216. Energia wewnętrzna ciała w procesie topnienia
Co się dzieje z energią wewnętrzną ciała podczas topnienia?
Gdzie "znika" energia dostarczana do topniejącego lodu, skoro powstała woda ma temperaturę taką samą jak ten lód?
Dlaczego trzeba ogrzewać lód mimo, że ma już temperaturę topnienia?
Dlaczego na dużych jeziorach tak długo jest lód?
Na te pytania spróbujemy odpowiedzieć bez wprowadzania wielu wzorów.
Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznej chaotycznego ruchu wszystkich cząsteczek ciała i energii potencjalnej wzajemnego oddziaływania cząsteczek ciała.
Obliczenie energii wewnętrznej ciała na podstawie tego określenia graniczy z cudem.
Energię wewnętrzną ciała można zdecydowanie łatwiej obliczyć wykorzystując parametry makroskopowe ciała, a przede wszystkim temperaturę.
Dla gazów doskonałych wystarczy znać ilość gazu (w molach) i temperaturę bezwzględną gazu by obliczyć jego energię wewnętrzną.
Dla rzeczywistych ciał stałych i ciekłych możemy łatwo obliczyć zmianę energii wewnętrznej gdy:
1) ciało jest ogrzewane i rośnie jego temperatura bez zmiany stanu skupienia;
2) ciało jest ogrzewane i następuje zmiana stanu skupienia ciała (ciało jest ogrzane do temperatury, w której nastąpi badana zmiana stanu skupienia).
Przykładem sytuacji, gdy następuje wzrost energii wewnętrznej ciała ciekłego bez zmiany stanu skupienia jest ogrzewanie wody (pominiemy parowanie - dla ułatwienia rozwiązania).
Zmiana energii wewnętrznej przejawia się we wzroście temperatury wody. Dla masy m można to zapisać wzorem
(energia wewnętrzna - 1)
W przypadku, gdy ciało zostało ogrzane do temperatury topnienia i dalej jest ogrzewane następuje proces przemiany w ciało ciekłe (ciecz). Lód ogrzany w normalnych warunkach (ciśnienie atmosferyczne równe 1013,25 hPa) będzie się topił, gdy dostarczana będzie energia z zewnątrz. Oznacza to, że energia topniejącego lodu rośnie. Topniejący lód i woda powstała z tego lodu (pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym) mają tę samą temperaturę 0 stopni C,
Ten proces opisać można wzorem
(energia wewnętrzna - 2)
Co się dzieje z dostarczaną energią?
W lodzie cząsteczki wody zajmują ściśle określone obszary przestrzeni - tam wykonują ruchy drgające wokół swoich położeń równowagi. W trakcie dostarczania energii rośnie energia ruchu drgającego aż nastąpi oderwanie cząsteczki od układu innych cząsteczek. Usamodzielniona cząsteczka porusza się dalej ruchem tzw. chaotycznym, bezładnym.
W cieczy cząsteczki przemieszczają się w dużej objętości. Możemy więc, w wielu zagadnieniach. pominąć energię potencjalną wzajemnego oddziaływania cząsteczek. Energia ta jest bardzo istotna przy analizie zjawisk zachodzących w ciałach stałych.
Energia potencjalna wzajemnego przyciągania cząsteczek ma wartość ujemną - układ, jakim jest ciało stałe, jest układem związanym. Do rozpadu układu związanego potrzebna jest energia.
Przy topnieniu rośnie więc całkowita energia cząsteczki, bo rośnie energia potencjalna od wartości ujemnych do wartości praktycznie równej zero.
216.5-2008.03.27
kontakt