Toplina, rad i unutarnja energija

Toplina

Toplina je energija koju možemo dovoditi ili odvoditi termodinamičkom sustavu. Toplinu možemo prenijeti na tri načina: konvekcijom (strujanjem), kondukcijom (vođenjem), radijacijom (zračenjem). Radijacija je prenošenje topline elektromagnetskim zračenjem, konvekcija ili strujanje se zapaža prilikom miješanja fluida različitih temperatura, a vođenje je prijelaz topline između tijela koja su u izravnom kontaktu (dodiruju se). Toplinu označavamo slovom $Q$, a mjerna jedinica je Džul [J].

Specifični toplinski kapacitet $c$ je veličina koja govori koliko je topline potrebno dovesti/oduzeti tijelu mase 1 kg da bismo mu promijenili temperaturu za 1 K.

$\lambda$ je specifična latentna toplina taljenja, a $r$ specifična latentna toplina isparavanja i one su jedinstvene za svaku tvar. Latentne topline taljenja i isparavanja nam govore koliko je topline potrebno dovesti određenoj masi tvari da bismo ju rastalili (ili kristalizirali) te da bi ona isparila (ili kondenzirala).

Richmannovo pravilo

Kada u direktni kontakt stavimo dva tijela različitih temperatura, količina topline koju hladnije tijelo primi od toplijeg jednaka je količini topline koju toplije tijelo preda hladnijem - Richmannovo pravilo.

Kada tijelo više temperature stavimo u kontakt s tijelom niže temperature uspostaviti će se toplinska ravnoteža na temperaturi koju zovemo ravnotežna temperatura $T_R$. U računu uvijek oduzimamo manju temperaturu od veće što znači da u izrazu za toplinu kod hladnijeg tijela koristimo $T_R - T_1$. Toplijem je tijelu početna temperatura bila veća od ravnotežne pa koristimo $T_2 - T_R$.

Rad plina (p-V graf)

Rad koji obavlja plin je pozitivan i karakterizira ga povećanje volumena (ekspanzija). Rad koji se vrši nad plinom uzrokuje smanjenje volumena (kompresija) plina i taj je rad negativan.

U p-v grafu promjena stanja idealnog plina, rad predstavlja površinu ispod grafa. Računamo ga po formuli:

Unutarnja energija

Unutarnja energija je zbroj kinetičke i potencijalne energije. Kod idealnog plina zanemarujemo međudjelovanje čestica što znači da je unutarnja energija jednaka zbroju svih kinetičkih energija čestica toga plina. Kinetička energija svake čestice je proporcionalna temperaturi i ona iznosi:

Plin se sastoji od $N$ čestica pa je njegova unutarnja energija jednaka:

$k_B$ je Boltzmanova konstanta i ona iznosi $1.38 \cdot 10^{-23} \mathrm{J/K}$.