1.1. Šiluminis judėjimas. Vidinė energija.

Šiluminis judėjimas.

Žinome, kad kūnai sudaryti iš dalelių, kurios juda ir sąveikauja tarpusavyje. Kiekviena jų skrieja labai sudėtinga trajektorija. Pavyzdžiui, dujų dalelė lekia tiesiai milžinišku greičiu, kol susiduria su kita dalele arba indo, kuriame yra dujų, sienele. Tada ji pakeičia judėjimo kryptį bei greitį ir vėl juda tiesiai, kol susiduria kitą kartą. Kietųjų kūnų bei skysčių dalelės įvairiai svyruoja apie savo pusiausvyros padėtis, be to, skysčių dalelės dar gali peršokti iš vienos padėties į kitą. Kiekvienas kūnas sudarytas iš daugybės judančių dalelių.

Antai viename kubiniame centimetre bet kokių dujų normaliomis sąlygomis (kai temperatūra lygi 0°C, o slėgis lygus atmosferos slėgiui) yra apie 2,7 · 1019, o viename kubiniame centimetre vandens – 3,34 · 1028 molekulių ir kiekviena juda vis kitokiu greičiu įvairiomis trajektorijomis. Taigi bendras visų molekulių judėjimas yra dar sudėtingesnis. Su dalelių judėjimo greičiu susijusi kūno temperatūra. O ji – vienas iš fizikinių dydžių, apibūdinančių šiluminę kūno būseną. Todėl galima sakyti, kad kūną sudarančių dalelių netvarkingas judėjimas vadinamas šiluminiu judėjimu. Šį judėjimą labai sunku įsivaizduoti, tačiau juo galima paaiškinti daugelį šiluminių reiškinių, tarp jų ir šiluminį kūnų plėtimąsi.

Kodėl kūnai nuo šilumos plečiasi.

Kaitinant kūnus, juos sudarančios dalelės pradeda greičiau judėti arba smarkiau svyruoti, padidėja vidutiniai atstumai tarp jų, taigi ir viso kūno matmenys bei tūris. Iš jo pokyčio galima spręsti apie kūno temperatūrą, todėl šiluminis kūnų plėtimasis gali būti temperatūros matas.

Vidinė energija. Kūną sudarančios molekulės ir kitos dalelės turi dviejų rūšių mechaninės energijos – kinetinės ir potencinės. Potencinė dalelių energija priklauso nuo jų tarpusavio padėties (susijusi su dalelių tarpusavio trauka ar stūma), o kinetinė – nuo judančių dalelių greičio. Taigi kūnas turi energijos. Visų kūną sudarančių dalelių judėjimo (kinetinė) ir sąveikos (potencinė) energija vadinama vidine jo energija. Ji nepriklauso nuo kūno padėties kitų kūnų atžvilgiu ir jo judėjimo. Fizikoje kūno vidinę energiją įprasta žymėti raide U. Jos, kaip ir bet kurios kitos rūšies energijos, matavimo vienetas yra džáulis (J).

Kūnas, be vidinės energijos, tuo pačiu metu gali turėti ir mechaninės energijos. Pavyzdžiui, rankoje laikomas rutuliukas (1 padėtis 1.2 paveiksle) turi ir vidinės, ir potencinės energijos. Kai paleistas iš rankų rutuliukas ima kristi, jo potencinė energija mažėja, o kinetinė didėja. Atsitrenkęs į smėlį (2 padėtis 1.2 paveiksle), jis sustoja ir netenka mechaninės energijos. Tuo metu kinetinė ir potencinė rutuliuko energija Žemės atžvilgiu lygi nuliui. Tačiau ar mechaninė energija išnyko be pėdsakų? Anaiptol. Ji virto rutuliuko ir smėlio (lietimosi vietoje) vidine energija – rutuliukas ir smėlis truputį įšilo. Panašiai stabdomo traukinio kinetinė energija dėl ratų trinties į bėgius virsta vidine energija – ratai ir bėgiai įšyla. Vidine energija gali virsti ne tik mechaninė, bet ir kitų rūšių energija. Pavyzdžiui, elektrinės viryklės kaitinamasis elementas arba elektros lemputės kaitinamasis siūlas, tekant juo elektros srovei, smarkiai įkaista. Šiuo atveju elektros energija virsta viryklės kaitinamojo elemento arba elektros lemputės kaitinamojo siūlo vidine energija. Apie tai plačiau kalbėsime 7 skyriuje. Tas pats kūnas gali turėti nevienodą kiekį vidinės energijos. Tai priklauso nuo kūno temperatūros. kuo ji aukštesnė, tuo didesnė kūno vidinė energija. Antai į puodelį įpilta karšta arbata turi daugiau vidinės energijos negu atvėsusi. Karštos arbatos dalelės juda greičiau, vadinasi, įgyja daugiau kinetinės energijos. Kūnų vidinė energija – nepastovus dydis. Ji gali kisti: didėti arba mažėti. Temperatūrai kylant, vidinė energija didėja, krintant – mažėja. Kaip pakeisti (pakelti arba sumažinti) kūno temperatūrą, taigi ir vidinę jo energiją? Tai galima padaryti dviem būdais, kuriuos aptarsime kitame skyrelyje.

? Užduotys:

1. Kas yra šiluminis judėjimas? Kaip manote, kuo šis judėjimas skiriasi nuo kūno mechaninio judėjimo?
2. Kaip šiluminio judėjimo greitis priklauso nuo temperatūros?
3. Karštą dieną skalbiniai džiūsta greičiau negu šaltą. Paaiškinkite kodėl.
4. Vienos vandenilio molekulės vidutinė kinetinė energija 0°C temperatūros sąlygomis lygi 4,7 · 10^-21 J. Kokia yra visų viename kubiniame centimetre esančių molekulių kinetinių energijų suma? Sąlygos tos pačios.
5. Teniso kamuoliukas nukrito iš tam tikro aukščio, atsitrenkė į žemę ir pakilo aukštyn. Kodėl kamuoliukas pašoko ne iki to paties aukščio, iš kurio krito? Išvardykite ir paaiškinkite įvykusius energijos virsmus.
6. Du vienodi plieniniai rutuliukai nukrito iš to paties aukščio. Vienas pataikė į dėžę su smėliu, kitas atsitrenkė į stalą, atšoko nuo jo ir buvo sugautas. Kurio rutuliuko vidinė energija pakito labiau?
7. Šeimininkė perkėlė puodynę iš žemesnės lentynos į aukštesnę. Ar pakito puodynės vidinė energija?
8. Iš stiklinio baliono siurbiamas oras. Paaiškinkite, kaip kinta balione liekančio oro vidinė energija.
9. Vienoje stiklinėje yra 20°C, kitoje – tiek pat 80°C temperatūros vandens. Kurio vandens vidinė energija didesnė?
10. Ar tiek pat vidinės energijos turi 2 kg 0°C temperatūros vandens ir 2 kg tokios pat temperatūros ledo? Atsakymą pagrįskite.