1. No category

fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 95
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 96
Lovski pes izsledi zajca, ker ta pušča za sabo sled. Z zrnci hipermangana
obarvamo vodo v kozarčku; še v litru vode se opazi sled te barve. Vonj
slastne pečenke nas zvabi v kuhinjo. Vonj po ocvrtih ribah še dolgo
ostane v stanovanju.
Vse to se dogaja zato, ker so snovi, ne glede na agregatno stanje, zgrajene iz
velikega števila majhnih delcev, ki se neprestano gibljejo.
Doslej smo telesa opisovali kot celoto, sedaj pa si bomo ogledali njihovo
notranjo zgradbo in spremembe, ki se dogajajo v snovi.
Že v stari Grčiji so domnevali, da je svet zgrajen iz majhnih delcev. Grški
filozof Demokrit si je predstavljal, da pri deljenju velikega kosa železa na
vedno manjše dele pridemo do delcev, ki so ne-deljivi in tako majhni, da
jih ni moč videti. Imenoval jih je atomi, saj grška beseda atomos pomeni
nedeljiv.
Snovi v naši okolici so iz atomov, ionov ali molekul. Molekule različnih
snovi se med seboj razlikujejo po zgradbi, velikosti, masi in silah, ki
učinkujejo med njimi. Molekule iste snovi so med seboj enake.
Snovi se razlikujejo po trdoti, trdnosti, topnosti, prožnosti, stisljivosti in
drugih lastnostih.
Plin zapolni ves prostor v balonu.
Veja je prožna.
Voda ima gladino.
Lastnosti snovi
S spoznavanjem zgradbe snovi lahko pojasnimo vrsto pojavov, ki jih zaznamo v svoji okolici, saj
zgradba snovi odloča o fizikalnih in kemijskih lastnostih snovi. Fizikalne lastnosti snovi so na primer
trdota (diamant razi kremen, torej je trši od kremena), trdnost (steklo ni trdno, ker se slabo upira
spremembi zunanje oblike, soli so trde, toda krhke), prožnost (guma je bolj prožna kakor steklo),
stisljivost (olivno olje je bolj stisljivo kakor voda, plini bolj kakor kapljevine), viskoznost (olje je bolj
viskozno kakor voda), električna prevodnost (kovine in elektroliti prevajajo električni tok), toplotna
prevodnost (kovine bolje prevajajo toploto kakor nekovine), sijaj (jeklo odbija svetlobo) in druge.
Kemijske lastnosti so na primer topnost, gorljivost, eksplozivnost.
96
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 97
Železo, aluminij, kristali kuhinjske soli ali modre galice so trdnine pri
sobni temperaturi. Led je trdnina pri temperaturi, nižji od 0° C. S posebnimi postopki lahko trdninam spremenimo obliko.
Sestavni delci ali gradniki trdnin so atomi, ioni ali molekule, ki imajo
določene ravnovesne lege, okrog katerih nihajo. Trdna telesa imajo zato
določeno obliko.
Diamant je na primer zgrajen iz atomov ogljika, guma pa iz zapletenih
molekul.
Led se na soncu stali. Železo priteče iz plavža. Zaradi segrevanja postane
nihanje delcev v trdnini tako živahno, da delci zapustijo svoje prvotne
ravnovesne lege; trdnina se spremeni v kapljevino.
Zaradi večje gibljivosti delcev se kapljevine lahko pretakajo, nimajo
stalne oblike, prilagodijo se obliki posod ter napravijo gladino. Ker je
med delci malo praznega prostora, so kapljevine slabo stisljive.
Ocena velikosti molekule olja
Kanimo majhno kapljico olivnega olja na mirno gladino vode, ki smo jo potresli z otroškim pudrom
ali z zdrobljeno kredo. Olje se razleze po gladini in nastane velik madež. Debelina madeža ne more
biti manjša od debeline ene
same molekule. Z lupo ocenimo,
da je prostornina kapljice
0,1 mm3. Madež je velik 10 dm2.
Izračunamo, da je premer
molekule kvečjemu 10–6 mm.
Izračunajmo še prostornino
ene molekule. Privzemimo, da
ima obliko kocke. Koliko
molekul je v 1 mm3 olja?
Prostornina molekule olja je 10–18 mm3. V 1 mm3 olja je 1018 molekul.
97
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 98
Luža na cesti se posuši. Hitreje se bo posušila v toplem in vetrovnem vremenu. Kinetična energija molekul se zaradi segrevanja poveča in
nekatere molekule se iztrgajo iz kapljevine. Kapljevina se spreminja v
plin.
Molekule plina se prosto in neurejeno gibljejo v vseh smereh s hitrostjo
več sto metrov na sekundo. Tako je pri temperaturi 25° C povprečna
m
m
hitrost proste molekule vodika 2000 , proste molekule kisika pa 500 .
s
s
Molekule med gibanjem trkajo z drugimi molekulami ali ob steno
posode. Skupna kinetična energija molekul se pri tem ohranja.
Privlačne sile med oddaljenimi molekulami so zelo majhne v primerjavi
s silami med bližnjimi molekulami v trdnih snoveh in kapljevinah.
Razdalje med molekulami so velike, zato so plini tako stisljivi.
Z gibanjem molekul lahko pojasnimo pojav, ki ga imenujemo difuzija.
V čašo nalijemo gost sadni sirup. Na sirup previdno nalijemo vodo. Med
vodo in sirupom nastane ostra meja. Počasi se meja med sirupom in
vodo zabriše, ker se molekule sirupa in vode samodejno pomešajo.
Difuzija je mešanje dveh ali več vrst kapljevin ali plinov zaradi gibanja
molekul.
Model za prikazovanje delcev v trdnini, kapljevini in plinu
Molekule in atomi so tako majhni, da jih ne vidimo niti z mikroskopom. Za lažjo predstavo o njihovi razporeditvi in medsebojnih
vplivih si pripravimo modele. Dokaj dober ravninski model za
prikazovanje zgradbe snovi naredimo s tekočim detergentom.
Tanko plast malo razredčenega detergenta nalijemo v večjo posodo
in ga spenimo. Ko se zračni mehurčki razporedijo v eni plasti po
gladini, začnemo posodo rahlo premikati sem in tja. Tudi mehurčki
se tako premikajo. Oblika, velikost in lega posameznega mehurčka
glede na sosednje ostaja nespremenjena. Mehurčki se vedejo
podobno kakor molekule oziroma atomi v trdninah.
Hitreje premikajmo posodo. Kaj opazimo? Od roba posode proti
notranjosti se premikajo skupine mehurčkov, tako da ostane plast
mehurčkov nepoškodovana. Gibljejo se neurejeno, podobno kakor
molekule v kapljevinah.
V posodo prilijemo toliko vode, da sega razredčena raztopina od 5
do 6 cm visoko, in malo počakamo. Veliko mehurčkov poči, drugi
pa se v majhnih skupinah razmikajo. Skupine mehurčkov ponazarjajo razporeditev molekul v plinu.
98
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 99
Gibanje molekul
Botanik Robert Brown (1773–1858) je prvi proučeval gibanje
molekul v kapljevinah in plinih. Z mikroskopom je opazoval
gibanje drobnih zrnc cvetnega prahu v vodi. Ugotovil je, da se
zrnca neurejeno gibljejo sem ter tja.
Fizik Albert Einstein je skoraj 100 let pozneje ta pojav razložil kot
trke vodnih molekul z zrnci.
Tako neurejeno gibanje delcev zaradi trkov z molekulami imenujemo Brownovo gibanje.
Zakaj imamo pline v zaprtih posodah in zakaj so posode vedno polne?
V čašo vode stresi nekaj zrnc hipermangana. Kaj opaziš?
Zrak se segreje od 5° C do 20° C. Molekule zraka se pri višji temperaturi gibljejo:
a) enako hitro kakor pri nižji temperaturi,
b) hitreje kakor pri nižji temperaturi,
c) počasneje kakor pri nižji temperaturi.
Katere od naštetih snovi so pri sobni temperaturi in normalnem tlaku trdnine, katere so kapljevine in
katere plini?
Železo, bencin, zrak, voda, baker, kisik, les, papir, živo srebro, aceton.
V katerih primerih gre za pojav difuzije?
a) Vonj po palačinkah te privabi v kuhinjo.
b) Kozarec ostane moker, ko izlijemo iz njega vodo.
c) Utekočinjen plin v jeklenki izpareva, ko z njim kuhamo.
č) Sladka smetana, okrašena s pisanimi sladkornimi mrvicami,
se v nekaj urah obarva z barvo mrvic.
Rešitev križanke je pojem, značilen za gradnike trdnin, kapljevin in plinov.
1
2
3
4
5
6
7
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Šesti element periodnega sistema kemijskih elementov.
Delci, iz katerih so zgrajeni elementi.
Priimek botanika, ki je opazoval trke molekul vode z zrnci cvetnega prahu.
Lastnost, ki je pri diamantu večja kakor pri lesu.
Snovi, ki so močno stisljive.
Prehajanje delcev soli v vodo brez mešanja.
Sestavljene so iz atomov.
99
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 100
Preden se poženemo v vodo, nas zanima njena temperatura. Podatke o temperaturi zraka nam največkrat sporočajo meteorologi
ali avtomatske meteorološke postaje prek javnih občil. Kadar smo
bolni, si merimo temperaturo. Ali je temperatura pečice pravšnja
za peko kruha, nam pove signalna lučka, ki ugasne pri izbrani
temperaturi.
Včasih moramo oceniti temperaturo. Gospodinja največkrat kar z
roko, ki jo pomoli v krušno peč, ugotovi, ali je peč pripravljena za
peko potice. Mama se z ustnicami dotakne otrokovega čela, če
sumi, da ima otrok povišano temperaturo. S podlahtjo preveri
ustreznost temperature vode za kopanje dojenčka. Temperaturo
teles ocenimo s čutnicami v koži, ki jih je največ na ustnicah, jeziku in podlahteh.
podatki o temperaturi vode in zraka
na kopališču
Temperaturo teles pa lahko tudi izmerimo. Priprava za merjenje
je termometer.
preverjanje ustreznosti
temperature vode
podatek o temperaturi zraka
na digitalnem zaslonu
Anders Celsius (1701–1744),
švedski astronom
Bil je profesor astronomije in
ravnatelj observatorija.
Preučeval je polarni sij in ga
povezal s spremembami v
zemeljskem magnetnem polju.
S prostim očesom je po siju
poskušal določiti velikost
zvezd. Njegov največji dosežek
je temperaturna lestvica, ki
deli razdaljo med lediščem in
vreliščem vode na termometru
na sto enakih delov. Najprej je
ledišče označil s 100, vrelišče
vode pa z 0. Pozneje je lestvico
obrnil.
100
tališče
0° C
vrelišče
100° C
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 101
Vemo že, da so snovi zgrajene iz molekul, ki se neprestano gibljejo. To gibanje je povezano s
kinetično energijo molekul. Pri segrevanju se hitrost molekul veča, pri ohlajanju pa manjša. Do
katere temperature lahko ohladimo neko snov?
Lord Kelvin je na podlagi izkušenj pri ohlajanju plinov domneval,
da lahko snov ohladimo do –273,16° C. Pri tej temperaturi naj bi
bila kinetična energija plinskih molekul nič. Pozneje so ugotovili,
da velja to za vsako snov, zato je predlagal, naj se ta temperatura
privzame za absolutno ničlo. To je najnižja mogoča temperatura,
ki se ji lahko samo približamo. Absolutni ničli so se približali na
milijoninko stopinje.
Znak za temperaturo je velika črka T. Enota je en kelvin, K. V
praksi je pogosto v rabi Celzijeva temperaturna lestvica in enota
stopinja Celzija, ° C. Uporabljali bomo obe enoti. Temperaturo T
bomo odčitali v ° C, temperaturno spremembo ΔT pa v K. Temperaturna sprememba v ° C je po velikosti enaka temperaturni
spremembi v K.
William Thomson,
lord Kelvin (1824–1907),
škotski matematik in fizik
Zgleda
Na pokrovu lončka za jogurt piše: Pri temperaturi pod 8° C
uporaben do ... Koliko K je to?
temperatura v kelvinih = temperatura v stopinjah Celzija + 273 stopinj
T = 8° C + 273 K = 281 K
Voda je imela pred segrevanjem temperaturo T1 = 20° C, po segrevanju pa temperaturo T2 = 62° C.
Za koliko se je segrela?
ΔT = T2 – T1
ΔT = 62° C – 20° C = 42 K
Voda se je segrela za 42 K.
Ocena temperature
Več učencev naj oceni temperaturo vode, ki teče iz vodovodne pipe.
Temperaturo vode izmerite s termometrom in primerjajte rezultat
meritve z rezultati ocenjevanja. Kaj ugotovite? Ocenjene vrednosti
se med seboj zelo razlikujejo. Do razlik pride zaradi pomanjkanja
izkušenj z merjenjem temperature, različni deli telesa so tudi
različno občutljivi za temperaturo. Kako varljivi so naši občutki, ugotovimo v kopališču, ko izpod hladnega tuša skočimo v toplo vodo.
Čisto drugače oceni temperaturo te vode kopalec, ki skoči vanjo po
daljšem sončenju.
Na oceno temperature vpliva tudi snov, iz katere je telo, in še kaj.
101
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 102
Termometri
Za merjenje temperature lahko izkoristimo katerokoli lastnost snovi,
ki se spreminja s temperaturo. Poznamo več vrst termometrov:
kapljevinske, plinske, električne, bimetalne in druge. Bimetalni,
kapljevinski in plinski termometri izkoriščajo raztezanje in krčenje
snovi. Električnim termometrom se zaradi temperaturnih sprememb
spreminja električna prevodnost ali pa izkoriščajo termoelektrične
lastnosti kovin.
Termometer kaže svojo lastno temperaturo. Da bi pravilno pokazal
temperaturo merjenca, moramo počakati toliko časa, da se temperatura termometra izenači s temperaturo merjenca. Sodobni termometri izmerijo temperaturo telesa v trenutku.
S katerimi pridevniki lahko izrazimo temperaturno stanje neke snovi?
Toplo, mehko, tekoče, vroče, zdrizasto, hladno, mlačno,
ledeno, svetleče, žareče, strupeno, hladilno, vlažno, vrelo.
Voda, ki priteče iz pipe, ima 18° C. Segrejemo jo do
100° C. Kolikšna je temperaturna sprememba vode?
Izberi kraj z najvišjo in kraj z najnižjo temperaturo zraka.
Slovenj Gradec
Celje
Novo mesto
Murska Sobota
15° C
291 K
17° C
287 K
Zakaj nam je v Postojnski jami pozimi prijetno toplo,
poleti pa nas zebe?
Ali je res?
a) Vsak kapljevinski termometer pred uporabo stresemo,
da spravimo kapljevino nazaj v bučko.
b) Temperatura snovi se spremeni za 25 K, če jo segrejemo od 36° C do 61° C, ali od 718° C do 743° C, pa tudi če
jo ohladimo od 208° C na 183° C, ali od -97° C na -122° C.
c) Pozimi je v vinskih kleteh mrzlo, poleti pa vroče.
č) Temperaturo železa, ki ga segrevamo, lahko ocenimo
po njegovi barvi.
102
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 103
Nekatere šolske zgradbe so zelo razpotegnjene. Na določenem mestu je reža, ki omogoča raztezanje in krčenje zgradbe. Pravimo, da stavba diha. Take reže, ki omogočajo raztezanje teles, so tudi
med dvema tirnicama, med betonskima ploščama na cesti, med šipo in okenskim okvirom. Pri
večjih mostovih leži nosilec cestišča na eni strani na valjih, da se lahko razteza in krči, na drugi
strani pa je čvrsto vpet v temelje mostu. Plinovodi, toplovodi, naftovodi in cevi za centralno kurjavo
imajo namesto rež zavoje.
V napravo, kakršno vidiš na sliki, vpnemo železno palico. Pod njo
prižgemo špirit in opazujemo, kaj se dogaja s palico. Ker spremembe dolžine palice niso vidne, opazujemo kazalec. Kazalec se
premika, zato sklepamo, da se palica razteza in prek vzvoda premika kazalec. Ko ogenj ugasnemo, se palica krči, mehanizem pa
zaradi lastne teže potiska kazalec v začetno lego.
Kaj opazimo, če segrevamo še enako dolgo bakreno in aluminijasto palico? V enakem času je podaljšek bakrene palice večji,
aluminijaste pa še večji kakor bakrene in železne.
Železniške tirnice nekoč in danes
Pred nekaj desetletji so vse proge gradili tako, da so med posameznimi tirnicami puščali do 20 mm široke reže. Tako položene tirnice
so se pri temperaturah med -30° C in +65° C prosto krčile in raztezale. Niso dovoljevale velikih hitrosti in osnih pritiskov. Na progi in na
podvozjih vlakov je zaradi tako položenih tirnic nastajala velika
škoda.
Danes gradijo proge za večje hitrosti in večje osne pritiske. Tudi do 300 m dolge kose položenih tirnic
zvarijo na terenu v neprekinjen zvarjen tir. Zvarjene tirnice čvrsto privijejo na lesene ali betonske
prage. Trenje med tirnico in pragom, ki je večje od 12 kN, preprečuje raztezanje in krčenje tirnic.
Vožnja po njih je zato tišja in mirnejša.
103
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 104
Različne snovi se različno raztezajo.
Zgled
Najmanj kolikšno režo morajo pustiti gradbeniki med 100 m
dolgo betonsko ploščo mostu in temeljem mostu, če upoštevajo
temperaturno razliko 40 K?
Preglednica temperaturnih
raztezkov
(raztezki 1m dolgih palic
iz različnih snovi,
če jih segrejemo za 1 K)
snov
invar*
steklo
beton
jeklo, železo
baker
led
medenina
aluminij
Iz preglednice razberemo, da se metrski kos betonske plošče
podaljša za 0,012 mm, če se segreje za 1 K. Torej se 100 m dolga
plošča podaljša za 1,2 mm, če je temperaturna razlika 1 K. Če pa je
temperaturna razlika 40 K, se plošča podaljša za 48 mm. Torej morajo gradbeniki pustiti najmanj 48 mm široko režo za dihanje mostu.
raztezek
[mm]
0,001
0,009
0,012
0,012
0,017
0,05
0,019
0,023
*Invar je zlitina jekla in približno
36 % niklja. Uporabljajo jo za izdelovanje znanstvenih instrumentov, ker se zelo malo razteza in
krči. Ime invar je izpeljano iz
besede invariabilen, kar pomeni
nespremenljiv.
Telesa pa se ne raztezajo samo
v dolžino, temveč tudi prostorsko. O tem se lahko prepričamo s poskusom z obročem in
kroglico. Obroč in kroglica sta
iz iste kovine, kroglica pa mora
biti tako velika, da jo brez težav
spustimo skozi obroč, dokler je
hladna. Nato kroglico segrejemo nad svečo in jo poskusimo
potisniti skozi obroč. Kroglica
se je zaradi raztezanja povečala, zato obstane na obroču.
Čez nekaj časa se ohladi in
skrči ter pade skozi obroč.
Kaj se zgodi, če segrevamo
kroglico in obroč hkrati? Vročo
kroglico brez težav potisnemo
skozi obroč, saj se tudi obroč
razteza, kakor da bi bila njegova odprtina zapolnjena s
snovjo.
Kakor se ene snovi pri segrevanju raztezajo, se nekatere druge krčijo. To velja na primer za gumo
in nekatere umetne mase.
104
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 105
Uporaba temperaturnega raztezanja in krčenja
Raztezanje kovin uporabimo
največkrat pri napravah za
samodejno regulacijo temperature. Temperaturni regulatormedenina
ji ali termostati so naprave, ki
železo
grelec
skrbijo za to, da je temperatura stanovanja, likalnika,
pečice, vode v bojlerju in radiatorjih, valilnice za piščance
enaka stalni izbrani vrednosti.
Nekateri termostati imajo
vgrajen bimetal. To je kovinski
trak, narejen iz dveh različnih
kovin, zvarjenih po dolžini. Pri
segrevanju se ena kovina bolj
razteza kakor druga, zato se
trak ukrivi. Kovina z večjim
raztezkom je na zunanji strani
krivine. Ko se bimetal ukrivi, se prekine električni krog in s tem električni tok skozi grelnik. Trak se
nato ohladi, zravna in vnovič sklene električni krog.
V stekleno bučko nalijemo obarvano vodo in jo zapremo z gumijastim zamaškom, ki ima vstavljeno stekleno cevko. Zamašek
potisnemo v bučko, tako da sega obarvana voda v cevko.
Označimo gladino vode v cevki in vodo segrevamo. Kmalu opazimo, da se gladina vode v cevki zviša. Voda se je raztegnila,
povečala se ji je prostornina.
Bučko nato postavimo na mizo in počakamo, da se voda ohladi.
Gladina vode v cevki se zniža, ker se voda pri ohlajanju krči.
Raztezanje kapljevin
Kapljevinam se prostornina pri segrevanju poveča, pri ohlajanju pa zmanjša. To lastnost kapljevin
izkoriščajo kapljevinski termometri. Če se alkohol in živo srebro segrejeta za 1 K, se prostornina
alkohola poveča za 0,0011, živega srebra pa za 0,00018 celotne prostornine.
Ker se kapljevine raztezajo, posod nikoli ne napolnimo do vrha. Motorno olje nalijemo v motor avta
največ do oznake »max«.
Raztezna posoda pri centralni kurjavi omogoča raztezanje vode v napeljavi.
105
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 106
Anomalija vode
Graf kaže spreminjanje prostornine živega srebra in vode v odvisnosti od temperature. Živo srebro se pri segrevanju ves čas
razteza. Voda se od 0° C do 4° C krči, od 4° C naprej pa se razteza,
zato ima voda pri 4° C največjo gostoto. Ta pojav imenujemo anomalija vode.
Led ima večjo prostornino kakor voda. Voda napolni razpoke v
skalah, v zorani zemlji, v asfaltu na cesti in zamrzne. Zaradi večje
prostornine ledu se razpoke povečajo. Po otoplitvi se krušijo skale,
zemlja in asfalt pa se drobita.
-10° C
Z anomalijo vode je povezano
ohranjanje življenja v jezerih in
morjih, ki pozimi zamrznejo.
Voda se ob gladini ohlaja, zato
se spušča proti dnu. Ta proces
traja, dokler nima vsa voda
v jezeru temperaturo 4° C.
Pri nadaljnjem ohlajanju
zgornje redkejše plasti vode
zamrznejo.
0° C
4° C
Stekleno bučko zapremo z
zamaškom, ki ima vstavljeno
cevko. Cevko potopimo v čašo
z vodo, bučko pa objamemo z
rokama. Iz cevke se v vodo dvigajo mehurčki zraka. Zakaj?
Bučko z rokama segrevamo.
Zrak v bučki se zaradi segrevanja razteza, veča se mu prostornina in zato izhaja.
Nato bučko polijemo s hladno vodo. Kaj se zgodi? Voda iz posode se dvigne v cevko. Zrak v bučki
se ohladi in skrči. Tlak v njej se zmanjša, zato zunanji zračni tlak potisne vodo v cevko.
Različne snovi se različno raztezajo. Raztezanje snovi je povezano z gibanjem molekul ne pa s
spremembo njihove velikosti. Najmanj se raztezajo trdnine, bolj kapljevine in najbolj plini.
106
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 107
Tlak plina je posledica trkov molekul plina ob stene posode.
V preveč napolnjeni zračni
blazini se na soncu tlak zraka
še poveča in blazina lahko
poči.
Višja temperatura – večja hitrost
molekul, večji tlak.
Napihnjena blazina se v morju
»zmehča« – tlak zraka v njej
se zaradi ohladitve zmanjša.
V avtomobilski gumi se tlak
povečuje, ko vanjo tlačimo
zrak.
Večja masa pri isti prostornini – več
trkov molekul ob steno posode,
večji tlak.
Iz avtomobilske gume spustimo nekaj zraka – tlak v njej se
zmanjša.
V injekcijski brizgi je zrak. Bat
potisnemo do sredine brizge
in jo zapremo.
Bat potisnemo globlje – tlak v
brizgi se poveča.
Manjša prostornina pri isti masi – več
trkov ob steno posode, večji tlak.
Bat izvlečemo – tlak v brizgi
se zmanjša.
107
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 108
Odgovori na vprašanja.
a) Zakaj žice med drogovi visijo ohlapno?
b) Zakaj kovinski zamašek na steklenici laže odviješ, če ga prej segreješ v topli vodi?
c) Zakaj beton ojačijo z železom in ne s katero drugo kovino?
č) Zakaj ležaje segrejejo, preden jih nasadijo na os?
d) Zakaj gospodinja ugotovi, da je v ponvi preveč olja, šele takrat, ko je olje že vroče?
e) Zakaj na embalaži raznih razpršilcev piše, da je ne smemo vreči v ogenj, niti ko je prazna?
V preglednici z raztezki kovin na str. 104 poišči najustreznejši kovini za izdelavo bimetala.
Zakaj si se tako odločil?
Kaj bi se zgodilo, če bi bimetal ohlajali, namesto da ga segrevamo? Na kateri strani krivine
bi bila kovina z manjšim raztezkom?
Imamo dva termometra z enako veliko bučko in enako debelino cevke. V enem je živo srebro,
v drugem pa alkohol z enako prostornino. Kateri termometer ima daljšo stopinjo in zakaj?
Termometra se razlikujeta le po širini cevke, v kateri se razteza kapljevina. Kako vpliva
širina cevke na dolžino stopinje? Ali moraš upoštevati tudi raztezanje stekla?
Včasih so polagali tirnice tako, da so med dvema 24-metrskima kosoma pustili režo. Kako
široko režo so pustili, če so jih polagali pri temperaturi 20° C in upoštevali, da se v poletni
vročini segrejejo največ do 70° C?
108
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 109
Na štedilniku segrevamo vodo za čaj. Vodi se zaradi segrevanja
viša temperatura. Višanje temperature je znak, da se vodi veča
energija. Povečala se ji je notranja energija. Znak za notranjo
energijo je Wn . Merimo jo v joulih, J, tako kakor delo.
Čim višjo temperaturo ima telo, tem več ima notranje energije, in
nasprotno. Sprememba temperature je največkrat pokazatelj
spremembe notranje energije.
V nadaljevanju bomo izvedeli, kako telesu spremenimo notranjo
energijo.
O notranji energiji
Spoznali smo že, da se molekule ali atomi izbrane snovi neprestano bolj ali manj gibljejo, v plinu in
kapljevinah po prostoru, ki ga zavzemajo, v trdninah pa le okoli svojih ravnovesnih leg. To je termično
gibanje. Pri plinih imamo opravka samo s kinetično energijo molekul, pri kapljevinah in trdninah pa
zaradi medmolekularnih sil še s prožnostno energijo.
Namesto opisanega govorimo o notranji energiji snovi.
Od mraza premrle roke si lahko ogrejemo ob skodelici vročega čaja. Vodo v loncu segrevamo na
plinskem gorilniku. Martinček se greje na soncu. Voda v ribniku se pozimi ohlaja in na površju zamrzne. Peči temnih barv bolj sevajo kakor peči svetlih barv.
109
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 110
Telesa pri segrevanju prejemajo toploto, pri ohlajanju pa jo oddajajo. Znak za toploto je črka Q. Merimo jo v joulih, J, tako kakor
delo in energijo. Telo z višjo temperaturo oddaja toploto telesu z
nižjo temperaturo. Zaradi prejemanja ali oddajanja toplote se telesom spremeni notranja energija.
Naredimo poskus.
V posodo nalijemo vročo vodo in izmerimo njeno temperaturo. V
vodo damo srednje velik hladen kamen, ki smo mu pred tem
izmerili temperaturo. Počakamo nekaj minut. Kamen vzamemo iz
vode ter izmerimo temperaturo kamna in temperaturo vode. Primerjamo rezultate meritev. Voda se je ohladila, kamen se je segrel.
Telesu, ki toploto prejme, se zveča notranja energija in z njo navadno temperatura. Telesu, ki toploto oddaja, pa se notranja energija zmanjša in z njo navadno temperatura.
Toplota lahko prehaja s telesa na telo na tri načine: s prevajanjem, z mešanjem snovi ali konvekcijo in s sevanjem.
Naredimo poskus.
K enemu licu prisloni košček stiropora, k drugemu pa porcelanast krožniček. Kaj občutiš? Stiropor se zdi topel, porcelan pa
hladen, zato domnevamo, da ima stiropor višjo temperaturo. Če z
električnim termometrom izmerimo temperaturo obeh teles, pa
ugotovimo, da sta temperaturi enaki. Kljub temu je bil naš občutek drugačen. Kako to razložimo?
Obe snovi imata na začetku nižjo temperaturo kakor lice in se ob
dotiku z licem segrevata. Porcelan se hitreje segreva, ker je dober toplotni prevodnik in hitreje prevaja toploto z lica. Stiropor je
slab toplotni prevodnik. Počasneje prevaja toploto in je zato dober toplotni izolator.
Toplota prehaja s telesa na telo s prevajanjem.
Naredimo poskus.
Na vročo kuhalno ploščo postavimo lonec z vodo. Vanj obesimo
dva enaka termometra. Z enim merimo temperaturo vode pri dnu,
z drugim pa malo pod gladino. Čeprav bi pričakovali, da bo termometer ob dnu kazal višjo temperaturo kakor termometer ob
gladini, pa termometer ob dnu kaže manj. Kako to razložimo?
Voda pri dnu se segreje in se pri tem razteza. Gostota se ji manjša
in s tem se poveča vzgon nanjo, zato se vroča voda dviga proti
gladini, na njeno mesto pa priteka hladna. Voda kroži in se meša.
Kapljevine in plini se segrevajo s kroženjem in mešanjem. To
imenujemo konvekcija.
110
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 111
Naredimo poskus.
Vzemimo dve enaki plastenki, eno pobarvajmo z belo, drugo pa s
črno barvo. Vanju obesimo termometra, tako da bo bučka termometrov pod pobarvano mejo. Plastenki postavimo za nekaj
časa na sonce. V obeh večkrat odčitajmo temperaturo zraka.
Obenem izmerimo zunanjo temperaturo zraka. Meritve pokažejo,
da je temperatura zraka v plastenkah večja kakor zunanja.
Plastenki sta se ogreli s toploto, ki jo seva Sonce. Zrak v notranjosti plastenk se je segrel zaradi konvekcije. Zakaj je temperatura zraka v črni plastenki višja od temperature zraka v beli
plastenki? Temna telesa sprejmejo več toplote, bela pa manj.
Segreta temna telesa sevajo toploto v okolico. Telesa, ki sevajo, se
ohlajajo.
Telesa s posrebreno površino sevajo zelo malo toplote in jo zelo
malo vpijajo. Notranja posoda termovke je sestavljena iz dveh plasti posrebrenega stekla, med katerima je vakuum. Posrebrena površina in vakuum upočasnjujeta ohlajanje ali segrevanje vsebine.
Ohlajanje stanovanja zmanjšamo
z dvojnimi stekli, med katerimi je
plin argon.
Ptiček se pozimi našopiri.
Zrak med perjem upočasni
ohlajanje njegovega telesa.
Peči so navadno temne, da bolje
sevajo toploto.
Iz termovke toplota uhaja veliko
počasneje, kakor iz navadne
steklenice.
S prižgano svečo prikaži, da zrak v sobi kroži. Kam
moraš postaviti svečo?
Pripravi šest enakih skodelic za čaj ali kavo. Dve
skodelici napolni z vročo vodo do iste višine in v obeh
izmeri temperaturo. Nato vodo iz ene skodelice prelij v prazno
skodelico in po eni minuti ponovno izmeri temperaturo. Tako
nadaljuj s prelivanjem, dokler ne porabiš vseh štirih skodelic.
Nazadnje izmeri temperaturo vode, ki je nisi prelival, in jo primerjaj s končno temperaturo štirikrat prelite vode. Kaj opaziš?
Rezultate meritev zapisuj v preglednico in nariši graf, ki kaže
spreminjanje temperature v odvisnosti od števila prelivanj.
Telesa sevajo toploto.
S posebno kamero lahko
dobimo posnetke, ki prikazujejo razlike v temperaturi na
površini človeškega telesa.
Vsaka barva pomeni določeno
temperaturo. Belo, rumeno in
rdeče obarvani deli so
najtoplejši.
111
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 112
Kaj bi morali v vašem domu glede ogrevanja spremeniti, da bi privarčevali nekaj energije?
Pojasni!
a) Zakaj primemo vroč lonec s krpo, ko ga odstavimo s štedilnika?
b) Zakaj je na sedežih sedežnice penasta guma ali pa so sedeži leseni?
c) Zakaj so smučarska oblačila napolnjena s puhom?
č) Zakaj je potapljaška obleka prepojena z drobnimi mehurčki dušika?
d) Zakaj se poleti oblačimo v svetla oblačila?
e) Zakaj sladoled, ki ga nesemo domov, zavijemo v več plasti papirja?
Termometer visi tako, da je obsijan od sonca. Temperaturo česa kaže? Pojasni.
Andreju bo topleje v noge, če bo obul dva para volnenih nogavic, saj bo
drugi par zmanjšal oddajanje toplote.
Če hočemo vroč lonec odstaviti z grelne plošče štedilnika, ga primemo
s krpo ali gospodinjsko rokavico. Tkanina namreč slabše prevaja toploto in tako preprečuje, da bi se opekli.
Če je čaj prevroč za pitje, ga nekajkrat prelijmo v hladno skodelico.
Za hud mraz so najprimernejša volnena oblačila. Med volnenimi vlakni
se namreč zadržuje zrak, ki je dober toplotni izolator.
Pri gradnji stanovanj je vse bolj pomembno načelo “varčujmo z energijo”. Okna morajo biti dobro zatesnjena, stene izolirane, gradbeni materiali pa taki, skozi katere toplota težje uhaja. Take materiale imenujemo
toplotni izolatorji. Graditelji morajo vedeti, koliko toplote se na sekundo
izgubi skozi določen material.
Toplota, ki jo telo v eni sekundi odda hladnejši okolici ali pa jo iz
toplejše okolice prejme, je toplotni tok. Znak za toplotni tok je črka P
Enak znak uporabljamo za moč.
toplotni tok =
toplota
čas
Q
P= t
J
Enota za toplotni tok je s = W.
112
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 113
Zgled
Električni radiator odda 2,7 MJ toplote v pol ure.
Izračunajmo kolikšen toplotni tok oddaja radiator v okolico.
Q = 2,7 MJ = 2700000 J
t = 0,5 h = 1800 s
P=?
P = Qt
2 700 000 J
1800 s
J
P = 1500 s = 1500 W
P=
Toplotni tok, ki ga oddaja radiator, je 1500 W.
Naštete energijske vire razvrsti glede na količino toplotnega toka, ki ga oddajajo. Začni s tistim, ki
oddaja največji toplotni tok.
sveča
električni radiator
sonce
peč v toplarni
Kolikšno toploto odda grelec v 10 minutah, če je njegova moč 500 W?
Radiator ogreva sobo tri ure s stalnim toplotnim tokom 1500 W.
Koliko toplote pri tem odda?
Likalnik odda pri polurnem likanju 3,6 MJ toplote.
Kolikšen toplotni tok oddaja, če je le ta stalen?
Opravimo nekaj meritev.
Segrevali bomo 0,5 kg vode, 1 kg vode in 0,5 kg suhe mivke.
Pripravljenim snovem izmerimo začetno temperaturo. V ustreznih
posodah jih postavimo na segrete kuhalnike z oznako 450 W, kar
pomeni, da oddaja grelnik vodi ali mivki vsako sekundo približno
450 J toplote. Vodo v obeh posodah med segrevanjem mešamo in
vsako minuto odčitamo temperaturo. Vodo segrejemo do približno
60° C.
Tudi mivko med segrevanjem stalno mešamo. Po dveh minutah posodo odstavimo s kuhalnika in
izmerimo temperaturo. Rezultate merjenj vpisujemo v preglednico in narišemo grafe.
113
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 114
čas [min]
oddana toplota
grelnika [J]
temperatura [° C]
0,5 kg vode
1 kg vode
0
0
20
20
1
27 000
32
27
2
54 000
45
35
3
81 000
57
40
4
108 000
70
46
5
135 000
82
51
6
162 000
57
Graf kaže, kako se vodi zaradi segrevanja povečuje temperatura.
Voda prejme dvakrat več toplote, če jo segrevamo dvakrat dlje,
zato je sprememba temperature ΔT dvakrat večja.
Graf prikazuje odvisnost temperature
vode od časa segrevanja.
Primerjajmo premici, ki kažeta spreminjanje temperature 0,5 kg
in 1 kg vode. Kateri vodi moramo dovesti več toplote, da jo segrejemo za 25 K? Za enako spremembo temperature vode mora 1 kg
vode prejeti dvakrat toliko toplote kakor 0,5 kg. Dovedena toplota
je odvisna tudi od mase snovi.
čas [min]
oddana toplota
grelnika [J]
temperatura [° C]
0,5 kg vode
0,5 kg mivke
20
0
0
20
1
27 000
32
2
54 000
45
3
81 000
57
4
108 000
70
5
135 000
82
90
Primerjajmo premici, ki kažeta večanje temperature pri segrevanju 0,5 kg vode in 0,5 kg mivke. Približno kolikokrat več toplote
prejme voda kakor enaka masa mivke, ko se segrejeta za 25 K?
Voda prejme približno trikrat več toplote. Pravimo, da ima voda
večjo specifično toploto. To je toplota, ki segreje 1 kg snovi za 1 K.
Znak za specifično toploto je mala črka c.
Graf prikazuje odvisnost temperature
vode in mivke od časa segrevanja.
114
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 115
Podatke o specifični toploti različnih snovi najdemo v fizikalnih
J
. S 4200 J
priročnikih. Specifična toplota vode je c = 4200 kgK
toplote segrejemo 1 kg vode za 1 K.
Množina toplote, ki jo telo pri segrevanju prejme, pri ohlajanju pa
odda, je odvisna od njegove mase m in specifične toplote c, ter
razlike temperatur ΔT = (T2 - T1).
toplota = masa • specifična toplota • razlika temperatur
Q = m c ΔT
Zgled
Izračunajmo, koliko toplote prejme 80 l vode v bojlerju, ko se segreje z 20° C na 60° C. Za koliko se poveča energija vode?
m = 80 kg
J
cvode = 4200 kgK
T1 = 20° C
T2 = 60° C
ΔWn = ?
ΔWn = Q = m c ΔT
Q = m c (T2 – T1)
J
Q = 80 kg • 4200 kgK
Q = 13 440 000 J
Q = 13,44 MJ
ΔT = T2 – T1
ΔT = 40 K
•
40 K
Voda je prejela 13,44 MJ toplote. Energija vode se je povečala za
13,44 MJ.
Preglednica specifičnih toplot nekaterih snovi
snov
zrak
alkohol
voda
živo srebro
aluminij
baker
led
medenina
svinec
zlato
železo
[ ]
J
specifična toplota kgK
1000
2430
4200
140
880
390
2100
380
130
130
460
Koliko toplote potrebujemo, da segrejemo 10 kg vode za 1 K?
J
. Kaj nam pove ta podatek?
Specifična toplota alkohola je 2430 kgK
115
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 116
En kilogram vode se ohladi s 100° C na 0° C. Za koliko se vodi zmanjša notranja
energija?
Graf kaže spreminjanje temperature pri segrevanju enakih mas železa in aluminija.
Katera krivulja je za železo in katera za aluminij? Obe kovini sta pri segrevanju prejeli
enako množino toplote.
Baker in neznana kovina imata enaki masi in enaki začetni
temperaturi. Segrevamo ju na istem grelniku do iste temperature. Iz grafa preberi:
a) Približno kolikokrat dlje segrevamo baker kakor
neznano kovino?
b) Kakšno specifično toploto ima neznana kovina v
primerjavi s specifično toploto bakra?
c) Katera bi lahko bila neznana kovina?
Učilnica je dolga 8 m, široka 7 m in visoka 3 m. Koliko toplote bi oddali radiatorji za segrevanje zraka s 17° C na 20° C? Za koliko bi se povečala energija zraka?
Poglej preglednico, v kateri so podatki za segrevanje 0,5 kg mivke, in odgovori na
vprašanja.
a) Koliko toplote je med segrevanjem prejela mivka?
b) Za koliko J se ji je povečala notranja energija?
c) Za koliko K se je segrela zaradi prejete toplote?
č) Izračunaj specifično toploto mivke.
Spomladi je lahko ob lepem sončnem vremenu temperatura zraka na Štajerskem več kakor
30° C, v Piranu pa komaj preseže 20° C. Kaj je vzrok za tako temperaturno razliko?
116
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:32
Page 117
Kos železa, ki ga brusimo z brusilnim strojem, težko držimo v
rokah, saj kmalu postane prevroč. Pri vrtanju jeklenih polizdelkov
ves čas uporabljajo hladilno tekočino. Žago in granitni blok hladijo z vodo. Zobozdravnik hladi z vodo sveder in zob. Tudi pri
žaganju lesa se žaga in les segrejeta.
Telesa, ki jih obdelujemo, in orodja, ki jih pri tem uporabljamo, se
segrejejo. Poveča se jim notranja energija.
To se zgodi tudi takrat, ko se zmotiš pri pisanju in uporabiš
radirko. Poskusi. Nekaj časa radiraj šolsko klop na istem mestu,
tako da radirko z večjo silo pritiskaš ob klop. Potipaj radirko in
klop. Obe sta se segreli.
Vzemi trak aluminijaste pločevine. Na istem mestu ga večkrat
zapored upogni, da se prelomi. Potipaj mesti preloma. Trak se je
segrel.
Ker nobene količine nismo merili, ne moremo povedati, koliko
dela smo opravili. Prav tako ne vemo, kolikšna je sprememba
notranje energije. Naredimo poskus, pri katerem bomo lahko
opravili potrebne meritve in račune.
V cevi, ki je narejena iz dveh
plastenk, je 0,5 kg šiber. Ena
plastenka ima luknjico, da lahko vstavimo čutilnik digitalnega
termometra ali zelo občutljiv
živosrebrni termometer. Izmerimo začetno temperaturo šiber
T1 = 20,9° C. Nato cev 50-krat
obrnemo in izmerimo končno
temperaturo T2 = 22,7° C.
Na koncu poskusa šibre mirujejo na istem mestu kakor na
začetku poskusa, le da so toplejše.
Najmanjša sila, s katero šibre dvignemo pri vsakem obratu, je 5 N. Izmerimo še srednjo višino,
h = 47 cm, za katero dvignemo šibre in izračunamo opravljeno delo.
Delo pri enem dvigu je 5 N. 0,47 m = 2,35 J. Pri 50 dvigih je delo 117,5 J.
Sprememba notranje energije je enaka opravljenemu delu.
ΔWn = A
Enako spremembo notranje energije lahko dosežemo s toploto. Izračunaj, koliko toplote je potrebno, da 0,5 kg svinčenih šiber segrejemo za 1,8 K.
Q = ΔWn
Q = m c ΔT
117
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 118
Stokrat obrnimo plastenki in izmerimo začetno in končno temperaturo. Sprememba temperature
je v tem primeru 3,6 K. Opravljeno delo je dvakrat večje. Iz temperaturne spremembe lahko
napovemo, kolikšno je opravljeno delo in kolikšna je sprememba notranje energije. Tudi štetje
obratov je sedaj odveč.
Ali lahko napoveš, koliko dela opraviš, če mešaš 0,5 kg šiber v toplotno izolirani posodi in se pri tem
segrejejo za 0,6 K? Lahko. Za trikrat manjšo spremembo temperature moramo opraviti 39 J dela.
Telesu lahko spremenimo notranjo energijo z delom ali s toploto.
Poskus s tornim vretenom
Na bakreno vreteno navijemo najlonsko vrvico. Na daljši konec vrvi,
ki visi ob mizi, obesimo petkilogramsko utež. Krajši konec vrvi
pritrdimo z elastiko na nosilec vretena ali pa ga držimo. V notranjost vretena vstavimo termometer in izmerimo temperaturo.
Vreteno 50-krat zavrtimo, tako da navita vrvica drsi po njem. Po
končanem vrtenju vnovič izmerimo temperaturo. Temperaturna razlika je 1,9 K.
Koliko dela moramo opraviti, da dosežemo izmerjeno temperaturno
razliko? Na vreteno deluje sila 50 N, pot te sile pa je 50-krat daljša od
obsega vretena. Iz sile in poti izračunamo delo, A = 50 N•5 m = 250 J.
Izračunajmo še toploto, s katero segrejemo 350 g bakra za 1,9 K.
Q = 0,35 kg • 380
J •
kgK
1,9 K = 239 J
Naše meritve so premalo natančne, da bi se rezultata popolnoma ujemala. Kljub temu lahko
sklepamo, da z delom ali s toploto dosežemo enako spremembo notranje energije.
Izberi dogodke, pri katerih gre v glavnem za spremembo notranje energije podčrtanih teles.
a) Delavec polira izdelek.
b) Viličar dviga težke zaboje.
c) Gospodinja valja testo za rezance.
č) Tina si v vročini hladi obraz, tako da s pahljačo premika zrak pred obrazom.
Katero opravilo ni povezano s spremembo notranje energije telesa, ki je obdelovanec?
Gnetenje, zabijanje, obešanje, pisanje, žaganje, padanje.
V cev, ki smo jo uporabili pri poskusu s šibrami, damo 1 kg šiber s sobno temperaturo in jo
prav tako 50-krat obrnemo.
a) Kolikšna je tokrat temperaturna sprememba?
b) Za koliko se je povečala notranja energija šiber?
c) Cev s šibrami postavimo na mizo. Kaj se dogaja z notranjo energijo šiber?
118
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 119
Puščica se je zadrla v sredino
tarče. Tako tarča kot konica
puščice sta se pri tem segreli.
Testni avto je trčil v oviro in se
ustavil. Strokovnjaki tako preverjajo njegovo varnost. Kinetična energija se mora pri trku
čim bolj enakomerno pretvoriti
v notranjo energijo zvite pločevine. S tem se poveča varnost
potnikov.
Opisana zgleda pokažeta, da moramo pri energijskih pretvorbah upoštevati tudi notranjo energijo.
Pri energijskih pretvorbah smo opisovali padanje in odboj žogice in končali z opisovanjem po
prvem odboju. Zakaj žogica po odboju ne doseže višine, s katere smo jo spustili? Preden odgovorimo na vprašanje, spustimo na mizo še kroglico iz plastelina. Kaj opazimo?
Kroglica se deformira in obmiruje na mizi. Pri deformaciji se malo
segreje. Ta sprememba temperature je neznatna, občutnejša pa
postane, ko kroglico večkrat zapored vržemo ob tla.
Sedaj opišimo energijske pretvorbe pri padanju kroglice iz plastelina. Med padanjem se potencialna energija kroglice pretvarja
v kinetično energijo, ko trči ob tla, pa se kinetična energija
pretvori v notranjo. Če izmerimo povečanje notranje energije
zaradi povišane temperature, ugotovimo, da je tolikšno, kot je
zmanjšanje kinetične energije. Žogica ostane prilepljena na tla,
saj se notranja energija ne pretvori v kinetično.
Pri prožnem odboju se žogica prav tako deformira. Večji del
kinetične energije se pretvori v prožnostno energijo, manjši del
pa v notranjo energijo. Prožnostna energija se ponovno pretvori v
kinetično. Ker je kinetične energije manj, žogica ne doseže višine,
s katere smo jo spustili.
Energija telesa se lahko pretvarja iz ene oblike v drugo. Pri
tem se ohranja vsota kinetične, potencialne, prožnostne in
notranje energije. Skupna energija telesa se ne spremeni. V
takšnih primerih velja zakon o ohranitvi energije.
Dve enaki plastenki skoraj do roba napolni s suho
mivko. Njuni masi naj bosta enaki. Prostor nad mivko
v eni plastenki zapolni z vato. Obe plastenki zapri in ju istočasno
spusti po klancu. Opazuj, kako se kotalita.
a) Ali imata ob vznožju klanca enako hitrost?
b) Kaj se je dogajalo z mivko pri kotaljenju?
c) Opiši, kako se je spreminjala energija posamezne plastenke.
119
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 120
Kroglici, ki se kotali po klancu, se energija pretvarja iz
ene oblike v drugo. V legi A kroglica miruje in ima 1 J
potencialne energije.
a) Kolikšna je energija kroglice v legah B in C?
b) Kolikšna je potencialna in kolikšna kinetična energija
kroglice v legah B in C?
Kamen zalučajmo v zrak v navpični smeri. Upor zraka zanemarimo. Tik pred padcem
na tla ima kamen 15 J kinetične energije. Izračunaj, kolikšna je njegova potencialna
energija v trenutku, ko doseže najvišjo točko.
Domen, ki tehta 50 kg, ima po odrivu s trampolina 625 J kinetične energije.
a) Kolikšno višino lahko doseže, če zanemarimo upor zraka?
b) Za koliko se poveča prožnostna energija trampolina, ko Domen pade nanj in
ga ponovno napne?
Košarkar pri metanju žoge na koš opravlja delo A. Ko žogo dviguje v rokah, ji povečuje tako kinetično kot potencialno energijo.
Velja: A = ΔWk + ΔWp.
Žoga prileti v koš in razpira mrežico. Pri tem mrežica zaustavlja
žogo in opravlja delo. Energija žoge se manjša, A = ΔWk.
Fant obrača cev s šibrami, šibre se segrevajo. Delo, ki ga fant pri
tem opravi, se porabi za povečanje njihove notranje energije
šiber, A = ΔWn, kar kaže sprememba njihove temperature. Enako
spremembo notranje energije lahko dosežemo s toploto, ΔWn = Q.
Opazovanim telesom se je med opazovanjem spreminjala energija. Sprememba energije ΔW je vsota sprememb kinetične, potencialne, prožnostne in notranje energije. Te spremembe so
povezane z delom A ali s toploto Q.
A + Q = ΔW
Telesu se energija spremeni za toliko, kolikor dela in toplote
izmenja z okolico. Zapisali smo energijski zakon.
120
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 121
Nalogo prepiši v zvezek in jo reši.
Sprememba
Oblika energije,
energije je
ki se je v
povezana
glavnem
z delom s toploto
spremenila
Tovor so v skladišču dvignili na najvišjo polico.
Sladoled zmrzuje v zamrzovalni skrinji.
Košarkar meče žogo proti košu.
Nogometni vratar je zaustavil žogo.
Opiši energijsko spremembo telesa, ki je podčrtano. Opiši jo najprej v stavku,
nato še z enačbo.
Zgled: Telovadec raztegne vzmeti.
Telovadec opravi delo, vzmetem se poveča prožnostna energija. Enačba: A = ΔWpr .
a)
b)
c)
č)
d)
e)
Šolsko torbo dvigneš na klop.
Vroč kakao se ohladi.
Telovadec se oprime droga.
Vžigalico podrgneš po vžigalični škatlici.
Atlet sune kroglo. Kroglo opazujemo od začetka gibanja do trenutka, ko zapusti roko.
Krogla podre kegelj.
121
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 122
Led v kozarcu se tali in ohlaja pijačo. V termoelektrarnah uparjajo veliko količino vode. Kadar se dežne
kapljice oprimejo mrzlih vej in zmrznejo, nastane žled. V hladnih pomladnih jutrih je nevarnost slane. Pri likanju
puha iz likalnika para. Kozarec z ledeno mrzlo pijačo se orosi. Stekla v avtu se v hladnih dneh pogosto orosijo. Omenili smo že, da so telesa v naravi v trdnem, kaplje-vinastem in plinastem agregatnem stanju.
Pri dovajanju toplote se trdnina tali, kapljevina izpareva, pri odvajanju toplote se plin zgošča ali kondenzira,
kapljevina pa strjuje. Spremembo agregatnega stanja lahko dosežemo z dovajanjem ali odvajanjem toplote.
V fizikalnih priročnikih najdemo za nekatere snovi podatke o temperaturi tališča in o specifični talilni toploti. Izvemo, da je tališče vode 0° C,
kJ
specifična talilna toplota pa 335 kg
. Kaj to pomeni?
Opravimo meritev.
V čašo damo 10 dag vode s temperaturo 20° C in 5 dag zdrobljenega
ledu. Počakamo, da led ohladi vodo do 0° C, nato začnemo z meritvijo.
Mešanica vode in ledu se segreva od okolice. Pridno mešamo in vsako
minuto odčitamo temperaturo mešanice. Zapisujemo jo v preglednico.
Ko se voda ogreje do 4° C, prenehamo z merjenjem. Po opravljeni meritvi narišemo graf s prikazom odvisnosti temperature od časa.
122
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
čas [min]
temperatura [° C]
0
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0,5
6
1
7
2
8
3
9
4
Page 123
Ves čas taljenja ledu kaže termometer 0° C. To temperaturo
imenujemo tališče. Če mešanico
ledu in vode zelo počasi segrevamo in dobro mešamo, začne temperatura naraščati šele takrat, ko
se ves led stali. Med taljenjem se
zaradi dovedene toplote povečuje
notranja energija ledu. Koliko
toplote smo dovedli 5 dag ledu s
temperaturo 0° C, da se je stalil?
Da stalimo 1 kg ledu s temperaturo 0° C, potrebujemo 335 kJ toplote, za 5 dag pa približno 1,7 kJ.
Pri kateri temperaturi voda zmrzuje? Tudi ta proces poteka pri 0° C. Kadar 1 kg vode zmrzne, odda okolici
335 kJ toplote.
Taljenje in strjevanje sta nasprotna procesa, ki potekata pri isti temperaturi, značilni za vsako snov.
Tališče je odvisno od primesi in tlaka
V čašo damo nekaj koščkov ledu in ga potresemo s soljo. Mešamo, dokler se led ne stali. Če izmerimo temperaturo vode, ugotovimo, da je nižja od 0° C. Temperatura tališča slane vode je nižja.
Dodatek umetnih gnojil ima nasproten učinek. Kje to izkušnjo s pridom uporabljajo? Tekmovalne
proge na smučiščih utrdijo z umetnimi gnojili, da zvišajo tališče. Sneg se zato tudi pri temperaturi
nad 0° C ne tali.
Pod žico se led zaradi povečanega tlaka tali, nad njo pa voda sproti zmrzuje.
123
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 124
Tudi podatke o temperaturi vrelišča in specifični izparilni toploti najdemo v fizikalnih priročnikih. Vrelišče
kJ
vode je 100° C, specifična izparilna toplota pa 2260 kg
.
Opravimo meritev.
V čašo nalijemo vročo vodo in jo segrevamo. Vsako minuto izmerimo temperaturo. Vodo pustimo vreti vsaj tri
minute. Podatke vnesemo v preglednico in narišemo graf.
Med vrenjem se temperatura vode
ne spreminja. Voda prehaja iz
kapljevinskega stanja v plinasto.
Spremembo agregatnega stanja
imenujemo izparevanje. Temperaturo, pri kateri se odvija ta sprememba, imenujemo vrelišče. Da
izpari 1 kg do vrelišča segrete
vode, mora prejeti 2260 kJ toplote.
Če pari še naprej dovajamo toploto, se ji povečuje temperatura. S
paro se zato lahko bolj opečemo
kakor z vrelo vodo. Pri ohlajanju se
vodna para pri temperaturi
vrelišča zgosti v kapljevino.
čas [min]
temperatura [° C]
0
60
1
76
2
86
3
91
4
94
5
96
6
98
7
99
8
99
9
99
10
99
Zmanjšanje tlaka zniža vrelišče vode
Pri poskusu z izparevanjem vode smo ugotovili, da lahko voda vre pri temperaturi, ki je manjša od
vrelišča vode, navedenega v preglednici. Na Triglavu vre voda že pri 90° C. Vrelišče je odvisno od
zračnega tlaka. Podatek v preglednici velja za normalni zračni tlak. Z zmanjšanjem tlaka se vrelišče zniža.
Vakuumsko posodo do polovice napolnimo s toplo vodo. Posodo zapremo in z zračno razredčevalko
ali vakuumsko črpalko izsesavamo zrak. S črpanjem zraka se tlak v zraku nad vodo v posodi manjša
in voda začne vreti. S termometrom izmerimo temperaturo vode in ugotovimo, da je veliko nižja od
vrelišča vode pri normalnem zračnem tlaku.
Zvečanje tlaka zviša vrelišče vode
V loncu na pritisk (ekonom loncu) pripravimo hrano veliko hitreje
kakor v navadnih posodah. Pokrov lonca preprečuje izhajanje pare.
Tlak v loncu se zato poveča in vodo je mogoče segreti do višje temperature kakor v odprti posodi. Hrana se tako v loncu na pritisk
kuha pri višji temperaturi, zato je čas kuhanja precej krajši. Vrelišče
je odvisno tudi od primesi. Slana voda ima višje vrelišče.
Izhlapevanje
Kapljevine ne prehajajo iz kapljevinastega v plinasto agregatno stanje samo pri temperaturi vrelišča.
To se lahko zgodi že pri temperaturi, ki je veliko nižja. Pojav imenujemo izhlapevanje. Tudi za izhlapevanje je potrebna toplota. Voda lahko izhlapeva, dokler zrak ne postane nasičen. Topel zrak lahko
sprejme več vlage kakor hladen. Perilo se najlepše suši v toplem in vetrovnem vremenu. Nasprotno
pa lahko nagla ohladitev zraka povzroči meglo ali izločanje odvečne vlage v obliki padavin. Megla je
pogostejša v industrijskih krajih, kjer je v zraku veliko prašnih delcev. Ti postanejo kondenzacijska
jedra, okrog katerih se hlapi zgostijo v kaplje.
124
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 125
Preglednica specifičnih talilnih in izparilnih toplot s podatki za tališče in vrelišče
snov
specifična talilna
kJ
toplota kg
[ [
voda
železo
aluminij
alkohol
živo srebro
335
293
400
105
12
tališče
[° C]
specifična izparilna
kJ
toplota kg
vrelišče
[° C]
0
1530
659
–114
–38,9
2260
3050
9220
846
285
100
6300
2300
78
357
[ [
Voda ima veliko toplotno kapaciteto
To pomeni, da za taljenje ledu ali segrevanje vode potrebujemo veliko toplote. Zato je spomladi hladno tako dolgo, dokler se v hribih ne stalita led in sneg. Ob morjih in velikih jezerih voda preprečuje
hitre spremembe temperature, saj se počasi segreva in počasi ohlaja. Toplotno kapaciteto vode izkoriščajo sadjarji in vinogradniki pri obrambi pred spomladanskimi pozebami. Ponoči ali v zgodnjih
jutranjih urah, ko pade temperatura pod 0° C, pršijo cvetove in mlade poganjke z vodo. Cvetove in
liste obda tanka plast ledu. Pri nastajanju ledu se sprošča toplota, ki ščiti cvetove in poganjke pred
ohlajanjem. Nasad škropijo, dokler obstaja nevarnost pozebe.
Ali je res?
a) Kadar perilo zmrzne, se posuši tako, da led preide v plinasto stanje.
b) Pri normalnem tlaku se led tali pri 0° C, voda pa zmrzuje pri nekoliko nižji temperaturi.
c) Da stalimo 1 kg ledu in nato vodo izparimo, potrebujemo (335 + 2260) kJ toplote.
č) V Sibiriji se spusti živo srebro v termometru tudi do –57° C.
d) Temperatura vode se spreminja, če ji dovajamo ali odvajamo toploto, pa tudi če izhlapeva.
Nariši graf spreminjanja temperature vode od taljenja do
izparevanja. Led se je talil 2 minuti, voda se je segrevala
15 minut, 3 minute pa je vrela.
Grafa kažeta spreminjanje agregatnega stanja alkohola in
aluminija.
Ugotovi, kateri graf pripada kateri snovi in za katero spremembo
agregatnega stanja gre.
a)
Zakaj se mrzla steklenica orosi, ko jo vzamemo iz hladilnika?
Ali se v hladnem vremenu okenska stekla orosijo iz istega razloga?
Tuje zveneča imena in priimki so premetanke pojmov iz tega
poglavja. Kateri pojmi se skrivajo v njih?
b)
NJEZŠČOGA REPA
PAZINJEVERA ODEV
GANTOGERA SANTJE
SPEČIFINCA TLOPATO
SOTALUNBA LAČNI
125
fizika1 8r_9-5in6pogl.qxd
30/8/12
14:33
Page 126
Notranja energija telesa se spreminja zaradi dela ali toplote.
Čaj in skodelica se v hladni vodi ohlajata. Drejčkova zadnjica in drsna
ploskev tobogana se segrejeta.
Opazovanim telesom se spreminja
temperatura.
Snežak se tali. Sneg se segreje do tališča. Zaradi prejete toplote se veča
notranja energija snežaka, večanje notranje energije pa se kaže s spreminjanjem agregatnega stanja snega.
K notranji energiji štejemo tudi kemično energijo. Ta se spreminja pri
kemičnih reakcijah. Pri gorenju se spreminja kemijska zgradba snovi.
Ta se spreminja tudi takrat, ko koncentrirano žvepleno kislino po kapljicah
zlivamo v vodo, ko se natrijeve soli v umetnem gnojilu raztapljajo in hladijo okolico, pri gnitju, pri presnavljanju hrane ter pri praznjenju baterij
in akumulatorjev. Pri jedrskih reakcijah, kot so cepitve težkih jeder v jedrskih elektrarnah, ali pri zlivanju lahkih vodikovih jeder v helijeva v središču Sonca, se spreminja jedrska energija.
Na primer:
• kemična energija akumulatorja se pretvori v električno energijo,
• kemična energija smodnika se pretvori v kinetično energijo izstrelka,
• notranja energija hrane se pretvori v toploto človeka ali živali ter energijo mišic,
• jedrska energija urana se po zapleteni poti pretvori v električno energijo,
• notranja energija premoga se pretvori v notranjo energijo pare, ta pa v kinetično energijo lokomotive,
• jedrska energija Sonca se po zapleteni poti pretvori v energijo fosilnih goriv, v kinetično energijo
zraka, v potencialno energijo vode ...
Spremembe notranje energije prepoznamo po spremembi temperature, po spremembi agregatnega stanja
ali po spremembi kemijske zgradbe snovi.
126