Внутренняя энергия вещества и способы ее изменения
теория по физике 🧲 термодинамика
Внутренняя энергия сосредоточена «внутри» вещества и складывается из потенциальной энергии взаимодействующих молекул (атомов) и кинетической энергии их движения:
∑ E k 0 — кинетическая энергия молекул (атомов), которая зависит от скорости их движения. Она изменяется только при изменении температуры. В процессе агрегатных переходов кинетическая энергия молекул остается неизменной.
∑ E p 0 — потенциальная энергия взаимодействия молекул, которая зависит от расстояния между ними. Она изменяется при изменении температуры и объема. Например, в процессе агрегатных переходов изменяется именно потенциальная энергия молекул.
Способы изменения внутренней энергии:
Виды теплопередачи
Выделяют три вида теплопередачи: теплопроводность, конфекцию и излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность — способность тел переносить внутреннюю энергию без переноса вещества от более нагретых участков тела к более холодным.
При теплопроводности происходит постепенное увеличение скорости движения молекул. Это возможно только благодаря межмолекулярному взаимодействию. Поэтому теплопроводность в твердых телах происходит быстрее, чем в жидкостях. В газах она осуществляется еще медленнее. Для сохранения тепла используют пористые материалы, в которых много воздуха. Воздух — это смесь газов, поэтому он плохо переводит тепло.
Важно! В вакууме теплопроводность невозможна.
Конвекция
Конвекция — это перенос внутренней энергии, сопровождающийся переносом вещества.
При конвекции теплые слои жидкости или газа поднимаются, а холодные опускаются. Конвекция осуществляется только в жидкостях и газах.
Важно! В твердых телах и в вакууме конвекция невозможна.
Излучение
Излучение — это перенос теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло.
Энергию излучают все нагретые тела. Чем больше нагрето тело, тем сильнее излучение. Теплопередача за счет излучения возможна в любой среде, в том числе и в вакууме.
Темные поверхности хорошо поглощают излучение, но быстро отдают энергию при охлаждении. Зеркальные и светлые поверхности отражают часть излучения и медленно остывают.
Количество теплоты
Количество теплоты Q (Дж) — физическая величина, которая показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия вещества в процессе теплопередачи:
Если внутренняя энергия вещества увеличивается, то Q > 0. Это происходит при нагревании, плавлении и кипении.
Если внутренняя энергия вещества уменьшается, Q Формула теплоты при нагревании или охлаждении
При нагревании или охлаждении вещество получает (отдает) количество теплоты, определяемое по формуле:
Q = c m Δ t = c m ( t − t 0 )
∆t — изменение температуры вещества (в о С или К), t0— начальная температура вещества, t — конечная температура вещества, m — его масса (кг), c — удельная теплоемкость вещества (Дж/(кг∙К)).
Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 градус. Такое же количество теплоты выделится при охлаждении 1 кг этого вещества на 1 градус.
Внимание! Удельная теплоемкость вещества — табличная величина.
Количество теплоты также определяется формулой:
∆T — изменение температуры в Кельвинах, а C — теплоемкость вещества.
Теплоемкость вещества показывает, сколько теплоты поглощает тело при нагревании на 1 К. Измеряется в Дж/кг. Численно теплоемкость равна произведению массы вещества на его удельную теплоемкость:
Пример №1. Температура медного образца массой 100 г увеличилась на 40 о С. Какое количество теплоты получил образец? Удельная теплоемкость меди равна 380 Дж/(кг∙К).
Сгорание топлива
При сгорании топлива выделяется количество теплоты, определяемое формулой:
m — масса сгоревшего топлива (кг), q — удельная теплота сгорания топлива (Дж/кг).
Удельная теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг данного вида топлива.
Внимание! Удельная теплота сгорания — табличная величина.
Пример №2. Сгорело 5 сухих березовых поленьев. Каждый весил 1 кг. Определить, количество выделенной теплоты, если удельная теплота сгорания березовых дров составляет 15 МДж/кг.
Так как сгорело 5 поленьев по 1 кг, то всего сгорело 5 кг сухих березовых дров. Отсюда:
Q = q m = 5 · 15 · 10 9 = 75 · 10 9 ( Д ж ) = 75 ( М Д ж )
Алгоритм решения
Решение
Так как это твердые тела, поверхности которых соприкасаются друг с другом, и перенос тепла происходит без переноса вещества, то этот
На рисунке видно, что самым нагретым телом является нижний брусок, так как он только отдает тепло, но не принимает его. Средний брусок справа менее нагрет, чем нижний, так как принимает от него тепло. Но он более теплый по сравнению со средним бруском слева, так как он делится с ним теплом. И оба этих бруска отдают свою энергию верхнему бруску, который сам только принимает тепло, но не отдает его. Следовательно, именно он имеет температуру +40 о С.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
При каком процессе внутренняя энергия тела увеличивается
Связь внутренней энергии с температурой
Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Внутренняя энергия тела не является постоянной величиной и связана с изменением температуры тела:
1. при повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т.к. молекулы тела начинают активнее двигаться, расстояние между ними увеличивается и возрастает их кинетическая и потенциальная энергия;
2. при понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается, т.к. молекулы тела начинают двигаться менее активно, расстояние между ними уменьшается и понижается их кинетическая и потенциальная энергия.
Таким образом, температура – это главная характеристика внутренней энергии тела.
История развития представлений об изменении внутренней энергии
Перед тем, как рассмотреть конкретные возможные причины процесса изменения внутренней энергии тела заметим, что теория, которая связывает энергию движения и взаимодействия частиц со внутренней энергией тела, сложилась не сразу.
Например, почти до конца XIX века считалось, что существует такая условная субстанция, как теплород. Считалось, что когда теплород втекает в тело, то его температура увеличивается, как и внутренняя энергия, а когда вытекает, температура с внутренней энергией уменьшается. Понятие теплорода было введено в конце XVIII века Лавуазье, а уже на рубеже XVIII и XIX веков были проведены первые эксперименты, подтверждавшие несостоятельность этой теории.
Мы будем рассматривать возможные варианты изменения внутренней энергии с точки зрения развития науки, поэтому сначала обсудим изменение внутренней энергии из-за совершения работы. Убедиться в том, что совершение работы влияет на процесс изменения внутренней энергии, можно на простом опыте – потрите руки друг о друга, и вы заметите, как ладони нагреваются, это и будет свидетельствовать об изменении внутренней энергии. Что демонстрирует этот опыт? Он наглядно демонстрирует, что при совершении механической работы (трение ладоней) повышается их внутренняя энергия.
Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы
Вы уже знакомы с понятием механическая работа тела, она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела, аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела. Это удобно изобразить на схеме:
Первые опыты по доказательству несостоятельности теории теплорода и подтверждению влияния процесса совершения работы на изменение внутренней энергии тела провел английский инженер и физик Бенджамин Румфорд, который в конце XVIII века при изготовлении пушек занимался сверлением их ствола. Он заметил, что при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение конской тягой. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура резко поднялась. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой (см. Рис. 1). В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Румфорд объяснил это явление с помощью представления о теплоте как особом виде движения.
Опыт Румфорда доказал, что процесс совершения работы оказывает непосредственное влияние изменение внутренней энергии тела, и внутренняя энергия тела может быть изменена при совершении работы.
Таким образом, работа является мерой изменения внутренней энергии при превращении механической энергии во внутреннюю или внутренней энергии в механическую.
Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи
Второй способ изменения внутренней энергии тела мы можем легко наблюдать каждый день в повседневной жизни, и он был давно всем известен – это теплопередача.
Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Процессы теплопередачи делятся на три вида, которые удобно изобразить на схеме:
Более подробно о каждом из этих видов теплопередачи мы поговорим на последующих уроках.
Отметим, что процессы теплопередачи и совершения работы, как правило, протекают параллельно и одновременно влияют на изменение у тела внутренней энергии.
Теперь мы можем изобразить два варианты изменения внутренней энергии тела на схеме:
На следующем уроке мы уделим особое внимание описанию процесса теплопроводности при теплопередаче.
Внутренняя энергия
Понятие о внутренней энергии.
Чтобы понять, что такое внутренняя энергия, рассмотрим опыт. Опыт № 1: Возьмём свинцовый шарик и бросим его на свинцовую пластинку. Шарик, находящийся на некоторой высоте, обладал потенциальной энергией. Падая на свинцовую пластинку, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. И в последний момент падения шарик обладает кинетической энергией. Казалось, что после падения шарика на свинцовую пластинку, закон сохранения энергии нарушен. Так как энергия стала равной нулю. Рассмотрим шарик и заметим, что он нагрелся и у него сбоку образовалась вмятина. Это означает, что частицы этого шарика стали располагаться ближе друг другу. Значит у частиц увеличилась внутренняя энергия. И так как шарик нагрелся, частицы начали двигаться быстрее. Значит у них увеличилась кинетическая энергия. Следовательно, потенциальная энергия, которой обладал шарик до падения, перешла во внутреннюю энергию.
Внутренней энергией называют энергию движения и взаимодействия частиц из которых состоит тело.
1.1. От механического движения тела.
1.2. От положения этого тела относительно других тел.
От чего зависит внутренняя энергия
1) Внутренняя энергия зависит от температуры. Чем выше температура, тем частицу движутся быстрее и обладают большей внутренней энергией.
2) Внутренняя энергия зависит от объема тела. Чем меньше объем, тем молекулы располагаются ближе друг к другу, а значит обладают большей внутренней энергией. Сжатый воздух может совершить огромную работу. Пример: Отбойный молоток, который использует шахтер, работает на сжатом воздухе.
3) Внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния. Лед, вода и пар, обладают разной внутренней энергией.
Способы изменения внутренней энергии
Совершение работы над телом и наоборот
Опыт № 2: Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке. Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьём верёвкой. И начнём быстро двигать её то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит. И пар выталкивает 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 верёвкой. Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, то есть при деформации. Внутренняя энергия во всех этих 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 № 3: В толстостенной 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. Это доказывает, что внутренняя энергия воздуха при совершении работы, уменьшается.
Теплопередача
Рассмотрим пример. Опустим в стакан с горячей водой металлическую ложку. 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 будет уменьшаться, а энергия частиц металла будет увеличиваться. Температура воды уменьшается, а температура ложки увеличивается. Постепенно их температуры выравниваются. На этом опыте мы наблюдали изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
Способы теплопередачи
Теплопроводность
Теплопроводностью называют процесс передачи тепла частицами вещества.
Рассмотрим опыт № 4: На металлический стержень, закреплённый в лапке штатива, прикреплены гвозди при помощи парафина. Начнем подогревать один конец стержня. Гвоздики будут падать не сразу, а постепенно. Объясняется это тем, что скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Так как частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и так далее. Поэтому при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца края тела к другому.
Виды веществ по теплопроводности:
К хорошим тепло проводникам относятся металлы, хотя у всех металлов теплопроводность разная.
К плохим тепло проводникам относятся: воздух, сено, солома, бумага, опилки и так далее.
Конвекция
Конвекцией называют процесс передачи тепла струями жидкости или газа.
Установим бумажную вертушку, над электрической лампой. При включении лампы, воздух становиться теплым, легким, поднимается вверх. А холодный тяжелый опускается вниз. Поэтому вертушка начинает вращаться. Такие явления мы наблюдаем при нагревании жидкости. Снизу, нагретые слои жидкости менее плотные и поэтому поднимаются. А холодные, тяжелые опускаются вниз. Благодаря такому движению вся вода равномерно нагревается. Различают два вида конвекции естественную и вынужденную. В комнате при нагревании воздуха, при помощи батареи парового отопления, конвекция происходит естественно. Чтобы происходило явление конвекции, необходимо, вещества нагревать снизу.
Излучение
Излучением называют процесс передачи тепла при помощи электромагнитных волн.
Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприемником. А если к темной поверхности теплоприемника поднести нагретый кусок металла. То уровень жидкости в колене манометра, соединённого с теплоприемником понизится. Очевидно воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. В данном случае энергии передается путем излучения. Она может осуществляться в полном вакууме. Излучают энергию все тела. И сильно нагретые, и слабо. Например: печь, электрическая лампа, Солнце и другие. Если повернуть теплоприемник к нагретому металлическому телу зеркальной стороной. То столбик жидкости в колене манометра, соединенный с теплоприёмником опустится. Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолётов 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 черный цвет.
способы изменения внутренней энергии тела?
Существуют способы изменения внутренней энергии тела: совершение работы и теплопередача.
При совершении работы она меняется в двух случаях: при трении и при неупругой деформации. При совершении работы силой трения внутренняя энергия увеличивается за счёт уменьшения механической энергии, трущиеся тела нагреваются. В случае неупругого сжатия тела его внутренняя энергия увеличивается за счёт уменьшения механической энергии.
Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, при этом внутренняя энергия одного тела увеличивается за счёт уменьшения внутренней энергии другого тела. Переход энергии идет от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Существует ее варианты: теплопроводность, конвекция и излучение.
Внутренняя энергия не постоянная величина. Она может изменяться. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится (увеличится средняя скорость движения молекул). При понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.
Рассмотрим опыт.
Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в стороны. Через время эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: он изменил свою температуру, закипев. Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы.
Нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, при деформации. Внутренняя энергия тела возрастает.
Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу. Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
Рассмотрим 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 момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы можем видеть образование тумана. 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 изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.
Рассмотрим 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.
Способы изменения внутренней энергии тела
Содержание
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.
В 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.
После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку.
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: 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. Т. к. температура воздуха понизилась, 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?
Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.
Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.
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
внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.
Существует три вида теплопередачи:
Виды теплопередачи будут изучены нами в следующих уроках.
