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 fazowychPrzemiana fazowaprzemianach 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 zachowanaZasada zachowania energiienergia 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