"Institute of Educational Policy" Books

Search

Go
Show

1.3 Εσωτερική ενέργεια και θερμότητα

Το 1827 ο Brown παρατήρησε με το μικροσκόπιο ότι κόκκοι γύρης σε μια σταγόνα νερό εκτελούν μια άτακτη και αέναη κίνηση.

Το 1905 ο Einstein απέδωσε αυτή την κίνηση στον αδιάκοπο βομβαρδισμό των κόκκων της γύρης από τα μόρια του νερού. Συμπέρασμα: τα μόρια βρίσκονται σε αδιάκοπη, άτακτη, τυχαία κίνηση.

Το ίδιο παρατηρείται και στα άτομα ή στα μόρια των διάφορων σωμάτων. Σε όποια κατάσταση και αν βρίσκονται εκτελούν και τυχαίες κινήσεις σε μεγαλύτερη ή μικρότερη έκταση, ανάλογα αν είναι αέρια υγρά ή στερεά. Η άτακτη αυτή κίνηση των μορίων ή των ατόμων ενός σώματος ονομάζεται θερμική κίνηση.

Έχουμε μάθει ότι η αρχή διατήρησης της μηχανικής ενέργειας είναι πολύ αποτελεσματική στο να περιγράφει τις μεταβολές της δυναμικής και της κινητικής ενέργειας ενός σώματος.

Υπάρχουν όμως περιπτώσεις κατά τις οποίες η αρχή αυτή δε μας βοηθά. Όταν, για παράδειγμα, εξετάζουμε την περίπτωση μιας σφαίρας μάζας m με ταχύτητα υ, που σφηνώνεται σε ένα ακίνητο σώμα με μάζα Μ και μετά και τα δύο μαζί κινούνται με ταχύτητα V (πλαστική κρούση), παρ' όλο που η αρχή διατήρησης της ορμής ισχύει, η αρχή διατήρησης της μηχανικής ενέργειας (σ' αυτή την περίπτωση μόνο κινητική) παραβιάζεται. (Εικ. 1.18).

Εικ. 1.18 Πλαστική κρούση. (α) Πριν από την κρούση το σώμα βρίσκεται ακίνητο στο δάπεδο, με το οποίο ο συντελεστής τριβής θεωρείται μηδέν. (β) Μετά την κρούση το σώμα μαζί με τη σφαίρα κινούνται με ταχύτητα V, έτσι ώστε η αρχή διατήρησης της ορμής να ισχύει, όχι, όμως, και η αρχή διατήρησης της μηχανικής ενέργειας.

Στο προηγούμενο παράδειγμα (Εικ. 1.18), εν τούτοις, αν μπορούσαμε να μετρήσουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία της σφαίρας και του σώματος πριν και μετά την κρούση, θα τη βρίσκαμε λίγο αυξημένη αμέσως μετά την κρούση. Μήπως αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας των δύο σωμάτων μας παρακινεί να σκεφτούμε ότι υπάρχει σ' αυτά τα δύο σώματα μια άλλη μορφή ενέργειας εκτός της μηχανικής, η μεταβολή της οποίας σχετίζεται με την παρατηρούμενη αύξηση της θερμοκρασίας, έτσι ώστε να ισχύει και σ' αυτή την περίπτωση μια γενικότερη αρχή διατήρησης της ενέργειας. Η απάντηση είναι ναι. Η καινούρια μορφή ενέργειας που υπάρχει σε κάθε σώμα, και που αλλάζει στην προηγούμενη περίπτωση, ονομάζεται εσωτερική ενέργεια και συμβολίζεται με U. Ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της φυσικής του 19ου αιώνα ήταν η καθιέρωση της άποψης ότι κάθε σώμα διαθέτει εσωτερική ενέργεια και ότι η θερμοκρασία του σχετίζεται με το ποσό της εσωτερικής του ενέργειας.

Η εσωτερική ενέργεια περιλαμβάνει τις διάφορες μορφές ενέργειας που έχουν (ή που μπορούν να αποκτήσουν) τα μόρια ενός σώματος.

Π.χ., τα μόρια ενός στερεού μπορεί να έχουν τόσο κινητική ενέργεια λόγω τυχαίας ταλάντωσης περί τη μέση θέση ισορροπίας τους, όσο και δυναμική, λόγω των ελκτικών δυνάμεων που ασκούν το ένα στο άλλο.

Συνεπώς, η τυχαία κινητική ενέργεια των μορίων ενός σώματος, η οποία είναι μέρος της εσωτερικής ενέργειας του σώματος, είναι μεγαλύτερη σε υψηλότερες θερμοκρασίες.