Как можно изменить внутреннюю энергию тела приведите примеры

Вы уже знаете, что механическая энергия тела (кинетическая и потенциальная) может изменяться. Внутренняя энергия тела также не является постоянной величиной, она может менять свое значение.

Внутренняя энергия зависит от температуры: при ее повышении внутренняя энергия увеличивается. Происходит это за счет увеличения средней скорости движения молекул и возрастания их кинетической энергии.

При понижении температуры внутренняя энергия, наоборот, понижается. Значит, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

На данном уроке мы выясним, каким способом можно изменить скорость движения молекул. Таким образом, мы определим, при каких условиях происходит изменение внутренней энергии и дадим определения новым понятиям.

Совершение работы над телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.

У нас есть металлическая трубка, закрепленная на подставке. Наливаем в трубку немного эфира.

Эфир — бесцветная летучая жидкость. Часто употребляется в технике и медицине для дезинфекции. Имеет температуру кипения около $35 degree C$.

Закрываем пробкой. Обвиваем вокруг трубки веревку, и начинаем быстро двигать ее в разные стороны. Что произойдет?

После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку. 

Такой способ используется при разведении огня в диких условиях. Древние люди обладали им в совершенстве. При вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на $250 degree C$ и загорался.

Внутренняя энергия эфира изменилась — она увеличилась. Он не только нагрелся, но и закипел. Натирая трубку веревкой, мы совершали механическую работу.

Также тела нагреваются при деформациях. То есть при ударах (вспомните опыт из прошлого урока с шаром из свинца), разгибании, сгибании (можно провести простой опыт, сгибая медную проволоку) и др.

Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Когда нам холодно, мы начинаем дрожать — происходят мышечные сокращения. Таким образом наш организм увеличивает температуру тела — за счет работы мышц увеличивается внутренняя энергия.

Совершение работы самим телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 2.

У нас имеется стеклянный сосуд, который закрывается пробкой. В пробке есть специальное отверстие. Через него с помощью насоса начнем закачивать в сосуд воздух. 

Через некоторое время пробка вылетит. В этот момент можно заметить как образуется туман. Это означает, что воздух в сосуде стал холоднее. 

Вытолкнув пробку, сжатый воздух в сосуде совершил работу. При этом температура воздуха понизилась. Так мы можем сказать, что его внутренняя энергия тоже уменьшилась.

Если работу совершает само тело, то его его внутренняя энергия уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.

Теплопередача

Можно ли изменить внутреннюю энергию тела без совершения работы? 

Мы часто наблюдаем ситуации, когда увеличивается температура тела. Например, закипание воды в чайнике, воздух нагревается от батарей отопления в квартире, нагреваются предметы, оставленные на солнце. Работа во всех этих примерах не совершается.

Попробуем объяснить увеличение внутренней энергии в таких случаях на следующем примере. Опустим обычную металлическую ложку в стакан с горячей водой (рисунок 3).

Что будет происходить? 

1. Температура горячей воды намного больше температуры холодной ложки. Значит, кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц металлической ложки
2. Молекулы воды начинают взаимодействовать с частицами металла — передают им часть своей кинетической энергии
3. Энергия молекул воды уменьшается, энергия частиц металла увеличивается
4. Температура воды уменьшается, температура ложки увеличивается
5. Вскоре им температуры выравниваются

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.

• Происходит между телами с разной температурой
• Идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой
• Заканчивается, когда температуры тел выравниваются (становятся равны друг другу)

В мороз многие водоплавающие птицы (например, утки) охотно залезают в воду. В такую погоду температура воды выше температуры воздуха, что позволяет птицам не замерзать.

Способы изменения внутренней энергии тела

Итак,

внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.

Существует три вида теплопередачи:

1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение

Виды теплопередачи будут изучены нами в следующих уроках.

Внутренняя энергия тела не может являться постоянной величиной. Она может изменяться у любого тела. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится, т.к. увеличится средняя скорость движения молекул. Таким образом, увеличивается кинетическая энергия молекул тела. И, наоборот, при понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.

Можно сделать вывод: внутренняя энергия тела изменяется, если меняется скорость движения молекул. Попытаемся определить, каким методом можно увеличить или уменьшить скорость передвижения молекул. Рассмотрим следующий опыт. Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Затем обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в разные стороны. Спустя определенное время, эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Опыт демонстрирует, что внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: ведь он изменил свою температуру, при этом закипев.

Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубкой веревкой.

Как мы знаем, нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, говоря проще, при деформации. Во всех приведенных примерах, внутренняя энергия тела возрастает.

Таким образом, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.

Рассмотрим еще один опыт.

В стеклянный сосуд, у которого толстые стенки и он закрыт пробкой, накачаем воздух через специально проделанное отверстие в ней.

Спустя некоторое время пробка вылетит из сосуда. В тот момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы сможем увидеть образование тумана. Следовательно, его образование обозначает, что воздух в сосуде стал холодным. Сжатый воздух, который находится в сосуде, при выталкивании пробки наружу совершает определенную работу. Данную работу он выполняет за счет своей внутренней энергии, которая при этом сокращается. Делать выводы об уменьшении внутренней энергии можно исходя из охлаждения воздуха в сосуде. Таким образом, внутреннюю энергию тела можно изменять путем совершения определенной работы.

Однако, внутреннюю энергию возможно изменить и иным способом, без совершения работы. Рассмотрим пример, вода в чайнике, который стоит на плите закипает. Воздух, а также другие предметы в помещении нагреваются  от радиатора центрального направления. В подобных случаях, внутренняя энергия увеличивается, т.к. увеличивается температура тел. Но работа при этом не совершается. Значит, делаем вывод, изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.

Рассмотрим еще один пример.

В стакан с водой опустим металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды, больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Таким образом, энергия молекул воды будет определенным образом уменьшаться, тем временем как энергия частиц металла будет повышаться. Температуры воды понизится, а температуры спицы не спеша, будет увеличиваться. В дальнейшем, разница между температурой спицы и воды исчезнет. За счет этого опыта мы увидели изменение внутренней энергии различных тел. Делаем вывод: внутренняя энергия различных тел изменяется за счет теплопередачи.

Процесс преобразования внутренней энергии без совершения определенной работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Остались вопросы?

Задайте свой вопрос и получите ответ от профессионального преподавателя.

Содержание:

Внутренняя энергия:

Вы знаете, что движущееся тело обладает кинетической энергией. А если оно еще и взаимодействует с другим телом, то обладает потенциальной энергией. Оба вида энергии представляют собой механическую энергию. Они взаимно превращаемы: кинетическая энергия может переходить в потенциальную и наоборот. Кроме того, вы знаете, что любое тело имеет дискретную структуру, т. е. состоит из частиц (атомов, молекул). Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении. А частицы жидкости и твердого тела еще и взаимодействуют между собой. Следовательно, частицы обладают кинетической, а частицы жидкости и твердых тел — еще и потенциальной энергией. Сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела называется внутренней энергией. Внутренняя энергия измеряется в джоулях. Чем отличается внутренняя энергия от механической? В чем ее особенности? Может ли механическая энергия переходить во внутреннюю?

Для ответа на эти вопросы рассмотрим пример. Шайба, двигавшаяся горизонтально по льду (рис. 1), остановилась. Как изменилась ее механическая энергия относительно льда?

Кинетическая энергия шайбы уменьшилась до нуля. Положение шайбы над уровнем льда не изменилось, шайба не деформировалась. Значит, изменение потенциальной энергии равно нулю. Означает ли это, что се механическая (кинетическая) энергия исчезла бесследно? Нет. Механическая энергия шайбы перешла во внутреннюю энергию шайбы и льда.

А может ли внутренняя энергия тела, как механическая, быть равной нулю? Движение частиц, из которых состоит тело, не прекращается даже при самых низких температурах. Значит, тело всегда (подчеркиваем, всегда) обладает некоторым запасом внутренней энергии. Его можно либо увеличить, либо уменьшить — и только!

Велико ли значение внутренней энергии тела? Энергия одной частицы, например кинетическая, в силу незначительности ее массы чрезвычайно мала. Расчеты для средней энергии поступательного движения молекулы кислорода показывают, что ее значение при комнатной температуре

Главные выводы:

1. Независимо от того, есть у тела механическая энергия или нет, оно обладает внутренней энергией.
2. Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической и потенциальной энергий частиц, из которых оно состоит.
3. Внутренняя энергия тела всегда не равна нулю.

Способы изменения внутренней энергии

Чтобы изменить механическую энергию тела, надо изменить скорость его движения, взаимодействие с другими телами или взаимодействие частей тела. Вы уже знаете, что это достигается совершением работы.

Как можно изменить (увеличить или уменьшить) внутреннюю энергию тела? Рассуждаем логически. Внутренняя энергия определяется как сумма кинетической и потенциальной энергий частиц. Значит, нужно изменить либо скорость движения частиц, либо их взаимодействие (изменить расстояния между ними). Очевидно, можно изменить и скорость, и расстояния между частицами одновременно. Изменить скорость частиц тела можно, увеличив или уменьшив его температуру. Действительно, наблюдения за диффузией показывают, что быстрота ее протекания увеличивается при нагревании (рис. 4, а, б).

Значит, увеличивается средняя скорость движения частиц, а следовательно, их средняя кинетическая энергия. Отсюда следует важный вывод: температура является мерой средней кинетической энергии частиц.

Как изменить кинетическую энергию частиц тела? Существуют два способа. Рассмотрим их на опытах. Будем натирать колбу с воздухом полоской сукна (рис. 5).

Через некоторое время уровень жидкости в правом колене манометра (см. рис. 5) опустится, т. е. давление воздуха в колбе увеличится. Это говорит о нагревании воздуха. Значит, увеличилась скорость движения и кинетическая энергия его молекул, а следовательно, и внутренняя энергия. Но за счет чего? Очевидно, за счет совершения механической работы при трении сукна о колбу. Нагрелась колба, а от нее — газ.

Проведем еще один опыт. В толстостенный стеклянный сосуд нальем немного воды (чайную ложку для увлажнения воздуха в нем. Насосом (рис. 6) будем накачивать в сосуд воздух. Через несколько качков пробка вылетит, а в сосуде образуется туман. Из наблюдений за окружающей средой мы знаем, что туман появляется тогда, когда после теплого дня наступает холодная ночь. Образование тумана в сосуде свидетельствует об охлаждении воздуха, т. е. об уменьшении его внутренней энергии. Но почему уменьшилась энергия? Потому что за ее счет совершена работа по выталкиванию пробки из сосуда.

Сравним результаты опытов. В обоих случаях изменилась внутренняя энергия газа, но в первом опыте она увеличилась, так как работа совершалась внешней силой (над колбой с газом), а во втором — уменьшилась, ибо работу совершала сила давления самого газа.

А можно ли, совершая работу, изменить потенциальную энергию взаимодействия молекул?

Опять обратимся к опыту. Два куска льда при О °C будем тереть друг о друга (рис. 7).

Лед превращается в воду, при этом температура воды и льда остается постоянной, равной О °C (см. рис. 7). На что тратится механическая работа силы трения?

Конечно же, на изменение внутренней энергии!

Но кинетическая энергия молекул не изменилась, так как температура не изменилась. Лед превратился в воду. При этом изменились силы взаимодействия молекул  (напоминаем, что лед и вода состоят из одинаковых молекул), а следовательно, изменилась их потенциальная энергия.

Совершение механической работы — один из способов изменения внутренней энергии тела.

А есть ли возможность изменить внутреннюю энергию тела, не совершая механическую работу?

Да, есть. Нагреть воздух в колбе (рис. 8), расплавить лед (рис. 9) можно с помощью спиртовки, передав и воздуху, и льду теплоту. В обоих случаях внутренняя энергия увеличивается.

При охлаждении тел (если колбы со льдом и воздухом поместить в морозильник) их внутренняя энергия уменьшается. Теплота от тел передается окружающей среде.
Процесс изменения внутренней энергии тела, происходящий без совершения работы, называется теплопередачей (теплообменом).

Таким образом, совершение механической работы и теплопередача — два способа изменения внутренней энергии тела.

Величину, равную изменению внутренней энергии при теплопередаче, называют количеством теплоты (обозначается Q). Единицей количества теплоты, как работы и энергии, в СИ является 1 джоуль.

Для любознательных:

Физики XVIII в. и первой половины XIX в. рассматривали теплоту не как изменение энергии, а как особое вещество — теплород — жидкость (флюид), которая может перетекать от одного тела к другому. Если тело нагревалось, то считалось, что в него вливался теплород, а если охлаждалось — то выливался. При нагревании тела расширяются. Это объяснялось тем, что теплород имеет объем. Но если теплород — вещество, то тела при нагревании должны увеличивать свою массу. Однако взвешивания показывали, что масса тела не менялась. Поэтому теплород считали невесомым. Теорию теплорода поддерживали многие ученые, в том числе и такой гениальный ученый, как Г. Галилей. Позже Дж. Джоуль на основании проведенных им опытов пришел к выводу, что теплород не существует и что теплота есть мера изменения кинетической и потенциальной энергий движущихся частиц тела.
В дальнейшем выражение «сообщить телу количество теплоты» мы будем понимать как «изменить внутреннюю энергию тела без совершения механической работы, т. е. путем теплообмена». А выражение «нагреть тело» будем понимать как «повысить его температуру» любым из двух способов.

Главные выводы:

1. Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения механической работы или теплопередачи (теплообмена).
2. Изменение внутренней энергии при нагревании или охлаждении тела при постоянном объеме связано с изменением средней кинетической энергии его частиц.
3. Изменение внутренней энергии тела при неизменной температуре связано с изменением потенциальной энергии его частиц.

Основы термодинамики

МКТ стала общепризнанной на рубеже XIX и XX веков. Задолго до ее создания исследованием тепловых процессов занималась термодинамика — раздел физики, изучающий превращение внутренней (тепловой) энергии в другие виды энергии и наоборот, а также количественные соотношения при таких превращениях.

• Заказать решение задач по физике

Внутренняя энергия и ее особенности

Внутренняя энергия макроскопического тела определяется характером движения и взаимодействия всех микрочастиц, из которых состоит тело (система тел). Таким образом, к внутренней энергии следует отнести:

• кинетическую энергию хаотического (теплового) движения частиц вещества (атомов, молекул, ионов);
• потенциальную энергию взаимодействия частиц вещества;
• энергию взаимодействия атомов в молекулах (химическую энергию);
• энергию взаимодействия электронов и ядра в атоме и энергию взаимодействия нуклонов в ядре (внутриатомную и внутриядерную энергии).

Однако для описания тепловых процессов важно не столько значение внутренней энергии, как ее изменение. При тепловых процессах химическая, внутриатомная и внутриядерная энергии практически не изменяются. Именно поэтому внутренняя энергия в термодинамике определяется как сумма кинетических энергий хаотического (теплового) движения частиц вещества (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело, и потенциальных энергий их взаимодействия.

Внутреннюю энергию обозначают символом U.

Единица внутренней энергии в СИ — джоуль: [U]=1 Дж (J).

Особенности внутренней энергии идеального газа

1. Атомы и молекулы идеального газа практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии поступательного и вращательного движений его частиц.
2. Внутренняя энергия данной массы идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Докажем данное утверждение для одноатомного газа. Атомы такого газа движутся только поступательно, поэтому, чтобы определить его внутреннюю энергию, следует среднюю кинетическую энергию поступательного движения атомов умножить на количество атомов: Итак, для одноатомного идеального газа: . Используя уравнение состояния , выражение для внутренней энергии идеального одноатомного газа можно представить так:
3. Внутренняя энергия — функция состояния системы, то есть она однозначно определяется основными макроскопическими параметрами (p, V, T), характеризующими систему. Независимо от того, каким образом система переведена из одного состояния в другое, изменение внутренней энергии будет одинаковым.
4. Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.

Какие существуют виды теплопередачи

Теплопередача (теплообмен) — процесс изменения внутренней энергии тела или частей тела без совершения работы. Процесс теплопередачи возможен только при наличии разности температур. Самопроизвольно тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Чем больше разность температур, тем быстрее — при прочих равных условиях — протекает процесс передачи тепла.

Как определить количество теплоты

Количество теплоты Q — это физическая величина, равная энергии, которую тело получает (или отдает) в ходе теплопередачи.

Единица количества теплоты в СИ — джоуль: [П] =1 Дж (J).

Из курса физики 8 класса вы знаете, что количество теплоты, которое поглощается при нагревании вещества (или выделяется при его охлаждении), вычисляют по формуле: Q=cm∆Т=cm∆t , где c — удельная теплоемкость вещества; m — масса вещества; — изменение температуры.

Обратите внимание! Произведение удельной теплоемкости на массу вещества, из которого изготовлено тело, называют теплоемкостью тела: C=cm . Если известна теплоемкость C тела, то количество теплоты, которое получает тело при изменении температуры на ∆T, вычисляют по формуле: Q=C∆T .

Пример решения задачи №1

Неон массой 100 г находится в колбе объемом 5,0 л. В процессе изохорного охлаждения давление неона уменьшилось с 100 до 50 кПа. На сколько при этом изменились внутренняя энергия и температура неона?

Решение:

Неон — одноатомный газ; для таких газов изменение внутренней энергии равно:

Поскольку охлаждение изохорное, объем неона не изменяется: После преобразований получим:

Проверим единицы, найдем значения искомых величин:

Анализ результатов. Знак «–» свидетельствует о том, что внутренняя энергия и температура неона уменьшились, — это соответствует изохорному охлаждению. Ответ: ∆U = –375 Дж; ∆T = –6 К.

Пример решения задачи №2

Внутренний алюминиевый сосуд калориметра имеет массу 50 г и содержит 200 г воды при температуре 30 °С. В сосуд бросили кубики льда при температуре 0 °С, в результате чего температура воды в калориметре снизилась до 20 °С. Определите массу льда. Удельные теплоемкости воды и алюминия: = 4200 Дж/(кг · К), = 920 Дж/(кг · К); удельная теплота плавления льда — 334 кДж/кг.

Анализ физической проблемы.

Калориметр имеет такое устройство, что теплообмен с окружающей средой практически отсутствует, поэтому для решения задачи воспользуемся уравнением теплового баланса. В теплообмене участвуют три тела: вода, внутренний сосуд калориметра, лед.

Решение:

Запишем уравнение теплового баланса:

После преобразований получим:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ: = 21 г.

Выводы:

• В термодинамике под внутренней энергией U тела понимают сумму кинетических энергий хаотического движения частиц вещества, из которых состоит тело, и потенциальных энергий их взаимодействия. Внутренняя энергия однозначно определяется основными макроскопическими параметрами (p, V, T), характеризующими термодинамическую систему. Внутреннюю энергию идеального одноатомного газа определяют по формулам:
• Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей. Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.
• Физическую величину, равную энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называют количеством теплоты (Q): Q=cm∆T = С∆T — количество теплоты, которое поглощается при нагревании тела (или выделяется при его охлаждении); Q = λm — количество теплоты, которое поглощается при плавлении вещества (или выделяется при кристаллизации); Q=rm (Q=Lm) — количество теплоты, которое поглощается при парообразовании вещества (или выделяется при конденсации).

Способы изменения внутренней энергии тела.

Внутренняя
энергия тела не является какой-то
постоянной величиной. У одного и того
же тела она может изменяться.

При
повышении температуры внутренняя
энергия тела увеличивается, так как
увеличивается средняя скорость движения
молекул. Следовательно, возрастает
кинетическая энергия молекул этого
тела. С понижением температуры, наоборот,
внутренняя энергия тела уменьшается.

Таким
образом, внутренняя энергия тела меняется
при изменении скорости движения молекул.

Попытаемся
выяснить, каким способом можно увеличить
или уменьшить скорость движения молекул.
Для этого проделаем следующий опыт.
Укрепим тонкостенную латунную трубку
на подставке. Нальем в трубку немного
эфира и закроем пробкой. Затем трубку
обовьем веревкой и начнем быстро двигать
ее, то в одну сторону, то в другую. Через
некоторое время эфир закипит, и пар
вытолкнет пробку. Опыт показывает, что
внутренняя энергия эфира увеличилась:
ведь он нагрелся и даже закипел.

Увеличение
внутренней энергии произошло в результате
совершения работы при натирании трубки
веревкой. Нагревание тел происходит
также при ударах, разгибании и сгибании,
т. е. при деформации. Внутренняя энергия
тела во всех приведенных примерах
увеличивается.

Следовательно,
внутреннюю энергию тела можно увеличить,
совершая над телом работу. Если же работу
совершает само тело, то его внутренняя
энергия уменьшается.

Проделаем
следующий опыт.

В
толстостенный стеклянный сосуд, закрытый
пробкой, накачаем воздух через специальное
отверстие в ней.

Через
некоторое время пробка выскочит из
сосуда. В момент, когда пробка выскакивает
из сосуда, образуется туман. Его появление
означает, что воздух в сосуде стал
холоднее. Находящийся в сосуде сжатый
воздух, выталкивая пробку, совершает
работу. Эту работу он совершает за счет
своей внутренней энергии, которая при
этом уменьшается. Судить об уменьшении
внутренней энергии можно по охлаждению
воздуха в сосуде.

Итак,
внутреннюю энергию тела можно изменить
путем совершения работы.

Внутреннюю
энергию тела можно изменить и другим
способом, без совершения работы. Например,
вода в чайнике, поставленном на плиту,
закипает. Воздух и различные предметы
в комнате нагреваются от радиатора
центрального отопления. Внутренняя
энергия в этих случаях увеличивается,
так как повышается температура тел. Но
при этом работа не совершается.

Значит,
изменение внутренней энергии может
происходить не только в результате
совершения работы.

Рассмотрим
следующий пример.

Опустим
в стакан с горячей водой металлическую
спицу. Кинетическая энергия молекул
горячей воды больше кинетической энергии
частиц холодного металла. Молекулы
горячей воды будут передавать часть
своей кинетической энергии частицам
холодного металла. В результате этого
энергия молекул воды в среднем будет
уменьшаться, а энергия частиц металла
будет увеличиваться. Температура воды
уменьшится, а температура спицы постепенно
увеличится.

Постепенно
их температуры выровняются. На этом
опыте мы наблюдали изменение внутренней
энергии тел. Итак, внутреннюю энергию
тел можно изменить путем теплопередачи.

Процесс
изменения внутренней энергии без
совершения работы над телом или самим
телом называется теплопередачей.

Теплопередача
всегда происходит в определенном
направлении: от тел с более высокой
температурой к телам с более низкой.

Когда
температуры тел выровняются, теплопередача
прекращается.

Внутреннюю
энергию тела можно изменить двумя
способами: совершая механическую работу
или теплопередачей.

Теплопередача
в свою очередь может осуществляться
тремя способами: 1) теплопроводностью;
2) конвекцией; 3) излучением.

В предыдущем
параграфе мы выяснили, что при опускании
металлической спицы в стакан с горячей
водой очень скоро конец спицы становился
тоже горячим. Следовательно, внутренняя
энергия, как и любой вид энергии, может
быть передана от одних тел к другим.
Внутренняя энергия может передаваться
и от одной части тела к другой. Так,
например, если один конец гвоздя нагреть
в пламени, то другой его конец, находящийся
в руке, постепенно нагреется и будет
жечь руку.

Явление
передачи внутренней энергии от одной
части тела другой или от oднoгo тела
другому при их непосредственном контакте
называется теплопроводностью. Изучим
это явление, проделав ряд опытов с
твердыми телами, жидкостью и газом.

Внесем в
огонь конец деревянной палки. Он
воспламенится. Другой конец палки,
находящийся снаружи, будет холодным.
Значит, дерево обладает плохой
теплопроводностью.

Поднесем
к пламени спиртовки конец тонкой
стеклянной палочки. Через некоторое
время он нагреется, другой же конец
останется холодным. Следовательно, и
стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени
конец металлического стержня, то очень
скоро весь стержень сильно нагреется.
Удержать его в руках мы уже не сможем.

Значит,
металлы хорошо проводят тепло, т. е.
имеют большую теплопроводность.
Наибольшей теплопроводностью обладают
серебро и медь. Рассмотрим передачу
тепла от одной части твердого тела к
другой на следующем опыте.

Закрепим
один конец толстой медной проволоки в
штативе.

К проволоке
прикрепим воском несколько гвоздиков
(6). При нагревании свободного конца
проволоки в пламени спиртовки воск
будет таять. Гвоздики начнут постепенно
отваливаться. Сначала отпадут те, которые
расположены ближе к пламени, затем по
очереди все остальные.

Выясним,
как происходит передача энергии по
проволоке. Скорость колебательного
движения частиц металла увеличивается
в той части проволоки, которая ближе
расположена к пламени. Поскольку частицы
постоянно взаимодействуют друг с другом,
то увеличивается скорость движения
соседних частиц. Начинает повышаться
температура следующей части проволоки
и т. д.

Следует
помнить, что при теплопроводности не
происходит пере носа вещества от одного
конца тела к другому.

Рассмотрим
теперь теплопроводность жидкостей.
Возьмем пробирку с водой и станем
нагревать ее верхнюю часть. Вода у
поверхности скоро закипит, а у дна
пробирки за это время она только:
нагреется. Значит, у жидкостей
теплопроводность невелика, за исключением
ртути и расплавленных металлов.

Это
объясняется тем, что в жидкостях молекулы
расположены на больших расстояниях
друг от друга, чем в твердых телах.

Исследуем
теплопроводность газов. Сухую пробирку
наденем на палец и нагреем в пламени
спиртовки донышком вверх. Палец при
этом долго не почувствует тепла.

Это связано
с тем, что расстояние между молекулами
газа еще больше, чем у жидкостей и твердых
тел. Следовательно, теплопроводность
у газов еще меньше.

Итак,
теплопроводность у различных веществ
различна. Опыт показывает, что
теплопроводность у различных металлов
неодинакова.

Плохой
теплопроводностью обладают шерсть,
волосы, перья птиц, бумага, пробка и
другие пористые тела. Это связано с тем,
что между волокнами этих веществ
содержится воздух. Самой низкой
теплопроводностью обладает вакуум
(освобожденное от воздуха пространство).
Объясняется это тем, что теплопроводность
— это перенос энергии от одной части
тела к другой, который происходит при
взаимодействии молекул или других
частиц. В пространстве, где нет частиц,
теплопроводность осуществляться не
может.

Если
возникает необходимость предохранить
тело от охлаждения или нагревания, то
применяют вещества с малой теплопроводностью.
Так, для кастрюль, сковородок ручки
изготавливают из пластмассы. Дома строят
из бревен или кирпича, обладающих плохой
теплопроводностью, а значит, предохраняют
помещения от охлаждения.

Помещая
руку над горячей плитой или над горящей
электрической лампочкой, можно
почувствовать, что над ними поднимаются
теплые струи воздуха.

Небольшая
бумажная вертушка, поставленная над
пламенем свечи или электрической
лампочкой, под действием поднимающегося
нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление
можно объяснить таким образом. Воздух,
соприкасаясь с теплой лампой, нагревается,
расширяется и становится менее плотным,
чем окружающий его холодный воздух.
Сила Архимеда, действующая на теплый
воздух со стороны холодного снизу вверх,
больше, чем сила тяжести, которая
действует на теплый воздух. В результате
нагретый воздух «всплывает», поднимается
вверх, а его место занимает холодный
воздух.

Такие же
явления мы наблюдаем и при нагревании
жидкости снизу. Нагретые слои жидкости
— менее плотные и поэтому более легкие
— вытесняются вверх более тяжелыми,
холодными слоями. Холодные слои жидкости,
опустившись вниз, в свою очередь
нагреваются от источника тепла и вновь
вытесняются менее нагретой водой.
Благодаря такому движению вся вода
равномерно прогревается. Это становится
наглядным, если на дно колбы бросить
несколько кристалликов марганцовокислого
калия, который окрашивает струи воды в
фиолетовый цвет.

В описанных
опытах мы наблюдали еще один вид
теплопередачи, называемый — конвекция
(от лат. слова конвекцио — перенесение).
Следует помнить, что при конвекции
энергия переносится самими струями
газа или жидкости.

Так,
например, в отапливаемой комнате
благодаря конвекции поток теплого
воздуха поднимается вверх, а холодного
опускается вниз. Поэтому у потолка
воздух всегда теплее, чем вблизи пола.

Различают
два вида конвекции: естественную (или
свободную) и вынужденную. Так нагревание
жидкости, а также воздуха в комнате
являются примерами естественной
конвекции. Вынужденная конвекция
наблюдается, если перемешивать жидкость
мешалкой, ложкой, насосом и т. д.

Жидкости
и газы следует нагревать снизу. Если их
прогревать сверху, то при таком способе
конвекция не происходит. Нагретые слои
не могут опуститься ниже холодных, более
тяжелых.

Следовательно,
для того чтобы в жидкостях и газах
происходила конвекция, необходимо их
нагревать снизу.

Конвекция
в твердых телах происходить не может.
Вам уже известно, что частицы в твердых
телах колеблются около определенной
точки, удерживаемые сильным взаимным
притяжением. В связи с этим при нагревании
твердых тел в них не могут образовываться
потоки вещества. Энергия в твердых телах
может передаваться теплопроводностью.

Вам хорошо
известно, что основным источником тепла
на Земле является Солнце. Каким же
образом передается тепло от Солнца?

Ведь Земля
находится от него на расстоянии 15107 км.
Все это пространство за пределами нашей
атмосферы содержит очень разреженное
вещество.

Как
известно, в вакууме перенос энергии
путем теплопроводности почти невозможен.
Не может происходить он и за счет
конвекции. Следовательно, существует
еще один вид теплопередачи.

Изучим
этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим
жидкостный манометр при помощи резиновой
трубки с теплоприемником.

Если к
темной поверхности теплоприемника
поднести кусок металла, нагретый до
высокой температуры, то уровень жидкости
в колене манометра, соединенном с
теплоприемником, понизится. Очевидно,
воздух в теплоприемнике нагрелся и
расширился. Быстрое нагревание воздуха
в теплоприемнике можно объяснить лишь
передачей ему энергии от нагретого
тела.

Энергия
в данном случае передавалась не
теплопроводностью. Ведь между нагретым
телом и теплоприемником находился
воздух — плохой проводник тепла. Конвекция
здесь также не может наблюдаться,
поскольку теплоприемник находится
рядом с нагретым телом, а не над ним.
Следовательно, в данном случае передача
энергии происходит путем излучения.

Передача
энергии излучением отличается от других
видов теплопередачи. Она может
осуществляться в полном вакууме.

Излучают
энергию все тела: и сильно нагретые, и
слабо, например тело человека, печь,
электрическая лампочка и др. Но чем выше
температура тела, тем больше энергии
передает оно путем излучения. При этом
энергия частично поглощается этими
телами, а частично отражается. При
поглощении энергии тела нагреваются
по-разному, в зависимости от состояния
поверхности.

Если
повернуть теплоприемник к нагретому
металлическому телу сначала темной, а
затем светлой стороной, то столбик
жидкости в колене манометра, соединенном
с теплоприемником, в первом случае
понизится, а во втором повысится. Это
показывает, что тела с темной поверхностью
лучше поглощают энергию, чем тела,
имеющие светлую поверхность.

В то же
время тела с темной поверхностью
охлаждаются быстрее путем излучения,
чем тела со светлой поверхностью.
Например, в светлом чайнике горячая
вода дольше сохраняет высокую температуру,
чем в темном.

Способность
тел по-разному поглощать энергию
излучения используется на практике.
Так, поверхность воздушных шаров, крылья
самолетов красят серебристой краской,
чтобы они не нагревались солнцем. Если
же, наоборот, необходимо использовать
солнечную энергию, например, в приборах,
установленных на искусственных спутниках
Земли, то эти части приборов окрашивают
в темный цвет.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

4. Способы изменения внутренней энергии

Внутреннюю энергию тела можно изменить:

1) теплопередачей (теплопроводностью, конвекцией и излучением);

2) совершением механической работы над телом (трение, удар, сжатие и др.).

Рассмотрим эти процессы более подробно.

1. Виды теплопередачи

А)

Передача теплоты осуществляется в основном за счёт колебательного движения и столкновения отдельных молекул. При этом при столкновениях некоторая доля кинетической энергии молекул от одной (более нагретой) части тела передаётся молекулам другой (менее нагретой) его части. Важно заметить, что при теплопроводности само вещество не перемещается, а теплопередача всегда идёт в определённом направлении: внутренняя энергия горячего тела уменьшается, а внутренняя энергия холодного тела увеличивается.

В твёрдых металлических телах теплопроводность осуществляется преимущественно за счёт движущихся особым образом свободных электронов (в металлах также осуществляется перенос тепла колеблющимися атомами, но их вклад сравнительно небольшой).

Благодаря непрерывному взаимодействию соседствующих молекул, теплопроводность в твёрдых телах и жидкостях происходит заметно быстрее, чем в газах.

Интенсивность теплопроводности между телами зависит от разности их температур, площади поверхности, через которую происходит теплопередача, а также от свойств вещества, расположенного между телами.

В обычных условиях для расчёта количества теплоты `Q`, передаваемого через слой вещества путём теплопроводности, пользуются следующим соотношением:

Например, тепловая энергия уходит из комнаты через стену на улицу.

В этом случае:

$$ S$$ – площадь поверхности стены,

• $$ h$$ – толщина слоя вещества, составляющего стену.
• $$ Delta T$$ – разность температур между комнатой $$ left({T}_{1}right)$$ и улицей $$ left({T}_{2}right)$$;

$$ k$$ – коэффициент теплопроводности вещества стены. 

Следует отметить, что значения коэффициентов теплопроводности различных веществ отличаются столь сильно, что некоторые вещества применяют как эффективные теплопроводники (металлы, термомастика), а другие, наоборот, как теплоизоляторы (кирпич, дерево, пенопласт).

Б) В поле силы тяжести ещё одним механизмом теплопередачи может служить конвекция.

Конвекция может быть обнаружена в газах, жидкостях или сыпучих материалах.

Например, в кастрюле (см. рисунок 4) нагреваемая снизу вода расширяется, плотность её уменьшается. Сила Архимеда, действующая на небольшой фрагмент прогретой воды, поднимает её вверх. На поверхности прогретая вода остывает, смешиваясь с более холодной водой, испаряясь и т. п. Вследствие чего вода сжимается, становится более плотной, и тонет. Возникает конвективная ячейка.

На практике часто встречается принудительная конвекция, осуществляемая насосами или специальными перемешивающими механизмами.

В) Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны, которые переносят энергию. При комнатной температуре это в основном инфракрасное излучение. Так происходит лучистый теплообмен, или теплопередача посредством теплового излучения.

Из этого факта вытекает, что энергией в форме излучения обмениваются практически все окружающие нас тела. Этот процесс также приводит к выравниванию температур тел, участвующих в теплообмене.

Согласно теории равновесного теплового излучения интенсивность $$ I$$ излучения так называемого абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры $$ T$$ тела:

Где  `sigma=5,67*10^(-8)` `»Вт»//»м»^2«»К»^4` — постоянная Стефана-Больцмана.

(Подробно речь об этом пойдёт в разделе «Основы квантовой физики» в 11 классе.) 

В замкнутой системе теплообмен должен привести к установлению теплового равновесия. Теперь понятию «замкнутой системы» можно придать более отчётливые очертания: если границы некоторой области пространства имеют очень малый коэффициент теплопроводности (граница – слой теплоизолятора) и теплопередача через него не проходит, то содержащаяся внутри области пространства энергия изменяться не может и будет сохраняться.

2. Работа и изменение внутренней энергии.
Работа газа при расширении и сжатии

Для изменения внутренней энергии тела необходимо изменить кинетическую или потенциальную энергию его молекул. Этого можно добиться, не только при теплопередаче, но и деформируя тело. При упругой деформации изменяется расположение молекул или атомов внутри тела, приводящее к изменению сил взаимодействия (а значит, и потенциальной энергии взаимодействия), а при неупругой изменяются и амплитуды колебаний молекул или атомов, что изменяет кинетическую энергию молекул или атомов.

При ударе молотком по свинцовой пластине молоток заметно деформирует поверхность свинца (рис. 5). Атомы поверхностных слоёв начинают двигаться быстрее, внутренняя энергия пластины увеличивается.

Стоя на улице в морозную погоду и потирая руки, мы совершаем работу, что также приводит к увеличению внутренней энергии. Если сила трения возникла из-за взаимодействия шероховатостей, то при прохождении одной шероховатости мимо другой возникают колебания частей тела. Энергия колебаний превращается в тепло. Тот же процесс происходит и при разрывах шероховатостей.

Если работу совершает газ, закрытый в цилиндре и поршень будет перемещаться из положения `1` в положение `2` (рис. 6), то работа равна

Здесь $$ F$$ – сила, действующая на поршень со стороны газа,

• $$ p$$ – давление газа,
• $$ S$$ – площадь поверхности поршня,

$$ Delta V$$ – изменение объёма газа.

В некоторых случаях для расчёта работы газа в тепловом процессе удобно воспользоваться графическим методом. Суть его можно представить следующим образом. Допустим, что газ изобарно расширяется от начального объёма $$ {V}_{1}$$ до конечного объёма $$ {V}_{2}$$. На $$ pV$$ -диаграмме график процесса представляет собой отрезок прямой линии (см. рис. 7). Сравним полученное выражение для расчёта работы $$ {A}^{text{‘}}$$ газа (см. выше) с «площадью» заштрихованного прямоугольника под графиком изобары $$ {}^{«}S{ }^{«}=p({V}_{2}-{V}_{1})$$. 

Нетрудно убедиться, что $$ {}^{«}S{ }^{«}={A}^{text{‘}}$$, т. е. работа газа при расширении от объёма $$ {V}_{1}$$ до объёма $$ {V}_{2}$$ численно равна площади прямоугольника под графиком процесса на этом участке зависимости.

Если же процесс является более сложным (см. рис. 8), то и в этом случае графически работу можно найти как площадь фигуры под графиком процесса `1–2`.

Докажем это, рассмотрев переход газа из состояния 1 в состояние 2 не по кривой, а по ломаной, состоящей из $$ N$$ отрезков изохор и изобар. Работа на $$ i$$-ой изобаре (на рисунке $$ i=5$$) равна $$ {A}_{i}={p}_{i}·Delta {V}_{i}$$. Суммируя площади под всеми изобарами, получим площадь фигуры под ломаной, которую можно приближённо считать равной работе газа при расширении:

$$ A={p}_{1}·Delta {V}_{1}+{p}_{2}· Delta {V}_{2}+…+{p}_{N}· Delta {V}_{N}$$.

Эту работу можно вычислить точнее, если увеличить число изобар и изохор ломаной (увеличить $$ N$$ и уменьшить $$ Delta {V}_{i}$$). Площадь под ломаной при этом возрастёт, 

так как к площади заштрихованной фигуры добавятся новые площади. Если число изобар и изохор устремить к бесконечности так, чтобы длина отрезков любой изобары и изохоры неограниченно уменьшалась, то ломаная линия совпадёт с кривой. Это и доказывает утверждение о том, что графически работу газа можно вычислить, найдя площадь фигуры под графиком процесса. Аналогично подсчитывают работу газа при его сжатии (уменьшении объёма). Необходимо только помнить, что работа газа в этом случае отрицательна.

При разбиении фигуры, образованной графиком процесса, изохорами и осью объёмов, на бесконечно малые элементы, изменение объёма записывается как $$ dV$$ (рис. 9). В этом случае малый элемент общей работы (элементарную работу) можно найти как $$ dA=p·dV$$, а всю работу получим суммированием всех элементарных работ на участке расширения:

$$ A=int dA=underset{{V}_{0}}{overset{{V}_{k}}{int }}pdV$$ — работа газа.

Работа газа численно равна площади фигуры под графиком $$ pleft(Vright)$$.

Если идеальный газ находится в теплоизолированном сосуде (стенки сосуда не пропускают тепло), то работа внешней силы, совершённая над ним, равна изменению кинетически энергий молекул газа, т. е. равна изменению его внутренней энергии:

$$∆U=A$$

В рамках молекулярно-кинетической теории этот факт можно пояснить следующим образом. При столкновении молекулы с движущимся навстречу ей массивным поршнем перпендикулярная к поршню составляющая скорости молекулы увеличится на удвоенную скорость поршня.