F07 - ENERGIA WEWNĘTRZNA GAZU

podstawa programowa: fizyka klasa VIII – Energia wewnętrzna gazu

 Do doświadczenia potrzebujesz:

Co?

Skąd?

Ile kosztuje?

 strzykawka 10 ml

 apteka

1 zł

 zapalniczka  masz w domu -
 szklanka 2 szt.  masz w domu  -
 talerz ceramiczny
 masz w domu  -
 czajnik
 masz w domu -
  lodówka  masz w domu -

Cena całego zestawu: 1 zł

Przebieg eksperymentu:

  1. Nabierz powietrze do połowy strzykawki.
  2. Trzymając nad talerzem strzykawkę, nadtop płomieniem z zapalniczki wylot (dzióbek) od strzykawki – tak aby się zlepił i w ten sposób strzykawka została szczelnie zamknięta.

UWAGA! Wystarczy krótka chwila trzymania dzióbka w płomieniu. Nie przegrzej go – bo się cały stopi i zapali!

  1. Napełnij jeden kubek wodą i wstaw na kilka godzin do lodówki.
  2. Zagotuj wodę w czajniku i wlej do drugiego kubka.
  3. Zanurzaj strzykawkę na przemian w kubkach z zimną i gorącą wodą. Obserwuj ruchy tłoka.

UWAGA! Trzymaj strzykawkę za skrzydełko u wylotu cylindra bez dotykania tłoka – tak aby tłok mógł się swobodnie poruszać.

UWAGA! Staraj się nie dotknąć palcami gorącej wody, aby się nie oparzyć.

 

UWAGA: film z pokazanym eksperymentem przeznaczony jest najpierw dla rodzica.

Młody naukowcu - nie psuj sobie zabawy! nie oglądaj filmu ani nie czytaj poniżej zamieszczonego wyjaśnienia przed wykonaniem eksperymentu pod okiem rodzica.

 

TEORIA

Najpierw powtórka:

Przypomnij sobie zagadnienia z ciśnienia z klasy VII. Możesz w tym celu przypomnieć sobie doświadczenia: F01, F02, F03.

 

Co wyszło w eksperymencie?

Po włożeniu do gorącej wody tłok wysuwał się z cylindra strzykawki, a po włożeniu do zimnej wody wsuwał się.

Co to znaczy, że coś jest gorące?

Co to znaczy, że woda jest gorąca? Znaczy to, że jej cząsteczki poruszają się bardzo energicznie – posiadają wysoką energię kinetyczną w porównaniu z cząsteczkami na przykład naszej skóry. Im większa energia kinetyczna cząsteczek budujących jakiś obiekt (ciało / układ), tym większa temperatura tego obiektu. Temperatura właśnie wskazuje na energię kinetyczną cząsteczek.

Gdy zanurzymy rękę do gorącej wody, cząsteczki wody uderzają z impetem w cząsteczki naszej skóry. Cząsteczki naszej skóry w wyniku tych uderzeń również zaczynają się gwałtownie poruszać. Nawet jeśli nie mogą przemieszczać się tak swobodnie, jak cząsteczki wody w płynnej wodzie, to po prostu bardzo mocno drgają, obijając się o sąsiednie cząsteczki, które też zaczynają mocno drgać. W ten sposób rośnie temperatura naszej skóry – skóra się nagrzewa.

Jeżeli zetkniemy dwa ciała o różnych temperaturach, to cząsteczki z ciała o wyższej temperaturze będą przekazywać część swojej energii kinetycznej cząsteczkom ciała o niższej temperaturze. Proces ten będzie trwał, aż temperatury obu ciał się wyrównają – energie kinetyczne cząsteczek w obu ciałach będą takie same.
Dokładniej mówiąc, chodzi o średnią energię kinetyczną (liczoną podobnie tak jak liczysz średnią z ocen) – energie kinetyczne pojedynczych cząsteczek mogą się różnić, ale średnia energia kinetyczna cząsteczek w obu ciałach będzie właśnie taka sama.

Proces przepływu energii z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze nazywamy cieplnym przepływem energii. W skrócie: przepływem ciepła.

Ponieważ nie jesteśmy w stanie obserwować energii kinetycznej poszczególnych cząsteczek (bo są za małe i jest ich za wiele), wyższą energię kinetyczną cząsteczek odczuwamy właśnie jako wyższą temperaturę.

Mówimy też, że jeżeli wzrosła temperatura danego ciała, to wzrosła energia wewnętrzna tego ciała. Wzrosła, gdyż zwiększyła się energia kinetyczna cząsteczek, ale właśnie ponieważ nie możemy obserwować ich pojedynczych energii kinetycznych, ten rodzaj energii nazywamy energią wewnętrzną.

Zwróć uwagę, że nie możemy powiedzieć, że energia wewnętrzna przepływa zawsze z ciała o wyższej energii wewnętrznej do ciała o niższej energii wewnętrznej. Możemy tylko powiedzieć, że energia wewnętrzna przepływa zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Na przykład, jeśli wrzucimy gorący kamień do chłodnego basenu, to energia przepłynie z kamienia do basenu, mimo że basen ma wyższą energię wewnętrzną niż kamień (bo co prawda cząsteczki wody basenowej mają niższą energię kinetyczną niż cząsteczki kamienia, ale za to cząsteczek wody jest o wiele więcej).

 

Czy może przepływać zimno?

To, że ciało jest zimniejsze od innego ciała, oznacza tylko tyle, że cząsteczki zimniejszego ciała mają mniejszą energię kinetyczną. Energia przepływa zawsze z ciała cieplejszego do chłodniejszego. Z ciała zimniejszego nie przepływa żadne „zimno”.

Jeśli wychładzamy się, wychodząc na przykład w zimę na dwór, oznacza to tylko tyle, że naszym ciałem zaczynamy podgrzewać otaczające nas powietrze, a tym samym cząsteczki naszego ciała tracą część swojej energii. Proces ten będzie trwał, aż temperatury powietrza i naszego ciała się wyrównają. Ponieważ otaczającego nas powietrza jest mnóstwo, to nie jesteśmy w stanie naszym ciałem zauważalnie ogrzać otaczającego nas powietrza i w rezultacie z naszego ciała cały czas odpływa ciepło. Gdybyśmy pozostali na mrozie bardzo długo, w końcu byśmy zamarzli – nasza temperatura zrównałaby się z temperaturą powietrza..

Wynika z tego ciekawy wniosek – o ile możemy wyobrazić sobie praktycznie dowolnie mocno rozgrzany jakiś kawałek materii (na przykład „kawałek Słońca”), który by potężnie rozgrzał (lub wręcz zniszczył) olbrzymi teren, to nie jest możliwe, aby mały kawałek materii wychłodził jakiś wielki obszar. Z prostego powodu – podgrzewać materię możemy bez ograniczeń, zaś schłodzić możemy ją tylko do momentu, aż ustanie ruch cząsteczek (ich energia kinetyczna będzie zerowa – materia będzie mieć zero stopni w skali Kelwina). Nawet jak byśmy wrzucili schłodzoną prawie do zera stopni Kelwina dużą bryłę lodu do jeziora, to jezioro tylko nieznacznie by się ochłodziło.

Mamy więc złą wiadomość dla fanów filmu Disneya „Kraina Lodu” – w naszym prawdziwym świecie Elza nie byłaby w stanie zamrozić całej krainy, choćby sama była zmrożona do zera absolutnego.

 

Dlaczego tłok w strzykawce się przesuwał?

Wróćmy do naszego eksperymentu. Strzykawka włożona do gorącej wody nagrzewa się. Poprzez ścianki strzykawki nagrzewa się również uwięzione w niej powietrze. Cząsteczki powietrza uzyskują wyższą energię kinetyczną, a więc poruszają się szybciej i z większą siłą uderzają o ścianki strzykawki (również w jej tłok). Wzrost siły działającej na daną powierzchnię oznacza zwiększenie ciśnienia. Ponieważ w wyniku ogrzania powietrza wzrosło jego ciśnienie, to jest teraz ono wyższe, niż otaczające strzykawkę ciśnienie atmosferyczne. Tłok zaczyna się wysuwać, powietrze w strzykawce rozrzedzać i jego ciśnienie się zmniejszać, aż znowu zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym.

Sytuacja się odwraca, gdy włożymy strzykawkę do zimnej wody. Tym razem to cieplejsze powietrze ogrzewa zimniejszą wodę. Cząsteczki powietrza wewnątrz strzykawki, poprzez ścianki strzykawki, przekazują energię cząsteczkom zimniej wody. Ponieważ cząsteczki powietrza wewnątrz strzykawki tracą część swojej energii kinetycznej, to zaczynają poruszać się wolniej, a więc słabiej uderzają o ścianki strzykawki i ciśnienie uwięzionego w strzykawce powietrza się zmniejsza. Tym razem to ciśnienie atmosferyczne (jako większe) zaczyna wpychać tłok strzykawki, w wyniku czego powietrze w strzykawce ulega zagęszczeniu – zwiększa się jego ciśnienie, aż znowu zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym.

 

Ciekawostka

Wysuwający się tłok może wykonać jakąś pracę (na przykład coś popchnąć). To zjawisko – rozszerzanie i kurczenie się gazu pod wpływem temperatury, wykorzystują wszystkie silniki cieplne. Te znane Ci z historii – maszyny parowe, ale również te współczesne – spalinowe. Zjawisko to ma więc kolosalne znaczenie praktyczne, a zrozumienie go pozwoliło ludziom zbudować pierwsze maszyny i doprowadziło ludzi do współczesnej technologii. Bez maszyn napędzanych silnikami byłoby to niemożliwe.

 

Co powinieneś zapamiętać

  • Ciepło przepływa zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.
  • Przepływ ciepła jest jednym ze sposobów zwiększenia energii wewnętrznej ciała.
  • Jeżeli wzrasta temperatura gazu zamkniętego w jakimś szczelnym pojemniku, to wzrasta jego ciśnienie.
  • I odwrotnie – wraz ze spadkiem temperatury maleje ciśnienie gazu.

****

Więcej o energii wewnętrznej możesz przeczytać tu: https://zpe.gov.pl/a/energia-wewnetrzna-cieplo-zmiany-energii-wewnetrznej-spowodowane-wykonywaniem-pracy-i-przeplywem-ciepla/DxKGPhjN4

lub obejrzeć na przykład tu: https://pistacja.tv/film/fiz00032-energia-wewnetrzna-i-temperatura-przekazywanie-ciepla

O energii kinetycznej możesz przeczytać tu: https://zpe.gov.pl/a/energia-mechaniczna-i-jej-rodzaje/D1FHC6F8f

lub obejrzeć na przykład tu: https://pistacja.tv/film/fiz00022-energia-kinetyczna

O związku temperatury z energią kinetyczną cząsteczek możesz przeczytać tu: https://zpe.gov.pl/a/temperatura-i-jej-zwiazek-z-energia-kinetyczna-czasteczek/D3tmqauws