termicznej jest inaczej - żeby zrozumieć to pojęcie, trzeba spojrzeć na ciało jako na zbiór cząsteczek, z których się składa. Energia termiczna to całkowita energia mechaniczna, ruchu i w przypadku ciała stałego także drgań, które wykonują te cząsteczki. W większości przypadków nie musimy jednak szczegółowo analizować tego ruchu wszystkich cząsteczek - wielkością makroskopową, charakteryzującą energię termiczną danego ciała jest jego temperatura. Przekazywanie energii termicznej od jednego ciała do drugiego nazywamy ciepłem. Gałąź fizyki zwana termodynamiką zajmuje się opisem procesów związanych z przekazywaniem energii termicznej i pracą, wykonywaną w czasie tego procesu (na przykład 1 prawo termodynamiki).
W zadaniach z mechaniki energia cieplna stanowi ten wyraz w bilansie energii, który wiąże się z zasadą zachowania energii. W rzeczywistości prawie każda przemiana energii z jednej formy w drugą odbywa się ze sprawnością mniejszą od 100% i towarzyszy jej przekształcenie części energii początkowej w energię termiczną. Zasada zachowania energii jest spełniona, ale ponieważ temperatura, której zmiana związana z przekształceniem części energii początkowej w energię termiczną pozostaje bliska temperaturze otoczenia, wykorzystanie tej energii jest w praktyce bardzo trudne. Efektywna przemiana energii na pracę wymaga dużych różnic temperatur. W ten sposób docieramy do końca cyklu przemiany energii, gdzie nie jest możliwe dalsze jej efektywne wykorzystanie. Mówimy, że energia cieplna została "rozproszona do otoczenia".

Energia termiczna i tarcie

Rozważmy sytuację przedstawioną na rysunku 1: pudło, które ktoś pcha ze stałą szybkością po chropowatym podłożu. Ponieważ siła tarcia nie jest siłą zachowawczą, praca wykonana przeciwko sile tarcia nie zwiększa energii potencjalnej pudła. Cała praca przeciwko sile tarcia zostaje przekazana w formie ciepła do pudła i podłoża, powodując wzrost ich energii termicznej, co obserwujemy jako wzrost temperatury.
Rysunek 1: Siła, z jaką osoba pcha pudło równoważy siłę tarcia pomiędzy pudłem a podłożem.
Aby obliczyć zmianę energii cieplnej ΔET wyznaczymy pracę, wykonaną przeciwko siłom tarcia. Skoro pudło porusza się ze stałą prędkością, a zatem siła, z jaką osoba pcha pudło i siła tarcia muszą się równoważyć, to znaczy mieć takie same wartości. Praca wykonana przeciw sile tarcia i praca siły tarcia są więc równe co do wartości bezwzględnej, choć mają różne znaki. Ponieważ siła tarcia działa w kierunku przeciwnym do przesunięcia, wykonana przez nią praca ma wartość ujemną.
Wykorzystamy wzór na pracę wykonaną przez stałą siłę, pod wpływem której ciało przesuwa się na odległość d, zgodnie z kierunkiem działania siły, przy czym wykorzystamy fakt, że wartość siły, z jaką osoba działa na pudło, równa jest co do wartości sile tarcia:
W=Fd
ΔET=Ffrictiond
Wprowadzając współczynnik tarcia kinetycznego μk możemy zapisać to wyrażenie jako:
ΔET=μkFnd
Zadanie 1a: załóżmy, że osoba przedstawiona na rysunku 1 pcha pudło ze stałą szybkością. Pudło ma masę 100 kg. Odległość d równa się 100 m. Współczynnik tarcia pomiędzy pudłem i podłożem równa się μk=0,3. Oblicz zmianę energii termicznej podłogi i pudła.
Exercise 1b: When the person pushes on the box, they rely on friction between the soles of their shoes and the floor. Is there any change in the thermal energy of the persons shoes due to pushing on the box?

Energia termiczna i siły oporu

Siły oporu działające na przykład na ciało poruszające się w wodzie lub w powietrzu są także przykładem sił niezachowawczych.
Na ciało, poruszające się w cieczy, działa siła oporu. Z trzeciej zasady dynamiki wynika, że ciało działa na ciecz siłą o tej samej wartości, lecz skierowaną przeciwnie, przekazując część swojego pędu cząsteczkom cieczy. Nawet gdy ciało się zatrzyma, ruch cieczy będzie jeszcze trwał przez chwilę i ustanie dopiero po pewnym czasie. Energia kinetyczna uporządkowanego ruchu cząstek cieczy wokół poruszającego się ciała zamienia się w energię kinetyczną chaotycznego ruchu cząstek cieczy w całej objętości, co oznacza wzrost energii termicznej, a zatem i temperatury, tej cieczy.
Na rysunku 2 przedstawiono izolowane termicznie naczynie z mieszadłami, zamocowanymi na obracającej się osi. W zbiorniku znajduje się woda. Praca, dzięki której mieszadła zostają wprowadzone w ruch obrotowy, zamienia się w energię kinetyczną obracającej się cieczy, a po upływie pewnego czasu od chwili zatrzymania mieszadełek przekształci się w energię termiczną wody.
Urządzenie, schematycznie przedstawione na rysunku 2, stanowi przykład aparatury wykorzystanej przez James Prescott Joule (1818 – 1889), którego nazwiskiem nazwano jednostkę energii i pracy w układzie SI. Za omocą podobnego urządzenia, wypełnionego olejem uzyskanym z wieloryba, Joule wykazał równoważność pracy i ciepła, co w konsekwencji umożliwiło sformułowanie zasady zachowania energii i pierwszej zasady termodynamiki.
Rysunek 2: mieszadła obracające się w naczyniu z wodą.
Zadanie 2a: załóżmy, że silnik elektryczny o mocy 10 W obraca mieszadła przedstawione na rysunku 2 przez 30 minut. O ile wzrośnie energia termiczna wody i zbiornika przy założeniu, że zbiornik jest izolowany termicznie od otoczenia?
Zadanie 2b (rozszerzenie): Oszacuj temperaturę wody po wyłączeniu silnika i ustaniu ruchu wody w zbiorniku, jeśli w zbiornik zawiera 1 l wody, której temperatura przed włączeniem silnika wynosiła 10C.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.