Podle zákona zachování energie je součet kinetické a potenciální energie izolované soustavy stálý. Padá–li např. pružný míček volným pádem z určité výšky na vodorovnou podložku, mění se jeho potenciální energie v energii kinetickou tak, že v každém okamžiku je součet obou energií stálý. Všichni však víme, že míček již po prvním odrazu od podložky vystoupí do menší výšky a po několika odrazech se zastaví. Co se stalo s původní potenciální energií? Platí pro tento děj vůbec zákon zachování energie?
James Joule.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.
Ve skutečnosti se potenciální energie míčku přeměňuje na energii částic. Tuto skutečnost fyzici zjistili při zkoumání „tepla“ před 200 lety. Teplo vysvětlovali pomocí lehké neviditelné látky, která přechází z jednoho tělesa na druhé – tzv. fluida. Tato teorie vydržela až do poloviny 19. století, přestože nedokázala vysvětlit např. vznik tepla u tření. Domněnka, že teplo je nějaká zvláštní látka, byla bezpečně vyvrácena pokusy provedenými v 19. století především Jamesem Joulem a Benjaminem Thomsonem (hrabě Rumford). Druhý jmenovaný pozoroval v mnichovské zbrojnici vrtání hlavní děl. Při vrtání vznikalo značné teplo, které dokázalo přivést vodu k varu. Kdyby teplo bylo látka, muselo by se vyčerpat, ale hlaveň se zahřívala pořád. To spíš ukazovalo, že vrtáním se teplo „vyrábí“. Rumford provedl další pokus: zvážil kus ledu, ohřál ho a až roztál, tak zvážil vodu. Led i voda vážili stejně. Teplo tedy nemůže být látka, která by se dala zvážit. Dospěl k závěru, že teplo je jakýsi pohyb uvnitř těles.
Benjamin Thomson, hrabě Rumford.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Podle současných představ souvisí vnitřní energie tělesa s jeho vnitřní strukturou a má tyto složky: kinetickou energii molekul (tepelný pohyb – molekuly se neustále pohybují); potenciální energii molekul (vzájemná poloha částic) a vnitřní energii atomů (např. chemická a jaderná energie).
Vnitřní energie tělesa není obecně konstantní veličinou. Vnitřní energie se mění konáním práce. Ze zkušenosti víme, že při tření dvou těles se zvětšuje jejich teplota. To je způsobeno tím, že částice ležící na styčných plochách se vzájemnými nárazy více rozkmitají a předávají pak část své energie dalším částicím. Proto se zvětšuje teplota obou těles i jejich vnitřní energie. Děje, při nichž se konáním práce mění vnitřní energie tělesa, byly známé již od pravěku (vznik ohně třením). Vnitřní energie tělesa se zvětšuje konáním práce např. při obrábění kovů, při tření čepu v ložisku, při stlačování plynu kompresorem apod. Povrch letadel letících nadzvukovou rychlostí se odporem zemské atmosféry zahřívá na teplotu i několika set °C.
Na vysokou teplotu se při průletu atmosférou zahřívá také povrch raketoplánu. Při návratu na Zemi musí raketoplán proletět vysokou rychlostí atmosférou, čímž se zahřívá na teploty od 300 °C až do 1500 °C. Při takto velkých teplotách by se celý raketoplán roztavil a shořel by, a tak je nutné ho chránit. Největším teplotám musí čelit špička čela a okraje křídel. Proto je celý raketoplán chráněn keramickými dlaždicemi, které vydrží rozmezí teplot od 370 do 1260 °C. Přední část čela a okraje křídel jsou navíc chráněny zesílenou uhlíkovou vrstvou, která odolá i vyšším teplotám než keramické dlaždice. Na méně namáhané části, jako je část trupu či ocas, se používají dlaždice z křemičitých vláken, které odolávají teplotám mezi 370 – 648 °C. Ještě více se při průletu atmosférou zahřívají meteoroidy. Jakmile meteoroid pronikne do atmosféry dochází ke střetům s atomy a molekulami. Povrch meteoroidu se taví, teploty v jeho bezprostřední blízkosti dosahují 2 500 až 3 000 °C.
Přistání raketoplánu Atlantis.
Zdroj: www.nasa.gov.
Vnitřní energie se mění také tepelnou výměnou. Ponoříme–li např. do teplé vody studenější těleso pozorujeme vzrůst teploty tělesa a pokles teploty vody. Po určité době nastane rovnovážný stav, v němž jsou teploty obou těles stejné. Přitom předpokládáme, že voda a těleso tvoří izolovanou soustavu. Obě tělesa jsou při tom v klidu, takže předávání energie se neuskutečňuje konáním práce. Tento děj nazýváme tepelná výměna. Tepelná výměna může probíhat i mezi tělesy, která se navzájem nedotýkají. Odevzdá–li teplejší těleso studenějšímu tělesu tepelnou výměnou energii, říkáme, že teplejší těleso odevzdalo studenějšímu tělesu teplo Q. Přijme–li studenější těleso od teplejšího tělesa tepelnou výměnou energii, říkáme, že studenější těleso přijalo od teplejšího tělesa teplo. Jednotkou tepla je joule (J).
Při tepelné výměně mezi tělesy tvořícími izolovanou soustavu těles platí zákon zachování energie. Ponoříme–li např. do vody v tepelně izolované nádobě těleso o teplotě nižší, než je teplota vody, úbytek vnitřní energie vody se bude rovnat přírůstku vnitřní energie tělesa. Celková vnitřní energie izolované soustavy (tedy tělesa a vody) zůstává konstantní.
Vnitřní energie se může měnit buď konáním práce nebo změnou vnitřní energie. Nejčastěji se však mění oběma způsoby současně. Tuto skutečnost popisuje první termodynamický zákon: Přírůstek vnitřní energie ΔU soustavy je roven součtu práce W vykonané silami, kterými okolní tělesa působí na soustavu, a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě. Zákon můžeme vyjádřit vztahem
Tepelnou výměnou a konáním práce může daná soustava buď přijímat energii od okolních těles, anebo energii okolním tělesům odevzdávat. Jestliže konáním práce či tepelnou výměnou soustava přijímá energii, považujeme práci vykonanou okolními tělesy působícími na soustavu silami a teplo přijaté soustavou za kladné. Jestliže soustava vykonáním práce nebo tepelnou výměnou odevzdává energii okolním tělesům, považujeme práci a teplo za záporné.
První termodynamický zákon lze také formulovat tak, že není možné sestrojit zařízení, tzv. perpetuum mobile prvního druhu, které by vykonávalo práci bez změny své energie nebo energie okolí. Doslova název perpetuum mobile znamená něco, co se stále (samo od sebe) pohybuje. V termodynamice má tento název hlubší význam. Označuje něco, co navíc ještě koná užitečnou práci.
