Co łączy pracę, energię i ciepło?

Pytanie

Pyta Marek

Wiadomo że jeżeli kulka kitu spadnie z pewnej wysokości na podłogę to ulegnie ogrzaniu. Czy ciepło wytwarza się tylko wskutek deformacji? Czy praca jaką zużywamy na deformację zawsze zamienia się na ciepło? Przecież jak samochód uderzy w drzewo to mamy tylko deformację nadwozia i ewentualnie huk.

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Ciepło wytwarza się nie tylko wskutek (mechanicznej) deformacji, ale też na przykład wskutek tarcia czy przy pokonywaniu sił oporu w powietrzu w wodzie. By lepiej zrozumieć znaczenie ciepła i pracy warto przytoczyć pierwszą zasadę termodynamiki (o pozostałych zasadach termodynamiki można dowiedzieć się na przykład tutaj).

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii (wewnętrznej) układu jest wynikiem pracy wykonanej nad układem (lub przez układ) oraz dostarczonego (lub pobranego) ciepła. Zarówno praca jak i ciepło są więc formą zmiany energii. Dlaczego pewne procesy zmiany energii nazywamy pracą, a inne wymianą ciepła? Wynika to po części z naszej, ludzkiej, perspektywy. Pracą nazywamy tę część zmiany energii, którą możemy wykorzystać do wykonania pracy. Można powiedzieć, że praca jest wynikiem uporządkowanego przemieszczenia się atomów substancji. Wymiana ciepła jest natomiast związana z chaotycznym, nieuporządkowanym, ruchem atomów. Więcej o cieple i jego przepływie można znaleźć tutaj.

Czy praca jaką zużywamy na deformację zawsze zamienia się w ciepło? Nie, nie zawsze. Przykładem może być rozciągnięcie gumki, czy sprężyny. Rozciągając sprężynę wykonujemy nad nią pracę, czyli zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki rośnie jej energia wewnętrzna. Proces rozciągania nie zmienia jednak za bardzo temperatury sprężyny, a tym samym energia nie jest tracona na ciepło. Wręcz przeciwnie, taka rozciągnięta sprężyna staje się magazynem energii, o czym możemy się przekonać puszczając jeden jej koniec.