2.3.3 Εσωτερική ενέργεια

Όπως είναι γνωστό, στα αέρια τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, με τις ταχύτητές τους και κατά συνέπεια τις κινητικές τους ενέργειες συνεχώς να μεταβάλλονται.

Ορίζουμε ως μέση κινητική ενέργεια [pic] των μορίων του αερίου το άθροισμα των κινητικών ενεργειών Κ1, Κ2, ….ΚΝ των μορίων του αερίου δια του πλήθους των Ν Δηλαδή: [pic] Στα αραιά μονοατομικά αέρια τα μόρια θεωρούνται ως σωμάτια, τα οποία μπορούν να έχουν, μόνο μεταφορική κίνηση. Αυτό σημαίνει πως η μέση κινητική ενέργεια για κάθε μόριο του αερίου αυτού, είναι μεταφορική κινητική ενέργεια. Εάν πολλαπλασιάσουμε τη μέση κινητική ενέργεια [pic] των μορίων του αερίου λόγω της μεταφορικής τους κίνησης με το πλήθος τους Ν, προκύπτει η συνολική κινητική ενέργεια όλων των μορίων του αερίου. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται εσωτερική ενέργεια U και είναι αποτέλεσμα των θερμικών κινήσεων των μορίων του. Δηλαδή: U = N [pic] (2.3.1) Συνεπώς, η εσωτερική ενέργεια των αερίων αποδίδεται στη θερμική κίνηση των μορίων τους, αφού θεωρούμε την αλληλεπίδραση και κατά συνέπεια τη δυναμική ενέργεια, μηδέν. Επιπλέον, πρέπει να τη διακρίνουμε από οποιαδήποτε άλλη ενέργεια που είναι δυνατόν να έχει το αέριο, π.χ. ένεκα της κίνησης του δοχείου στο οποίο περιέχεται. Σημείωση: Στα υγρά και στα στερεά, επειδή τα μόριά τους αλληλεπιδρούν, εκτός από την κινητική έχουν και δυναμική ενέργεια. Έτσι, στην περίπτωση των σωμάτων αυτών, εσωτερική ενέργεια είναι το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας των δομικών τους λίθων.

Θέρμανση ενός σώματος, σημαίνει αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας εις βάρος της εσωτερικής ενέργειας κάποιου άλλου σώματος, του οποίου η εσωτερική ενέργεια μειώνεται και συνεπώς αυτό ψύχεται. Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του ενός σώματος και η ταυτόχρονη μείωση της εσωτερικής ενέργειας του άλλου, συνεχίζονται έως ότου αυτά αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Τη διαδικασία αυτή μπορούμε να τη διαπιστώσουμε πειραματικά με τη βοήθεια της διάταξης που φαίνεται στην εικόνα 2.3.9. Πρόκειται για δυο δοχεία τα οποία περιέχουν νερό σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Το μικρό δοχείο έχει μεταλλικά λεπτά τοιχώματα και περιέχει ζεστό νερό θερμοκρασίας θ1 (σε οC). Το μεγάλο δοχείο έχει κρύο νερό θερμοκρασίας θ2 (σε οC). Στα δύο δοχεία υπάρχουν θερμόμετρα με τα οποία μετράμε τις θερμοκρασίες του νερού των δυο δοχείων. Αρχικά οι θερμοκρασίες είναι θ1 και θ2. Στη συνέχεια η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο Δ1 μειώνεται ενώ αυξάνεται η θερμοκρασία στο δοχείο Δ2. Η μεταβολή των θερμοκρασιών συνεχίζεται έως ότου το νερό στα δυο δοχεία αποκτήσει την ίδια θερμοκρασία. Όσο χρόνο οι θερμοκρασίες είναι διαφορετικές, γίνεται ανακατανομή στις εσωτερικές ενέργειες, το αποτέλεσμα της οποίας το ονομάζουμε “απορρόφηση θερμότητας” από το νερό στο δοχείο Δ2. Όταν οι θερμοκρασίες γίνουν ίσες σταματά η ανακατανομή των εσωτερικών ενεργειών και τότε ούτε προσφέρεται ούτε απορροφάται θερμότητα. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται θερμική ισορροπία.

Μια μητέρα λέει στο παιδί της: α) Κλείσε το ψυγείο, για να μην φύγει η ψύξη. β) Κλείσε την πόρτα του σπιτιού για να μην μπει το κρύο. Να σχολιάσετε τις προτάσεις αυτές.