Šiluminis judėjimas. Vidinė energija.

Šiluminio judėjimo metu dalelės juda nuolat, visomis kryptimis ir skirtingais greičiais, susiduria ir keičia judėjimo kryptį. Jis niekada nenutrūksta, o jo intensyvumą lemia temperatūra.

Mechaninis judėjimas – tai viso kūno kaip visumos padėties kitimas kitų kūnų atžvilgiu: visos kūno dalelės kartu pasislenka ta pačia kryptimi. Pavyzdžiui, ant stalo gulinčio obuolio mechaninio judėjimo nėra, bet jo dalelės šiluminiu judėjimu juda. Jei obuolį metame, jis juda ir mechaniškai, o jo dalelių šiluminis judėjimas nuo to nepasikeičia.

Kylant temperatūrai, dalelių vidutinis greitis ir vidutinė kinetinė energija didėja, o temperatūrai krintant – mažėja. Sakome „vidutiniškai“, nes tą pačią akimirką skirtingos dalelės juda skirtingais greičiais.

Abiejuose puodeliuose yra ta pati medžiaga (skystas vanduo) ir masė vienoda ($150\mathrm{g}$), todėl dalelių skaičius vienodas. Skiriasi tik temperatūra. Karštesniame vandenyje molekulės vidutiniškai juda greičiau, todėl jų kinetinių energijų suma didesnė. Taigi didesnė ir $65{}^{\circ }\mathrm{C}$ vandens vidinė energija.

Vidinė energija priklauso nuo temperatūros, masės, medžiagos ir agregatinės būsenos. Pakėlus rutulį, nė vienas iš šių dydžių nepakito: dalelės juda taip pat greitai ir sąveikauja taip pat. Pakėlus padidėjo rutulio kaip viso kūno potencinė energija $E_{\mathrm{p}}=F_{\mathrm{s}}h$, bet tai mechaninė energija, o ne vidinė.

Išleidus dalį oro, inde liko mažiau oro molekulių. Temperatūra nepakito, todėl likusios molekulės vidutiniškai juda taip pat greitai kaip anksčiau. Kai molekulių mažiau, jų energijų suma mažesnė. Todėl inde likusio oro vidinė energija mažesnė, nei buvo prieš išleidžiant orą.

Masė ir temperatūra vienodos, todėl dalelių skaičius vienodas ir jų vidutinė kinetinė energija ta pati. Skiriasi agregatinė būsena. Kad $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ ledas virstų $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ vandeniu, jam reikia suteikti energijos, nors lydantis temperatūra nekinta. Ši energija padidina dalelių tarpusavio sąveikos potencinę energiją (ardoma tvarkinga ledo kristalo sandara). Todėl vandens vidinė energija didesnė už tokios pat masės ir temperatūros ledo vidinę energiją.

a) Nuleidus kaladėlę, sumažėjo jos kaip viso kūno potencinė energija, tačiau temperatūra, masė ir būsena nepakito, todėl vidinė energija liko tokia pati.

b) Vanduo atvėso, todėl jo molekulės vidutiniškai juda lėčiau. Masė ir būsena nepakito, todėl vandens vidinė energija sumažėjo.

c) Padidėjo dėžutės kaip viso kūno greitis, todėl padidėjo jos kinetinė (mechaninė) energija. Dėžutės dalelių netvarkingas judėjimas nepasikeitė, nes temperatūra nepakito, todėl vidinė energija liko tokia pati.

Iš grafiko:

$$t_1=40{}^{\circ }\mathrm{C}:U_1=320\mathrm{k}\mathrm{J}$$

$$t_2=50{}^{\circ }\mathrm{C}:U_2=330\mathrm{k}\mathrm{J}$$

Vidinės energijos pokytis:

$$\mathrm{\Delta }U=U_2-U_1=330\mathrm{k}\mathrm{J}-320\mathrm{k}\mathrm{J}=10\mathrm{k}\mathrm{J}$$

Pokytis teigiamas, todėl oro vidinė energija padidėjo $10\mathrm{k}\mathrm{J}$. Tai sutampa su tuo, kad kylant temperatūrai oro molekulės vidutiniškai juda greičiau (inde uždarytas oras, todėl jo masė nekinta).

Detalės temperatūra pakilo nuo $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ iki $45{}^{\circ }\mathrm{C}$. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo dalelės vidutiniškai juda greičiau, todėl padidėjo jų vidutinė kinetinė energija. Masė (dalelių skaičius) ir agregatinė būsena nepakito, todėl visų dalelių energijų suma, t. y. detalės vidinė energija, padidėjo.

Įpylus dalį vandens į puodelį, termose likusio vandens molekulės juda taip pat greitai kaip ir anksčiau (šilumos nuostolių nepaisome), todėl jo temperatūra nepakito.

Termose liko $600\mathrm{g}-200\mathrm{g}=400\mathrm{g}$ vandens, t. y. mažiau molekulių. Vienos molekulės vidutinė energija tokia pati, bet molekulių mažiau, todėl termose likusio vandens vidinė energija sumažėjo (liko du trečdaliai pradinės vidinės energijos).

Iš grafiko:

$$t_1=30{}^{\circ }\mathrm{C}:U_1=380\mathrm{k}\mathrm{J}$$

$$t_2=50{}^{\circ }\mathrm{C}:U_2=400\mathrm{k}\mathrm{J}$$

Vidinės energijos pokytis:

$$\mathrm{\Delta }U=U_2-U_1=400\mathrm{k}\mathrm{J}-380\mathrm{k}\mathrm{J}=20\mathrm{k}\mathrm{J}$$

Pokytis teigiamas, todėl strypo vidinė energija padidėjo $20\mathrm{k}\mathrm{J}$.