Det som förändrade synen på värme, var en rad försök som James Joule gjorde under $1840-$ talet. Försöken visade att både mekaniskt och elektriskt arbete kan öka temperaturen i ett ämne. Om energin bevaras kan det betyda att arbetet omvandlas till en energiform som vi kan kalla inre energi. En ökning av den inre energin leder till att temperaturen stiger, utom vid fasändring $($ se s. $201).$

När du ser vatten falla nerför en fors är det inte så svårt att inse att vattnet har energi. Högst upp har vattnet potentiell energi. När vattnet faller, får det högre hastighet och mer kinetisk energi. Men vattnet har också energi oberoende av fallet. Vi vet att vattenmolekylerna är i konstant kaotisk rörelse. Det betyder att de har en inre kinetisk energi. Eftersom vattenmolekylerna dessutom påverkar varandra med krafter har de också en inre potentiell energi. För att dra isär två vattenmolekyler måste vi utföra ett arbete, precis som när vi lyfter en sten i tyngdkraftfältet.

$7.21$ Joules försök. Joule utförde en serie laboratorieförsök med en isolerad vattenmängd. En vikt som föll drev en propeller i vattnet. När strömningarna i vattnet upphörde, visade det sig att vattnet fått högre temperatur. Vattnet hade alltså fått större inre energi.

Inre energi

$7.22$ Ballongen har mekanisk energi och inre energi.

Det är i första hand den inre kinetiska energin som är knuten till temperaturen. Denna energi kallar vi termisk energi. När temperaturen stiger i ett ämne, hänger det ihop med att den termiska energin ökar.

Molekylerna beter sig olika då temperaturen ökar.

$7.23$ a, b, c, d

Nedanstående fyra texter hör till bilderna ovan $($ se Ergo $1,$ s $195).$

I ett fast ämne har molekylerna fasta platser. De hålls fast på sina platser av de elektriska krafterna mellan molekylerna. Men molekylerna vibrerar omkring sina jämviktslägen. Ju kraftigare vibrationerna är, desto större är den termiska energin, och desto högre är temperaturen.

I en vätska är den termiska rörelsen så våldsam att alla molekylband som bildas omedelbart bryts upp igen. Det gör att molekylerna rör sig friare i förhållande till varandra. Förutom att molekylerna rör sig kan de även rotera. Dessutom kan atomerna i molekylen vibrera kring sina jämviktslägen. Alla dessa rörelser räknas in i den termiska energin.

I en gas kan molekylerna röra sig nästan helt fritt samtidigt som de kan rotera och deras atomer vibrera. Molekylerna i gaser befinner sig vid vanliga förhållanden i genomsnitt på $10$ gånger större avstånd till sina grannar än de gör i fasta ämnen och vätskor. Krafterna mellan molekyler avtar mycket snabbt med avståndet. Därför blir krafterna mellan molekyler i gaser vid vanliga förhållanden mycket svaga. Det är förklaringen till att verkliga gaser liknar den ideala gasen vid normala tryck och temperaturer. I en ideal gas finns det ju inga som helst krafter mellan molekylerna så hela den inre energin består av termisk rörelseenergi som är bestämd av temperaturen

Vid hög temperatur övergår gaser till plasma. Gasmolekylerna kolliderar då så våldsamt med varandra att de spjälkas upp till atomer som mister elektroner och blir joniserade. Eftersom vi här på jorden lever i ganska behagliga temperaturer är plasma ingenting som vi har direkt erfarenhet av; men ute bland stjärnorna är det annorlunda. Ungefär  $99$ % av all materia i universum består av plasma. Det är lätt att förstå att plasmafysik blir viktig för att förstå vår sol, stjärnorna och universum. Vid mycket hög temperatur, till exempel i stjärnornas inre, blir atomerna fullständigt joniserade. Elektroner och atomkärnor far förbi varandra som fria partiklar.

Vi har talat om låga temperaturer. Eftersom det finns en absolut nollpunkt kunde man kanske undra om det även existerar en absolut toppunkt. Svaret är att det nog inte gör det. Däremot finns det en gräns för hur höga temperaturer som finns i vårt universum just nu. I fysiken talar man faktiskt om universums temperatur. Det är den temperatur som rymden har långt ifrån stjärnorna. Den temperaturen är $2,7$ K. Det är den temperatur som stenar och stoft får långt ifrån stjärnorna. Det kan innebära att universums lägsta temperaturer någonsin har uppnåtts i laboratorier på en liten planet i Vintergatan!