Energia wewnetrzna i jej przenoszenie

Energia wewnętrzna - definicja
Energią wewnętrzną nazywamy wielkość charakteryzującą stan danego ciała lub układu ciał, która jest równa sumie wszystkich rodzajów energii cząsteczek i atomów, które tworzą ten układ.
Każdy atom, czy cząsteczka porusza się, zatem posiada energię kinetyczną, jest pod wpływem różnych sił chociażby siły elektromagnetyczne wiązań chemicznych, zatem posiada energię potencjalną. Suma tych wszystkich energii, jakie posiadają wszystkie cząsteczki wchodzące w skład danego ciała to właśnie energia wewnętrzna.
Wartość energii wewnętrznej nie jest istotna, ale zazwyczaj fizyków obchodzi jej zmiana, która zachodzi podczas różnorakich procesów termodynamicznych. Zmiana ta może odbywać się na dwa sposoby: zmienia się temperatura układu ( zmianie ulega energia kinetyczna cząsteczek) lub też stan skupienia ciała (wtedy temperatura pozostaje stała, ale zmieniają się odległości pomiędzy cząsteczkami, a co za tym idzie zmieniają się wartości oddziaływań między nimi).
Zmiana zawsze jest równa:
ΔU = nCvΔt
Gdzie:
n - liczba moli
Cv - ciepło wł. przy stałej objętości (dokładniej omówione poniżej)
Δt - zmiana temperatury



Przenoszenie energii to dwucząsteczkowy proces polegający na przekazaniu energii wzbudzenia jednej cząsteczki, cząsteczce drugiej. W jego wyniku cząsteczka pierwotnie wzbudzona wraca bezpromieniście do stanu podstawowego natomiast cząsteczka druga przechodzi do wyższego stanu elektronowego. Proces ten zachodzi jako efekt działania różnorodnych mechanizmów i wielu różnych substancji. Jednym z jego rodzajów jest bezpromieniste przenoszenie energii

1. Przewodnictwo cieplne.
W gorętszej części łyżeczki atomy metalu oraz swobodne elektrony, mają na ogół większe prędkości niż te z zimnego końca. Elektrony zderzają się z atomami i przekazuj ą im energię. W wyniku tych zderzeń energia dąży do równomiernego rozłożenia się w całej łyżeczce. Proces ten jest stosunkowo szybki. Znacznie wolniej rozchodzi się energia w materiałach, materiałach, których nie ma swobodnych elektronów- w tzw. Izolatorach. Taki sposób przenoszenia energii nazywamy przewodnictwem cieplnym. Odbywa on się poprzez zderzenia elektronów i drobin. Z przewodnictwem cieplnym mamy do czynienia wtedy, gdy występuje różnica temperatur między stykającymi się ciałami albo między różnymi częściami jednego ciała.

Przewodniki-to ciała, które bardzo dobrze przewodzą ciepło
zaliczamy do nich metale.
Izolatory-to ciała, które bardzo słabo przewodzą ciepło np.:
styropian, cegła dziurawka, pustaki, bloczki betonu komórko-
-wego, próżnia, wata szklana


Przewodnictwo cieplne ciała posiada wiele wad jak i zalet. Niektóre ciała są dobrymi przewodnikami ciepła, a inne nie np. drewno, szkło. Negatywne jest właśnie takie przewodnictwo jak chociażby ta łyżeczka, często gorącej łyżeczki nie możemy wziąć do rąk, bo się sparzymy albo nie potrafimy jej po prostu utrzymać. Podobnie mamy z gorącymi elementami wykonanymi z metalu np. forma do ciasta nagrzanej formy nikt nie złapie gołymi rękami, metalowy garnek możemy zdjąć z kuchni gazowej tylko w źle przewodzących ciepło rękawicach inaczej się sparzymy itp. Lecz takie nagrzewnie posiada wiele cech pozytywnych np. dobry przepływ prądu elektrycznego, nagrzanie się elementów umożliwiających nadawania im różnych kształtów itp.

2. Wykonanie pracy

Energię wewnętrzną można zwiększać, wykonując pracę W np. przy pokonywaniu tarcia. Wówczas
Ew = W



Przykłady:
I Wziąwszy termometr lekarski do ręki i ujmując go między palec wskazujący i kciuk, potrząsając jego końcówkę zawierającą zbiorniczek z rtęcią. Obserwując, zauważamy wzrost temperatury na termometrze. Dodatkowo obserwujemy wzrost temperatury palców, którymi pocieramy końcówkę termometru.

II Wiercąc wiertarką otwór w twardym drewnie zauważamy, iż po wykonaniu pracy końcówki drewna i wiertła zwiększyły swoją temperaturę w pobliżu wywierconych otworów.


Z każdym z powyższych przypadków została wykonana praca związana z pokonywaniem siły tarcia. Skutkiem tej pracy nie był ani wzrost energii kinetycznej ciała, ani jego energii potencjalnej, a jedynie wzrost temperatury ciała trących o siebie. Energia cząsteczek wzrasta o tyle, ile pracy wykonano.


Pierwsza zasada termodynamiki:
Energię wewnętrzną ciała możemy zmienić albo przez wykopnie pracy(W), albo przez przekazanie ciepła (Q).Oczywiście może także nastąpić równoczesne wykonanie pracy i przekazanie ciepła.

Ew=W+Q



Praca i Ciepło Podstawowa struktura pojęciowa termodynamiki i nazewnictwo, używane w tej dziedzinie fizyki, kształtowały się w pierwszej połowie XIX wieku. Jednym z praktycznych powodów jej rozwoju było wynalezienie maszyn cieplnych, przede wszystkim maszyny parowej.



Potraktujmy taką maszynę wraz z kotłem jako jeden układ termodynamiczny (bardzo odległy od równowagi termodynamicznej!). Do takiego układu dostarczana jest energia od płomienia w palenisku, który ma temperaturę wyższą od wody w kotle. Najistotniejszą z technicznego punktu widzenia część tej energii odnajdziemy w postaci pracy mechanicznej, którą silnik wykonuje. Pozostała energia zostaje rozproszona i „zmarnowana”.




Innym sposobem zmiany energii wewnętrznej ciała, poza wykonaniem pracy, jest przekazanie ciepła Q ciału o niższej temperaturze przez ciało o temperaturze wyższej

Ew = Q

Gdzie W- wykonana praca
Q- wymienione ciepło

Formy energii i jej przemiany


3. Konwekcja - proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii, np. rozgrzanego powietrza, wody, piasku itp.
Konwekcja jest najwydajniejszym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależną od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.
Gdy gorącą bryłę metalu umieścimy w zimnym powietrzu, to wzrasta temperatura warstwy powietrza, która znalazła się przy powierzchni bryły. Gęstość ciepłej warstwy
przypowierzchniowej jest mniejsza. Powietrze to unosi się do góry, a na jego miejsce napływa powietrze o temperaturze niższej. Powoduje to oczywiście znaczne przyspieszenie procesu chłodzenia bryły. Identyczne zjawisko zachodzi i w cieczach.

W zjawisku konwekcji obszar płynu jest dosyć daleki od równowagi termodynamicznej, bo zachodzą w nim makroskopowe przepływy materii.

Przykład konwekcji:
Powietrze w pokoju ogrzewa się od rozgrzanego pieca lub grzejnika kaloryfera. Jednak dzieje się to w inny sposób niż w przypadku przewodzenia ciepła. Najpierw ogrzewa się warstwa powietrza położonego blisko pieca lub grzejnika. Ogrzane powietrze rozszerza się, jego gęstość staje się mniejsza i unosi się ono do góry. Na jego miejsce wchodzi powietrze chłodne, które następnie także się ogrzewa i unosi do góry. Tak więc, w pokoju odbywa się ciągła wędrówka prądów powietrza; noszą one nazwę prądów konwekcyjnych, a samo zjawisko powstawania tych prądów nosi nazwę konwekcji.


Wyróżnia się: Konwekcja swobodna - ruch cieczy lub gazu jest wywołany różnicami gęstości substancji znajdującej się w polu grawitacyjnym.
Konwekcja wymuszona - ruch cieczy lub gazu wywoływany jest działaniem urządzeń wentylacyjnych, pomp itp.
Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające szybkość przepływu powietrza.

Pozytywnie wykorzystywanie konwekcji jest jako prądy konwekcyjny w powietrzu, podgrzewanym od rozgrzanej powierzchni Ziemi, są pozytywnie wykorzystywanie przez ptaki do latanie, a także przez szybowników i parolotniarzy do nabierania wysokości.


4. Promieniowanie

Jeżeli ciało umieścić w wiązce promieniowania elektromagnetycznego, to zwykle wzrasta jego temperatura. Łatwo podać wiele przykładów takiego zjawiska, dla promieniowania w
zakresie od radiowego do . Każdy wie, że ciała nagrzewają się „na słońcu” na skutek absorpcji promieniowania podczerwonego, widzialnego i nadfioletowego. Wiązka bardzo intensywnego promieniowania rentgenowskiego, powstającego w synchrotronie, powoduje silny wzrost temperatury materiałów, które znajdą się w jej zasięgu. Także podgrzewanie potraw w mikrofalówce, czy „ogrzewanie wewnętrzne” falami radiowymi w fizykoterapii. Z drugiej jednak strony znamy bardzo wiele innych „nie-termicznych” zjawisk, wywołanych przez oddziaływanie promieniowania elektrycznego z materią:
Promieniowanie podczerwone, widzialne, nadfioletowe czy rentgenowskie mogą wywoływać reakcje chemiczne w układzie. Na tej zasadzie działają oczy ludzi i zwierząt. O zjawisko to oparta jest klisza fotograficzna. Tak w końcu zachodzi fotosynteza w roślinach. Promieniowanie o podobnym zakresie może wywoływać różne typy zjawisk fotoelektrycznych, zewnętrznych i wewnętrznych. W oparciu o nie działają różne typy detektorów promieniowania elektromagnetycznego, na przykład kameratelewizyjna.
Promieniowanie może wywoływać przemiany jądrowe w układzie.


A). Promieniowanie elektromagnetyczne (energia promienista
Sposób, w jaki energia jest przenoszona w przestrzeni lub w materii przez zmienne pole elektromagnetyczne. Klasycznie, energia promienista uważana jest za ruch falowy. W połowie XIXw. Maxwell wykazał, że oscylujący (wibrujący) ładunek elektryczny otoczony zostanie zmiennymi polami elektrycznymi i magnetycznymi. Energia będzie się wydzielać z oscylującego ładunku w postaci fal poprzecznych w tych polach, przy czym fale w polu elektrycznym będą prostopadłe zarówno do pola magnetycznego, jak i do kierunku rozchodzenia się fal. Ponadto, prędkość fal będzie zależała jedynie od właściwości środowiska w jakim się rozchodzą, w próżni będzie ona równa jednej z podstawowych stałych fizycznych - stałej elektromagnetycznej, c = 299792, 5 kms. Na początku XXw. Planck stwierdził, że właściwości energii promienistej najlepiej wyjaśnić traktując ją jako energię przenoszoną w sposób nieciągły w niewielkich porcjach zwanych kwantami. Później Einstein zaproponował nazwę foton dla kwantów elektromagnetycznych. Energia każdego fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości związanego z nim promieniowania. Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są klasyfikowane według energii fotonów, przy czym zakres energii nosi nazwę widma elektromagnetycznego. (Patrząc na to z innej strony możemy stwierdzić, że to widmo szereguje rodzaje promieniowania według długości fali.) Gdybyśmy ułożyli je w porządku malejącym, jako pierwsze w kolejności pod względem ilości przenoszonej energii byłyby promienie gamma, promienie X (rentgenowskie), promieniowanie ultrafioletowe, promienie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Zasadniczo im większa energia, tym lepiej właściwości promieniowania dają się opisywać za pomocą cząstek elementarnych (fotonów) niż za pomocą fal. Energia promienista emitowana jest przez ciała, gdy są one ogrzewane bądź pobudzane energetycznie w inny sposób. Używana jest do przekazywania i rozsyłania zarówno energii jak informacji.

B). Promienie rentgenowskie

Wysokoenergetyczne, niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne o zakresie od 0, 1 nm do 1 nm. Na ogół wytwarzane są przy pomocy elektronowych lamp próżniowych, w których strumień elektronów puszczany z rozgrzanej katody w kierunku dużej anody z wolframu bądź molibdenu przy różnicy potencjałów około 1 mv. Elektrony przenoszą swą energię na anodę, która następnie wysyła strumienie fotonów X. Promieniowanie rentgenowskie jest wykrywane przy pomocy ekranów fosforowych (jak w prześwietleniach medycznych), licznika Geigera lub scyntylacyjnego albo płytek fotograficznych. Promieniowanie to zostało odkryte przez Roentgena w 1895, ale ze względu na ich bardzo krótki zakres jego natura falowa nie została ustalona do 1911, kiedy to von Laue udowodnił, że mogą one zostać rozszczepione w siatkach krystalicznych. Promienie rentgenowskie są szeroko używane w medycynie, zarówno przy diagnozowaniu, jak i przy leczeniu, a także w inżynierii, gdzie radiogramy są używane do wykrywania drobnych defektów w elementach konstrukcyjnych. Lampy rentgenowskie muszą być ekranowane, aby zapobiec uszkodzeniom żywej tkanki.



C). Promieniowanie podczerwone

Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy 780 nm a 1mm, silnie wysyłane przez gorące obiekty i nazywane też promieniowaniem cieplnym. Wykrywane przy użyciu komórek fotoelektrycznych, bolometrów i fotograficznie. Znajduje ono wiele zastosowań - w domu do ogrzewania i gotowania, w medycynie do leczenia mięśni i chorób skóry. Spektroskopia absorpcji promieni podczerwonych jest ważnym narzędziem analitycznym w chemii organicznej. Zastosowania wojskowe (włącznie z wykrywaniem rakiet i systemami naprowadzania oraz urządzeniami noktowizji) i fotografia podczerwona (często fotografia w zmienionych kolorach) wykorzystują okno promieniowania podczerwonego, pasmo spektralne pomiędzy 7, 5 a 11 mm, w którym atmosfera jest przeźroczysta. To oraz wysoki współczynnik odbicia promieni podczerwonych dają fotografiom w podczerwieni nadzwyczajną ostrość, nawet jeśli są one robione w niesprzyjających warunkach.

D). Promieniowanie ultrafioletowe

Promieniowanie elektromagnetyczne o zakresie pomiędzy 0, 1 nm do 380 nm, wytwarzane w gazowych lampach wyładowczych rurowych. Aczkolwiek stanowi ono około 5% energii wypromieniowywanej przez Słońce, większość promieniowania spadającego na Ziemię jest przefiltrowywana przez atmosferyczne warstwy ozonu i tlenu, co chroni życie na Ziemi przed niszczącą siłą promieniowania ultrafioletowego. Oznacza to tym samym, że przyrządy optyczne służące do badań promieni ultrafioletowych muszą być pozbawione powietrza oraz szkła silnie absorbującego te promienie – soczewki i pryzmaty muszą być wykonane z kwarcu i fluorytu. Wykrywanie odbywa się przy pomocy płytek fotograficznych lub ekranów fluorescencyjnych. Używane jest głownie w lampach fluorescencyjnych oraz w medycynie do lamp bakteriobójczych, przy leczeniu krzywic i niektórych chorób skórnych, a także do wzbogacania jaj i mleka w witaminę D.
W podobny sposób można zmieniać energię wewnętrzną układu termodynamicznego przez wykonywanie pracy prądu elektrycznego także pola elektrycznego lub magnetycznego.Ze zmianą energii układu pod wpływem przepływu prądu mamy do czynienia we wszystkich grzejnikach elektrycznych.
Zmienne pole elektryczne powoduje wzrost temperatury dielektryków, co wykorzystujemy w
spawarkach do plastiku. Zmienne pole magnetyczne w transformatorze powoduje grzanie się rdzenia,


5. Innymi sposobami przenoszenia energii wewnętrznej jest zapalanie zapałki poprzez pocieranie końcówki zapałki o pudełko.
Wiele ciał oddziałuje między sobą wymieniając się energią. Sposoby przeniesienia energii:
 przez fale akustyczne
przez prąd elektryczny
 nadanie energii kinetycznej podczas np. rzutu kamieniem przenieskona energia przykładowo do szyby
 energetyka wiatrowa (aeroenergetyka) zajmuje się przetwarzaniem energii wiatru (za pomocą silników wiatrowych) w elektrowniach i siłowniach wiatrowych. Moc elektrowni wiatrowych jest zależna od prędkości wiatru, w wielu rejonach (w tym na większej części obszaru Polski) warunki klim. nie sprzyjają wykorzystaniu energii wiatru.

 Energetyka jądrowa zajmuje się pozyskiwaniem i przetwarzaniem energii jądr. zawartej w pierwiastkach rozszczepialnych; energia jądr. jest wyzwalana w reaktorze jądr., gł. w postaci ciepła (ponad 95%) i wykorzystywana albo bezpośrednio do ogrzewania, albo przetwarzana na energię mech. lub elektr. (statki i okręty z napędem jądr. lub elektrownie jądr.). O rozwoju energetyki jądrowej zadecydowały względy ochrony środowiska oraz wyczerpywanie się zasobów tradycyjnych paliw. Niektóre kraje odchodzą od energetyki jądrowej (w Polsce 1990 odstąpiono od budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu); jest to wynikiem jej małej konkurencyjności ekon. oraz niekorzystnego klimatu społ. wokół tej energetyki, szczególnie po awarii w Three Mile Island (USA, 1979) oraz katastrofie w Czarnobylu (Ukraina, 1986; Czarnobylska Elektrownia Jądrowa). Dla dalszego rozwoju enegetyki jądrowej najważniejsze jest zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji elektrowni jądr. i in. obiektów jądr. cyklu paliwowego, a także bezpieczne składowanie odpadów promieniotwórczych.
 Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mech. i elektr. przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeń (w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych). Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz — w elektrowniach pływowych) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie — mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu. Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód mor. polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru (odcinek strumienia, rzeki, część zatoki) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu.
 Energetyka słoneczna (helioenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem, przetwarzaniem i wykorzystaniem energii promieniowania Słońca. Niemal cała energia tego promieniowania jest skoncentrowana w promieniowaniu widzialnym i podczerwonym; promieniowanie słoneczne jest też przyczyną wielu zjawisk występujących na Ziemi i wykorzystywanych w energetyce (wiatrów, fal i prądów mor., powstawania opadów atmosf. zasilających rzeki). Potencjał techn. energii promieniowania Słońca jest znacznie niższy od teoret., niewielkie jest też jego wykorzystanie. Pozyskiwanie energii słonecznej jest możliwe dzięki kolektorom słonecznym o działaniu bezpośrednim (np. przy podgrzewaniu wody) lub w elektrowniach słonecznych; możliwe jest magazynowanie energii słonecznej w tzw. stawach energ. (słonecznych), dzięki utrzymywaniu w nich uwarstwienia z rosnącą w głąb koncentracją soli.
 Energetyka geotermiczna (geoenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem i przetwarzaniem (w elektrowniach geotermicznych) ciepła wnętrza Ziemi, którego źródłem są przemiany promieniotwórcze, reakcje chem. oraz inne procesy zachodzące w skorupie ziemskiej. Przydatność danej formacji geol. jako miejsca wykorzystania energii geotermicznej (geotermalnej) określa wielkość stopnia (gradientu) geotermicznego, czyli przyrostu temperatury na jednostkę długości mierzonej w głąb ziemi; w praktyce wykorzystuje się ciepło wnętrza Ziemi zmagazynowane w masie stopionych skał (magmie), skałach znajdujących się w stanie stałym, wodzie przenikającej z powierzchni i stykającej się z gorącymi skałami (często jest to przyczyną powstawania na powierzchni Ziemi gorących źródeł lub gejzerów).




 Encyklopedia PWN
 Fizyka dla Gimnazjum
 Internet
http://info.fuw.edu.pl/~witowski/PDFy/Ene_wew.pdf
 Podręcznik dla Liceum i Techników „Fizyka i Astronomia ”