Uvod
Do sada smo naučili da je kinetička energija tela posledica njegovog kretanja, a potencijalna energija rezultat uzajamnog delovanja dva ili više tela. Međutim, svako telo se sastoji od ogromnog broja čestica – molekula ili atoma – koji se neprestano kreću i međusobno deluju. Svaka od tih čestica poseduje neku kinetičku, a često i potencijalnu energiju.
Zbir svih kinetičkih i potencijalnih energija molekula nekog tela čini njegovu unutrašnju energiju.
Možemo li izmeriti unutrašnju energiju?
Ne postoji način da direktno izmerimo kinetičke i potencijalne energije svih molekula u istom trenutku. Dakle, unutrašnja energija se ne meri direktno, ali možemo pratiti promenu unutrašnje energije.
Prvi princip termodinamike
Promena unutrašnje energije nekog tela može nastati na dva načina:
- Protokom toplote između tela i okoline
- Radom sistema (mehaničkim ili drugim oblicima rada)
Matematički, prvi princip termodinamike glasi:
$ \Delta U = Q – A $
Gde je:
- $\Delta U$ – promena unutrašnje energije
- $Q$ – toplota koju telo primi ili preda
- $A$ – rad koji sistem izvrši
Rad sistema
Rad je posledica sposobnosti sistema da deluje silom, koristeći deo svoje unutrašnje energije. Kod gasova, rad se najčešće javlja pri širenju ili sabijanju.
Ako se gas širi u cilindru sa klipom, rad se računa kao:
$ A = F \cdot \Delta l $
Pošto je pritisak definisan kao:
$ P = \frac{F}{S} $
gde je $S$ površina klipa, silu možemo izraziti kao:
$ F = P \cdot S $
Ubacivanjem u formulu za rad dobijamo:
$ A = P \cdot S \cdot \Delta l $
A proizvod $S \cdot \Delta l$ predstavlja promenu zapremine $\Delta V$, pa je konačni izraz:
$ A = P \cdot \Delta V $
Dakle, rad gasa pri širenju zavisi od pritiska i promene zapremine.
Promena unutrašnje energije gasa
Kombinovanjem izraza dobijamo:
$ \Delta U = Q – P \cdot \Delta V $
Toplota i temperatura
Dodavanjem toplote gasu povećava se srednja kinetička energija molekula, pa se kod gasova temperatura može uzeti kao merilo unutrašnje energije. Kod čvrstih tela i tečnosti to nije uvek slučaj – na primer, pri topljenju leda temperatura ostaje ista, iako se unutrašnja energija povećava (energija se troši na kidanje veza između molekula).
Važna napomena
- Hladnoća nije fizički pojam. Kada ubacimo led u piće, ne prelazi „hladnoća“ iz leda u tečnost, već toplota iz tečnosti prelazi u led, otapa ga i time snižava temperaturu pića.
- Mi nemamo čulo za temperaturu – ono što osećamo je brzina prenosa toplote.
Zaključak
Unutrašnja energija je energija koja „stanuje“ u telu, dok je toplota energija koja se prenosi. Razumevanje ovog pojma je ključno za termodinamiku i objašnjenje mnogih pojava u prirodi i tehnici.