Fyzika · Základní škola · kapitola 4

Práce, energie a teplo

Energie je schopnost konat práci. Nelze ji vyrobit z ničeho ani zničit – jen se mění z jedné formy na jinou: chemická energie benzinu na pohybovou energii auta, energie Slunce na teplo a elektřinu.

1Mechanická práce a výkon

Práci koná těleso, které působí silou na jiné těleso a posune ho ve směru síly:

W = F · s   [joule, J = N · m]

Když nosíme tašku po rovině, z fyzikálního hlediska (téměř) žádnou práci nekonáme – síla působí svisle, ale posun je vodorovný. Při zvedání tělesa o výšku h vykonáme práci W = m · g · h.

Výkon udává, jak rychle se práce koná:

P = W / t   [watt, W = J/s]   ·   1 kW = 1 000 W

Člověk podá trvalý výkon asi 100 W, auto 50–150 kW. Starší jednotkou je koňská síla (1 k ≈ 735 W). Žádný stroj nepracuje beze ztrát – účinnost η = P_výkon / P_příkon je vždy menší než 100 % (elektromotor až 95 %, automobilový motor asi 30 %).

2Mechanická energie

• Polohová (potenciální) energie – má ji těleso zvednuté nad zemí: E_p = m · g · h. Voda v přehradě, zvednuté beranidlo.
• Pohybová (kinetická) energie – má ji pohybující se těleso: E_k = ½ · m · v². Závisí na druhé mocnině rychlosti – auto ve dvojnásobné rychlosti má čtyřnásobnou energii a potřebuje asi čtyřnásobnou brzdnou dráhu.
• Energii má i napjatá pružina, luk nebo natažený gumový provázek (energie pružnosti).

Zákon zachování energie: energie nevzniká ani nezaniká, jen se přeměňuje. Při kývání kyvadla se polohová energie mění na pohybovou a zpět; kyvadlo se postupně zastaví, protože část energie se třením změní na teplo. Proto nelze sestrojit perpetuum mobile.

3Vnitřní energie a teplo

Částice látek se neustále pohybují. Součet jejich pohybové a polohové energie je vnitřní energie tělesa. Čím vyšší teplota, tím rychleji se částice pohybují. Vnitřní energii můžeme zvýšit konáním práce (tření dlaní, pumpování kola zahřívá pumpičku) nebo tepelnou výměnou.

Teplo Q je energie, kterou si tělesa předávají při tepelné výměně – vždy z teplejšího na chladnější, dokud se teploty nevyrovnají. Teplo potřebné k ohřátí látky:

Q = m · c · Δt

kde c je měrná tepelná kapacita – teplo potřebné k ohřátí 1 kg látky o 1 °C. Voda má velmi vysokou hodnotu (4 200 J/(kg·°C)), proto se pomalu ohřívá i chladne – moře zmírňuje podnebí a voda se hodí do radiátorů.

4Šíření tepla

• Vedení – v pevných látkách předávají částice energii sousedům. Kovy jsou dobré vodiče tepla (lžička v horkém čaji se zahřeje), dřevo, plasty, vzduch a polystyren jsou izolanty.
• Proudění – v kapalinách a plynech stoupá teplejší (lehčí) tekutina vzhůru a chladnější klesá (topení v místnosti, vítr, mořské proudy).
• Záření – přenos energie elektromagnetickým (tepelným, infračerveným) zářením, i vakuem – tak k nám přichází teplo ze Slunce. Tmavé povrchy záření pohlcují, světlé a lesklé odrážejí (termoska, záchranná fólie).

Zateplení domů, dvojitá okna a peří či vlna v oblečení využívají izolačních vlastností vzduchu.

5Změny skupenství

Při tání látka přijímá teplo, ale její teplota se nemění, dokud neroztaje celá (led taje při 0 °C). Teplo potřebné k roztání se nazývá skupenské teplo tání. Při tuhnutí se stejné teplo uvolní. Vypařování probíhá při každé teplotě z povrchu kapaliny a ochlazuje ji (pocení, mokré prádlo), var probíhá v celém objemu při teplotě varu. Při kapalnění (kondenzaci) se teplo uvolňuje – rosa, zamlžené brýle.

6Tepelné motory

Tepelné motory mění vnitřní energii paliva na mechanickou práci. Parní stroj (James Watt, 18. století) odstartoval průmyslovou revoluci. Spalovací motory: zážehový (benzinový – čtyřdobý cyklus sání, komprese, výbuch, výfuk, směs zapaluje svíčka) a vznětový (naftový – palivo se vznítí stlačením, Rudolf Diesel). Dále parní turbíny v elektrárnách a proudové a raketové motory. Spalování fosilních paliv však produkuje CO₂ a znečišťuje ovzduší.

7Zdroje energie

Nejlevnější a nejčistší je energie, kterou vůbec nespotřebujeme – šetření, zateplení, úsporné spotřebiče.

8Kvíz – procvič si kapitolu