Změny vnitřní energie tělesa
Těleso, které je v klidu se navenek jeví, že nemá žádnou energii. Ale každé těleso je vlastně tvořeno nějakou látkou a ty jsou složeny z částic (atomů nebo molekul), které se pohybují neustálým neuspořádaným pohybem, tzv. tepelným pohybem. Proto mají kinetickou/pohybovou energii Ek. Tento pohyb nevidíme, ale jeho energie je mnohem větší než pohyb celého tělesa, který je viditelný. Může to být pohyb posuvný, kmitavý i otáčivý. Kinetická energie logicky roste s počtem částic.
Částice mají také polohovou/potenciální energii Ep - částice na sebe navzájem působí tzv. intermolekulárními silami, které jsou při malých vzdálenostech odpudivé, při větších přitažlivé. Působení přitažlivých sil mezi částicemi dané látky (jejich soudržnost) se označuje jako koheze. Koheze se projevuje u pevných a kapalných látek, zatímco u plynů se projevuje v daleko menší míře.
Vnitřní energie tělesa U se skládá z celkové pohybové/kinetické a polohové/potenciální energie všech jeho částic. U kinetické i polohové energie částic se jedná o součet absolutních hodnot energie jednotlivých částic. Pokud tedy dvě molekuly míří proti sobě, jejich kinetická energie se pro výpočet U sečte, i když směr mají protikladný.
Vnitřní energii lze měnit 2 způsoby:
- konáním práce - vlivem působení vnějších sil dochází ke změně objemu nebo tlaku soustavy, což vede ke změně kinetické energie částic a tedy i celkové vnitřní energii tělesa. Jde např. o míchání, stlačování, roztahování.
- tepelnou výměnou - změnou teploty dochází ke změně kinetické energie částic. To má za následek změnu celkové vnitřní energie tělesa. Tepelná výměna může proběhnout např. vedením/dotekem - teplo z teplejšího tělesa se přenáší na chladnější tak dlouho, až se teploty obou těles vyrovnají (částice si kmitáním předají svojí pohybovou energii). Stejně tak ochladnou potraviny v chladničce nebo se zahřeje těsto vložené do trouby.
V důsledku neustálého a neuspořádaného pohybu všech částic dochází k difuzi a k tzv. Brownovu pohybu, přičemž intenzita pohybu je tím větší, čím menší jsou rozměry částic a čím větší je teplota prostředí.
Pro vysvětlení pojmů souvisejících s energií se používá termín izolovaná soustava. Je to taková soustava objektů, jež mohou silově či jinak působit na sebe navzájem, ale na které nepůsobí žádné vnější síly či jiné okolní vlivy, tj. nedochází ani k výměně energie (např. tepla) či informace s okolím soustavy. Izolovaná soustava tedy nereaguje s okolím. Stěny jsou naprosto nepropustné, jak pro hmotu, tak pro teplo. Skutečně izolované systémy ve skutečnosti neexistují, ale např. z reálného života by to mohla být termoska (i když i tam po čase kapalina uvnitř klesne na teplotu okolí). Reálné systémy totiž vždy se svým okolím interagují, tzn. reálné systémy jsou vždy otevřené.
Za normálních okolností nemůže být vnitřní energie nulová. Veškerý tepelný pohyb částic ustane až při teplotě absolutní nuly 0 K (−273.15 °C ).
Zákon zachování energie
Zákon zachování energie říká, že celková energie izolované soustavy zůstává konstantní při všech dějích, které v ní probíhají. A také, že energie se může měnit z jednoho druhu na jiný, nelze ji vytvořit ani zničit. Proto součet velikosti práce, které těleso nebo pole vykoná, a vydaného tepla se rovná úbytku jeho energie, která se promění v jinou formu. Např. pokud meteor vstupuje do atmosféry Země, dochází ke tření, které zvyšuje jeho vnitřní energii konáním práce.
Energie se tedy může měnit na práci a naopak. Např. zvednutím míčku z plastelíny do výšky 1 metru vykonáváme určitou práci. Polohová energie tíhová (pozor, nejde o vnitřní energii částic) míčku Ep (m×g×h) je nejvyšší. Jak míček pustíme a padá dolů, zrychluje a stoupá jeho pohybová energie Ek (opět nejde o vnitřní energii částic). S klesající výškou ale klesá jeho polohová energie. Pokud by šlo o ideální děj (volný pád tělesa bez odevzdání jakékoli energie vnějšímu prostředí), součet polohové a pohybové energie by byl vždy stejný a neměnil by se. Měnily by se jenom hodnoty polohové a pohybové energie. Při pádu by ta první klesala a ta druhá zase rostla, takže těsně před dopadem je polohová energie nulová a pohybová maximální (rovna polohové energii před začátkem pádu).
Ve skutečnosti je pohybová energie v okamžiku před nárazem do země o něco menší než polohová energie ve výšce jednoho metru. Část energie byla totiž odevzdaná částicím vzduchu a povrchu plastelíny, když docházelo ke tření (částice se rozkmitaly, vzrostla jejich vnitřní energie) ve vzduchu během pádu. Oboje částice se přitom zahřály. A v momentu dopadu dojde k úplnému zastavení plastelíny (nepředpokládáme, že by se odrazila) a všechnu svoji pohybovou energii odevzdá svým částicím, částicím země a okolního vzduchu. Pokud by plastelína vážila např. 100 g, bylo by to:
Pokud by ve stejném příkladu figuroval míček, který by se po dopadu odrazil do výšky 60 cm, věděli bychom, že 40% své potenciální energie odevzdal částicím svým a částicím okolí.
