Zmiana energii wewnętrznej przez pracę

1. 1

   Przyjrzyj się hamowaniu — to najczystszy przykład z tej listy. Rozpędzony rower ma energię kinetyczną.

   $$E_k > 0$$
2. 2

   Po zahamowaniu rower stoi, więc energii kinetycznej nie ma.

   $$E_k = 0$$
3. 3

   Energia nie znikła: klocki i tarcze są po ostrym zjeździe tak gorące, że nie wolno ich dotykać. Cała energia ruchu przeszła w energię wewnętrzną hamulców i powietrza wokół nich.

   $$E_k \rightarrow E_w$$
4. 4

   Zauważ jeszcze jedno: w żadnym z tych przykładów nie pojawia się ciało cieplejsze, które oddawałoby energię. Wiertło nagrzewa najzimniejsza wiertarka świata, byle mocno się kręciła.

   $$\text{brak } Q, \quad W > 0$$

Wszystkie 4 kroków odsłonięte.

1. 1

   Doświadczenie do zrobienia w domu w minutę. Bierzesz kawałek miedzianego albo stalowego drutu, na przykład rozprostowany spinacz. Dotykasz go — jest chłodny, ma temperaturę pokoju, bo leżał w szufladzie i dawno osiągnął z nią równowagę termiczną.

   $$t_{\text{drutu}} = t_{\text{otoczenia}}$$
2. 2

   Zginasz drut w jednym miejscu na pół. Twoje palce działają siłą i przesuwają końce drutu, czyli wykonują pracę. Ta praca odkształca metal: warstwy atomów w miejscu zgięcia przesuwają się względem siebie i szarpią sąsiadów.

   $$W > 0$$
3. 3

   Prostujesz i zginasz znowu. I znowu. Za każdym razem wkładasz kolejną porcję pracy w to samo maleńkie miejsce. Powtórz ze dwadzieścia razy — szybko, bez przerw, żeby energia nie zdążyła uciec do otoczenia.

   $$W_{\text{całkowita}} = 20 \cdot W$$
4. 4

   Ostrożnie dotykasz miejsca zgięcia. Jest wyraźnie gorące — czasem tak gorące, że trudno je trzymać. Wyższa temperatura oznacza szybszy ruch cząsteczek, a więc większą energię wewnętrzną drutu.

   $$E_w \uparrow \Rightarrow t \uparrow$$
5. 5

   I teraz sedno. Przez cały czas doświadczenia drut nie zetknął się z niczym cieplejszym od siebie: skóra palców ma około $33$ °C, a zgięcie potrafi być gorętsze. Żaden cieplny przepływ energii nie mógł go tak ogrzać. Jedynym źródłem wzrostu energii wewnętrznej była wykonana praca.

   $$\text{brak } Q, \quad E_w \uparrow$$

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

1. 1

   Ta pomyłka ma bardzo szacowną historię — łapali się na nią najlepsi. Przez całe XVIII stulecie uczeni sądzili, że ciepło jest niewidzialną substancją, nazywaną cieplikiem. Miała wsiąkać w ciała i z nich wyciekać: ciało gorące to takie, które ma cieplika dużo, zimne — takie, w którym go mało. Teoria całkiem zgrabnie tłumaczyła stygnięcie herbaty i ogrzewanie łyżeczki.

2. 2

   Obaliło ją coś tak prozaicznego jak wiercenie luf armatnich. W zbrojowni, gdzie z litych bloków brązu wytaczano wnętrza dział, uczony nadzorujący warsztat zauważył rzecz nie do pogodzenia z cieplikiem: metal i wióry grzały się tak długo, jak długo obracało się wiertło. Bez końca.

3. 3

   Wodę w kadzi chłodzącej dało się w ten sposób doprowadzić do wrzenia — samym wierceniem, bez ognia. A najdziwniejsze było to, że tępe wiertło, które ledwie skrawało wióry, grzało jeszcze mocniej niż ostre.

   $$t_{\text{wody}} = 100$$
4. 4

   Gdyby ciepło było substancją zamkniętą w metalu, kiedyś musiałoby się skończyć — tak jak kończy się woda w studni. Nie kończyło się nigdy. Wniosek był nieunikniony: źródłem nagrzewania nie jest żaden zapas cieplika, tylko ruch wiertła, czyli wykonywana bez przerwy praca.

5. 5

   Ciepło przestało być substancją, a stało się tym, czym jest naprawdę: formą przekazywania energii. Tak narodziła się fizyka cieplna, którą się dziś uczysz.

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

1. 1

   Pompujesz koło w rowerze. Po kilkudziesięciu ruchach dolna część pompki jest gorąca. Łatwo zwalić wszystko na tarcie tłoka o ścianki — i owszem, ono też grzeje. Ale to nie cała prawda: tłok trze o ścianki na całej długości pompki, a najgorętsza jest zawsze jej dolna część — właśnie ta, w której powietrze zostaje najmocniej ściśnięte.

   $$W \rightarrow E_w$$
2. 2

   Co dzieje się w środku? Tłok jedzie w dół i zderza się z cząsteczkami gazu. Cząsteczka odbita od nadjeżdżającej ściany odskakuje szybciej, niż przyleciała — dokładnie jak piłka odbita rakietą prowadzoną do przodu, a nie nieruchomą. Szybsze cząsteczki to wyższa temperatura.

   $$\text{szybsze cząsteczki} \Rightarrow t \uparrow$$
3. 3

   Ogólna reguła dla gazów: sprężanie gazu jest wykonywaniem nad nim pracy, więc jego energia wewnętrzna rośnie i temperatura idzie w górę. Nie trzeba do tego żadnego cieplejszego ciała — wystarczy tłok.

   $$\text{sprężanie} \Rightarrow E_w \uparrow$$
4. 4

   Odwróćmy sytuację. Gdy sprężony gaz rozpręża się, to on rozpycha otoczenie, czyli sam wykonuje pracę. Energię na tę pracę bierze z własnego zapasu, więc jego energia wewnętrzna maleje, a temperatura spada.

   $$\text{rozprężanie} \Rightarrow E_w \downarrow$$
5. 5

   Dowód masz w łazience. Strumień z dezodorantu w sprayu jest lodowaty, a puszka po dłuższym psikaniu robi się zimna i wilgotnieje od skroplonej pary. Nic jej nie chłodzi z zewnątrz — to gaz uciekający pod ciśnieniem rozpręża się, wykonuje pracę i traci energię wewnętrzną.

   $$\text{spray}: t \downarrow$$

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.