Способы изменения внутренней энергии тела
Внутренняя энергия тела не является 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.
С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.
Опыт с трубкой
Для определения способов изменения внутренней энергии тела, проведем следующий опыт: укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке. Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой.
Затем трубку обернем 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. Таким образом, путем совершения работы при натирании трубки веревкой, увеличение внутренней энергии произошло.
Опыт со стеклянным сосудом
В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней. Ежели тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается.
Внутренняя энергия
Всякое движущееся тело обладает кинетической энергией. Например, кинетической энергией обладает летящая птица, движущийся самолет, мяч, текущая вода и т. д.
Кинетическая энергия тела зависит от его массы и от скорости движения тела. Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или его отдельных частей.
Превращение энергии
Как же происходит превращение одного вида энергии в другой? Например, когда свинцовый шар, лежащий на свинцовой плите, поднимается вверх и отпускается. При падении скорость шара увеличивается, а высота подъема уменьшается.
Следовательно, кинетическая энергия шара возрастает, а потенциальная уменьшается. Это пример превращения потенциальной энергии шара в кинетическую. После удара шар останавливается.
При выполнении опытов и исследованиях происходит открытие новых фактов о внутренней энергии тела, ее свойствах и способах изменения. Понимание этих процессов является важным для науки и повседневной жизни.
Изменение состояния тел при соударении
При проведении опыта со шаром, ударяющимся о плиту, мы наблюдаем изменение состояния тел после соударения. Важно отметить, что механическая энергия шара превращается в другие виды энергии, такие как тепловая и деформационная энергия.
Деформация тел
В результате удара шара о плиту, как правило, оба тела деформируются. Шар немного сплюснется, а на плите появится вмятина. Это говорит о том, что энергия механического движения превратилась в энергию деформации тел.
Изменение температуры
После соударения шара о плиту мы можем измерить изменение температуры обоих тел. Обычно тела нагреваются в результате деформации и трения, что также свидетельствует о превращении механической энергии в тепловую.
Внутренняя энергия тела
Помимо механической энергии, существует также понятие внутренней энергии тела. Эта энергия зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и других факторов. Внутренняя энергия не зависит от механического движения тела, а является результатом деформации и внутренних изменений в теле.
Закон сохранения и превращения энергии
Одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии. При соударениях и других процессах энергия может превращаться из одной формы в другую, но общая сумма энергий остается постоянной.
В итоге, проведение опытов соударения шара о плиту помогает нам лучше понять законы сохранения энергии и изменение состояния тел при взаимодействии.
Внутренняя энергия: работа и теплообмен как способы передачи
Кроме того, вы знаете, что любое тело имеет дискретную структуру, то есть состоит из частиц (атомов и молекул). Эти частицы находятся в непрерывном тепловом движении. А частицы жидкости и твёрдого тела ещё и взаимодействуют между собой. Следовательно, частицы обладают кинетической, а частицы жидкости и твёрдых тел — ещё и потенциальной энергией.
Сумма кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия, называется внутренней энергией. Обозначают внутреннюю энергию большой латинской буквой U. А измеряют её в тех же единицах, что и механическую энергию, то есть в джоулях.
Отличие механической и внутренней энергии
А теперь давайте посмотрим, чем отличается внутренняя энергия от механической и может ли механическая энергия переходить во внутреннюю?
Для этого рассмотрим такой пример. Шайба после удара двигается по горизонтальному льду и останавливается.
Очевидно, что кинетическая энергия шайбы уменьшилась до нуля. А так как положение шайбы над уровнем льда не изменилось, а шайба не деформировалась, изменение её потенциальной энергии равно нулю. Означает ли это, что нарушился основной закон природы, и энергия бесследно исчезла? Конечно же нет. Механическая энергия шайбы перешла во внутреннюю энергию шайбы и льда: и лёд, и шайба нагрелись. Просто изменение их температуры очень мало, а поэтому незаметно.
Внутренняя энергия тела
А теперь подумайте, может ли внутренняя энергия тела, как и механическая, быть равной нулю?
На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что частицы, из которых состоит тело, находятся в непрерывном тепловом движении, которое не прекращается даже при самых низких температурах. Значит, тело всегда (подчёркиваем, всегда) обладает некоторым запасом внутренней энергии. Его можно либо увеличить, либо уменьшить — и только!
Значение внутренней энергии
А теперь, на примере кислорода, посмотрим, велико ли значение внутренней энергии? Потенциальная энергия взаимодействия его молекул между собой практически отсутствует. А кинетическая энергия одной молекулы кислорода очень мала. Расчёты показывают, что её среднее значение при 20 ºC примерно равно 6,05 ∙ 10–21 Дж. Кажется, что это очень маленькая величина. А теперь представьте, что только в одном кубическом метре воздуха при нормальном атмосферном давлении находится примерно 2,7 ∙ 1025 молекул. А их общая энергия равна почти 0,18 МДж. А это значение энергии уже весьма значительно. Например, такой энергией будет обладать молодой бегемот, если его поднять на высоту десяти метров.
Внутренняя энергия тела и ее зависимость от различных величин
Теперь давайте рассмотрим, от каких величин зависит внутренняя энергия тела или системы тел.
Мы уже знаем, что чем выше температура тела, тем быстрее движутся его молекулы, и тем больше их кинетическая энергия. Значит, внутренняя энергия тела зависит от его температуры.
Зависимость от состояния вещества
Также нам известно, что для перевода вещества из жидкого состояния в газообразное, необходимо подвести энергию. Пар будет обладать большей внутренней энергией, чем вода той же массы. Значит, внутренняя энергия тела зависит от его агрегатного состояния.
Зависимость от массы тела
Масса тела равна сумме масс составляющих его частиц, поэтому внутренняя энергия также зависит от массы тела.
Не зависимость от механического движения
Внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения и взаимодействия с другими телами.
Влияние на изменение внутренней энергии
Чтобы изменить внутреннюю энергию тела, можно изменить скорость движения частиц или их взаимодействие друг с другом.
Изменение скорости движения частиц
Увеличив или уменьшив температуру тела, можно изменить скорость движения его частиц. Температура является мерой средней кинетической энергии частиц.
Изменение взаимодействия частиц
Можно усилить или ослабить взаимодействие частиц друг с другом, что также повлияет на внутреннюю энергию тела.
Важно помнить, что значение внутренней энергии в большинстве случаев сложно вычислить, поэтому обычно интерес представляет её изменение, которое может быть определено совершенной работой.
Чтобы проиллюстрировать изменение внутренней энергии, рассмотрим пример закрытого сосуда с воздухом, к нему присоединен манометр, и начнем трение сосуда с помощью сукна.
Не трудно заметить, что со временем уровень жидкости в левом колене манометра начинает понижаться. Обусловлено это тем, что воздух в колбе начинает нагреваться, вследствие чего, увеличивается его давление. Значит увеличивается и кинетическая энергия молекул воздуха. Таким образом, совершив механическую работу (трение сукна о колбу) мы смогли увеличить температуру колбы. А уже от неё нагрелся и газ.
Проделаем ещё один опыт. Возьмём толстостенный стеклянный сосуд, на дне которого находится небольшое количество воды (для увлажнения воздуха). Закроем сосуд пробкой с пропущенной через неё трубкой, которую соединим трубку с насосом. А теперь начнём накачивать в сосуд воздух.
Через несколько качков пробка вылетит, а в сосуде образуется туман. Туман — это скопление воды в воздухе, образованное мельчайшими частичками воды. Из наблюдений за окружающей средой мы знаем, что туман появляется тогда, когда после тёплого дня наступает холодная ночь. Следовательно, образование тумана в сосуде свидетельствует об охлаждении воздуха в нём, то есть об уменьшении его внутренней энергии. А понизилась она из-за того, что воздух, находящийся в сосуде, совершил работу по выталкиванию пробки из сосуда.
Таким образом, мы видим, что в обоих случаях внутренняя энергия газа изменилась. Но в первом опыте она увеличилась, так как работа совершалась внешней силой (то есть над телом), а во втором — уменьшилась, ибо работу совершала сила давления самого газа (то есть работу совершало само тело).
А теперь проведём такой опыт. Возьмём два куска льда при 0 °С и начнём их тереть друг о друга. Лёд начинаем постепенно превращается в воду. При этом температура воды и льда остаётся постоянной и равной 0 °С.
Значит, кинетическая энергия молекул не изменилась, так как температура осталась прежней (напомним, что лёд и вода состоят из одних и тех же молекул). Но лёд превратился в воду. При этом изменились силы взаимодействия молекул, а следовательно, изменилась их потенциальная энергия.
Таким образом, совершение механической работы — один из способов изменения внутренней энергии тела.
А теперь посмотрим, как можно изменить внутреннюю энергию тела, без совершения механической работы. Для этого вернёмся к опыту с колбой и манометром. Теперь не будем натирать колбу, а нагреем в ней воздух при помощи спиртовки. И опять через небольшой промежуток времени уровень жидкости в левом колене манометра начнёт понижаться. Что свидетельствует о том, что происходит изменение внутренней энергии воздуха в колбе.
Если же мы охладим колбу с воздухом, например поставив её на лёд или в холодильник, то их внутренняя энергия уменьшится.
Процесс изменения внутренней энергии тела, происходящий без совершения работы, называется теплопередачей (или теплообменом).
Стоит обратить внимание на то, что процесс теплопередачи происходит в определённом направлении — от более нагретых тел к менее нагретым, но не наоборот. А когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.
Таким образом, возможны два способа изменения внутренней энергии — это совершение механической работы и теплопередача.
В заключение отметим, что в дальнейшем выражение «сообщить телу количество теплоты» мы будем понимать как «изменить внутреннюю энергию тела без совершения механической работы, то есть путём теплообмена». А выражение «нагреть тело» будем понимать как «повысить его температуру» любым из двух способов.
Урок 2. Внутренняя энергия тела. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость.
Кинетическая и потенциальная энергии всех молекул, из которых состоит тело, составляют внутреннюю энергию тела. Внутренняя энергия обозначается буквой U и выражается в джоулях (1 Дж).
Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы называют теплопередачей.
Энергию, которую тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты. Количество теплоты обозначают буквой Q и выражают в джоулях (1 Дж).
— процесс передачи внутренней энергии от одного тела другому или от более нагретой части тела менее нагретой благодаря тепловому движению и взаимодействию частиц.
— это процесс переноса энергии потоками жидкости или газа. Процесс нагрева жидкости сопровождается переносом вещества. Нижние нагретые слои поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз.
может передаваться в результате теплопроводности или конвекции. В обоих случаях необходимо вещество: при теплопроводности теплота передаётся
в результате движения и взаимодействия молекул, а при конвекции переносится струями жидкости или газа.
— процесс переноса энергии невидимыми лучами
Чем больше разность между конечной и начальной температурой тела, тем большее количество теплоты надо затратить для его нагрева.
, поглощаемое телом при нагревании, зависит от массы тела и разности между конечной и начальной температурой тела (прямо пропорционально, т.е. график зависимости Q от t – прямая)
Выделившееся количество теплоты зависит от рода вещества.
Q = сm
1. Количество теплоты — это энергия, которую получает или отдаёт тело в результате теплопередачи.
2. При теплопередаче полученное телом количество теплоты идёт на изменение его внутренней энергии.
3. Количество теплоты, поглощённое или выделенное телом, зависит от массы тела, разности между конечной и начальной температурой тела и рода вещества.
Q = сm ∆
4. Количество теплоты, поглощённое телом при нагревании, равно количеству теплоты, выделенному этим телом при охлаждении на столько же градусов.
Расчет массы тела, если известен объем, производится через плотность вещества.
Плотность — это физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму: ρ = m/ V , единица плотности в СИ: кг/м3 .
Тогда масса тела: m =
Тест 2 вариант