Најважније из лекције
Енергија: Способност вршења рада или преношења топлоте; јединица је џул (\(\text{J}\)), \(1 \text{ cal} = 4{,}18 \text{ J}\).
Унутрашња енергија (\(U\)): Збир кинетичке енергије кретања (\(E_k = \frac{mv^2}{2}\)) и потенцијалне енергије положаја у пољу сила (\(E_p\)) свих честица унутар система.
Функције стања: Величине (\(U, p, V, T\)) чија вредност зависи искључиво од почетног и крајњег стања система.
Врсте система: Отворен (размењује масу и енергију), затворен (размењује само енергију), изолован (не размењује ни масу ни енергију).
Топлота (\(Q\)): Облик енергије који се спонтано преноси са тела више на тело ниже температуре услед температурне разлике; није функција стања.
Унутрашња енергија (\(U\)): Збир кинетичке енергије кретања (\(E_k = \frac{mv^2}{2}\)) и потенцијалне енергије положаја у пољу сила (\(E_p\)) свих честица унутар система.
Функције стања: Величине (\(U, p, V, T\)) чија вредност зависи искључиво од почетног и крајњег стања система.
Врсте система: Отворен (размењује масу и енергију), затворен (размењује само енергију), изолован (не размењује ни масу ни енергију).
Топлота (\(Q\)): Облик енергије који се спонтано преноси са тела више на тело ниже температуре услед температурне разлике; није функција стања.
Енергија је способност вршења рада или преношења топлоте.
Основна јединица је џул (\(1 \text{ J} = 1 \text{ kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}^2\)). Користе се и килоџул (\(\text{kJ}\)) и мегаџул (\(\text{MJ}\)). Традиционална јединица је калорија (\(1 \text{ cal} = 4{,}18 \text{ J}\)).
Термодинамика је област природних наука која проучава односе између топлотне и других облика енергије.
Претворите вредност од \(50 \text{ cal}\) у џуле (\(\text{J}\)).
Пошто је \(1 \text{ cal} = 4{,}18 \text{ J}\):
\[ 50 \cdot 4{,}18 \text{ J} = 209 \text{ J} \]
Кинетичка енергија (\(E_k\)) јесте енергија коју тело или честица поседује услед свог кретања. Зависи од масе и брзине.
\[ E_k = \frac{m v^2}{2} \]
\(m\) – маса честице или тела, \(v\) – брзина кретања
Потенцијална енергија (\(E_p\)) јесте енергија коју тело или честица поседује својим положајем у одређеном пољу сила (на пример, електрон у привлачном пољу језгра атома).
У гасовима честице поседују кинетичку енергију услед сталног хаотичног кретања, док истовремено електрони унутар атома поседују потенцијалну енергију због привлачења са позитивним језгром.
Унутрашња енергија се означава словом \(U\).
Унутрашња енергија (\(U\)) представља збир кинетичке и потенцијалне енергије свих честица (молекула, атома, јона, електрона) у систему.
Систем је део простора који се испитује, а све изван њега представља околину.
Функције стања су физичке величине чије вредности зависе искључиво од тренутног стања система, а не од пута којим је систем у то стање дошао. То су: унутрашња енергија (\(U\)), притисак (\(p\)), запремина (\(V\)) и температура (\(T\)).
Закон о одржању енергије: Енергија се може размењивати између система и околине кроз рад или преношењем топлоте, али укупна енергија система и околине остаје стална (константна).
Према могућности размене материје (супстанце) и енергије са околином, системе делимо на:
| Тип система | Размена супстанце (масе) | Размена енергије | Пример |
|---|---|---|---|
| Отворен систем | Да | Да | Живи организам, отворена чаша у којој се одвија реакција уз издвајање гаса |
| Затворен систем | Не | Да | Херметички затворена посуда или боца са рекацијом |
| Изолован систем | Не | Не | Идеалан термос са топлим чајем |
Какав је систем отворена епрувета у којој кључа вода?
То је отворен систем јер са околином размењује и енергију (топлоту) и супстанцу (водену пару).
Топлотна енергија се означава са \(Q\) или \(q\).
Топлота је облик енергије који се преноси између система и околине услед разлике у њиховим температурама.
Топлота се спонтано увек преноси са тела/простора више температуре на тело/простор ниже температуре, све док се температуре не изједначе (до успостављања термичке равнотеже).
Топлота није функција стања. Систем не "поседује" топлоту, већ је топлота само енергија у току прелаза.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која од наведених величина није функција стања: запремина (\(V\)), топлота (\(Q\)), температура (\(T\)) или унутрашња енергија (\(U\))?
Одговор: Топлота (\(Q\)). Она представља енергију која се размењује током процеса, а не стање система.
Задатак 2 (средњи): Чаша воде која стоји на столу и хлади се при чему део воде испарава представља какав термодинамички систем? Како би се систем променио ако бисмо чашу чврсто затворили поклопцем?
Одговор:
- Отворена чаша је отворен систем јер губи масу (испаравање) и размењује топлоту са околином.
- Када се стави поклопац, систем постаје затворен систем јер је размена супстанце онемогућена, док се топлота и даље може размењивати кроз зидове чаше.
Задатак 3 (средњи): На основу чега електрон у атому поседује кинетичку, а на основу чега потенцијалну енергију?
Одговор:
- Кинетичку енергију поседује услед свог кретања у простору око језгра атома (\(E_k = \frac{mv^2}{2}\)).
- Потенцијалну енергију поседује због свог положаја у привлачном електростатичком пољу позитивно наелектрисаног атомског језгра.
Задатак 4 (тежак): Хемијска реакција се одвија у добро изолованој посуди (термос-посуди) тако да нема преноса топлоте са околином нити промене масе. Ако се током реакције ослободи енергија која загрева реакциону смешу, шта се дешава са укупном унутрашњом енергијом система?
Одговор: Укупна унутрашња енергија система остаје непромењена (\(\Delta U = 0\)). Пошто је систем изолован, нема размене енергије са околином. Дошло је само до претварања једног облика унутрашње енергије (потенцијалне хемијске енергије веза) у други (кинетичку енергију честица – топлотно кретање).
