Внутренняя энергия
Тело состоит из молекул и, каждая молекула движется. Значит, она обладает энергией движения. Энергию движения называют кинетической энергией. Чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы, значит, тем больше их кинетическая энергия.
Молекулы могут действовать друг на друга – взаимодействовать. То есть, могут притягиваться к другим молекулам, или отталкиваться от других молекул. Физики говорят, когда есть взаимодействие (притяжение, или отталкивание), есть потенциальная энергия такого взаимодействия. Значит, каждая молекула обладает потенциальной энергией.
Способ подсчета внутренней энергии тел
Найдем внутреннюю энергию тела. Для этого посчитаем кинетическую энергию каждой молекулы. Затем сложим кинетические энергии всех молекул тела, получим суммарную кинетическую энергию.
Точно так же поступим с потенциальной энергией – посчитаем потенциальную энергию каждой молекулы тела и сложим потенциальные энергии всех молекул тела. Получим суммарную потенциальную энергию всех молекул.
Сложив общую кинетическую энергию молекул и общую потенциальную энергию, получим внутреннюю энергию тела.
Внутреннюю энергию тела обозначают символом U и измеряют в Джоулях в честь физика Джеймса Прескотта Джоуля.
Примечание: Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической и потенциальной энергии всех молекул этого тела.
\(\large U \left( \text <Дж>\right) \) – внутренняя энергия тела.
\(\large E_<\text<к всех молекул>> \left( \text <Дж>\right) \) – суммарная энергия движения молекул (кинетическая энергия).
\(\large E_<\text<п всех молекул>> \left( \text <Дж>\right) \) – суммарная энергия притяжения и отталкивания молекул (потенциальная энергия).
Можно ли изменять внутреннюю энергию тел
Внутреннюю энергию тела можно изменять – увеличивать, или уменьшать. Это можно сделать двумя способами: с помощью работы, либо с помощью теплопередачи.
Для того, чтобы увеличить внутреннюю энергию тела, нужно его нагреть (передать ему тепловую энергию), или совершить работу над телом.
А чтобы внутреннюю энергию тела уменьшить, его нужно охладить (отобрать у него тепловую энергию), или сделать так, чтобы тело совершило работу над каким-либо другим телом.
Примечание: Внутренняя энергия тела уменьшается, когда тело совершает работу.
Читайте подробнее о нескольких способах теплопередачи.
От чего зависит внутренняя энергия тела
Внутренняя энергия тела зависит от:
— агрегатного состояния (газообразное, жидкое, твердое),
— некоторых других факторов.
Чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия.
Математики запишут это так: Внутренняя энергия – это функция температуры. Или сокращенно:
Символом T обозначена температура тела.
При равных температурах газы обладают наибольшей внутренней энергией. Внутренняя энергия жидкостей меньше, чем у газов. А внутренняя энергия твердых тел ниже, чем энергия жидкостей. Это можно изобразить с помощью рисунка 2:
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 вид теплопередачи является теплопроводностью. Тепло всегда направлено от более нагретого тела к менее нагретому.
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
Внутренняя энергия тела – способы изменения, формула
При рассмотрении механических явлений кинетическая и потенциальная энергия тел не зависят от их атомарно-молекулярного строения. Величина механической энергии зависит только от скорости тела (кинетическая энергия), как цельного объекта, и расположения тела относительно других тел (потенциальная энергия). В молекулярно-кинетической теории тело рассматривается как система из составляющих его частиц; для объяснения многих явлений, связанных с процессами теплообмена (нагрев и охлаждение) и ряда других эффектов, было введено понятие внутренней энергии тела.
Определение внутренней энергии тела
В результате многочисленных наблюдений и экспериментов ученые к началу ХIХ века пришли к пониманию молекулярного устройства всех тел и веществ в различных агрегатных состояниях. Стало понятно, что мельчайшими частицами являются атомы, из которых как из “кирпичиков” состоят молекулы. При ненулевой абсолютной температуре молекулы и атомы находятся в состоянии постоянного хаотического движения. Каждая движущаяся частица имеет кинетическую энергию, сумма которых будет кинетической составляющей Ek внутренней энергии. Между молекулами существует также взаимодействие, обусловленное силами электрического притяжения и отталкивания, зависящими от взаимного расположения частиц. Значит вся совокупность частиц данного тела обладает определенной величиной потенциальной энергии Eп.
Согласно молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия U — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул Eп, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения Ek:
Рис. 1. Понятие внутренней энергии тела
Необходимость введения понятия о внутренней энергии обосновал в 1851 г. английский физик У. Кельвин. Данное им определение сохранилось до сих пор, но для названия он использовал старое словосочетание — “механическая энергия”. Название “внутренняя энергия” (от англ. — internal energy) ввел англичанин У. Ренкин.
Величина внутренней энергии
Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней среды, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А.
Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии. Из первого закона термодинамики следует формула, устанавливающая функциональную связь между этими величинами:
Величина совершенной работы и полученное (или отданное) тепло поддаются измерению, а значит можно определить изменение внутренней энергии ΔU. Знак минус перед величиной работы означает, что работу совершило тело за счет своей внутренней энергии. Например, это может быть работа горячего пара, приводящего в механическое движение поршень. Если наоборот — над телом была совершена работа внешних сил, то в формуле (2) перед A будет знак плюс. Например, при забивании гвоздя молотком происходит его нагрев, то есть внутренняя энергия увеличивается.
Заметим, что из определения понятия внутренней энергии и формулы (2) следует, что измерить возможно только изменение этой величины (“дельту”), а не ее абсолютную величину.
Способы изменения внутренней энергии
Все способы изменения внутренней энергии тела могут быть отнесены либо к совершенным с помощью работы, либо к процессам теплопередачи (теплопереноса):
Рис. 2. Теплопроводность и конвекция – способы передачи тепловой энергии
Рис. 3. Излучение – способ передачи тепловой энергии
Кроме кинетической и потенциальной энергии частиц вклад во внутреннюю энергию могут давать еще:
Таким образом, в зависимости от различных условий, в которых находится вещество, те или иные энергетические источники будут давать определяющий вклад в изменение внутренней энергий. То есть внутренняя энергия — это не отдельный (специфический) вид энергии, а некоторый набор из составных частей (видов) полной энергии системы.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения. При определенных условиях внутренняя энергия может изменяться за счет химической и ядерной энергий. Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней средой, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Тепло Q может быть передано телу с помощью следующих механизмов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.
Внутренняя энергия тела и способы её изменения
Урок 2. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Внутренняя энергия тела и способы её изменения»
Вы знаете, что существует два вида механической энергии — кинетическая и потенциальная. Давайте вспомним, что кинетической энергией обладает всякое движущееся тело: 
.
Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или отдельных частей тела: Eп = mgh.
Изучая механические явления, вы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга таким образом, что их сумма остаётся постоянной величиной: E = Ek + Eп = const.
В этом заключается один из наиболее общих и фундаментальных законов природы — закон сохранения и превращения энергии.
Однако, вы знаете, что в реальных опытах закономерности превращения энергии выглядят гораздо сложнее.
Например, возьмём гирю из какого-либо мягкого металла, например, из свинца, и стальную плиту. Поднимем гирю вверх на какую-либо высоту, тем самым сообщив ей некоторый запас потенциальной энергии. А затем отпустим. Во время полёта гири её потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая, наоборот, увеличивается. После падения, гиря остановится. Её потенциальная энергия относительно плиты равна нулю, как равна нулю и кинетическая энергия, поскольку гиря неподвижна. Означает ли это, что нарушился основной закон природы, и энергия бесследно исчезла?
Конечно же нет. Механическая энергия перешла в другой вид энергии. Если внимательно посмотреть на гирю после удара, то мы обнаружим, что она, как и плита, слегка сплющилась, то есть деформировалась. А если мы измерим её температуру до и после падения, то окажется, что она увеличилась.
Мы уже знаем, что при изменении температуры тела, изменяется скорость движения его молекул. Помимо этого, в результате деформации гири, изменилось и взаимное расположение молекул друг относительно друга. Значит изменилась и их потенциальная энергия.
Следовательно, механическая энергия, которой обладала гиря в начале опыта, не исчезла: она перешла в потенциальную и кинетическую энергию её молекул.
Сумма кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия, называется внутренней энергией тела.
Обозначают внутреннюю энергию буквой U. А измеряют её в тех же единицах, что и механическую энергию: [U] = [Дж].
Возникает логичный вопрос: а каково значение внутренней энергии какого-либо тела?
Для примера рассмотрим какой-нибудь газ, например, кислород. Потенциальная энергия взаимодействия его молекул между собой практически отсутствует. А кинетическая энергия одной молекулы кислорода очень мала. Расчёты показывают, что среднее значение кинетической энергии молекулы кислорода при комнатной температуре равно 3,7 ∙ 10 −21 Дж.
Теперь выясним, от чего зависит внутренняя энергия тела?
Вы уже знаете, что чем больше температура тела, тем быстрее движутся молекулы. Чем больше скорость движения, тем больше их кинетическая энергия. Значит, внутренняя энергия тела зависит от его температуры.
Также вам должно быть известно, что для перевода вещества из жидкого состояния в газообразное, например, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести энергию. Следовательно, пар будет обладать большей внутренней энергией, чем вода той же массы. Значит, внутренняя энергия тела при неизменной массе зависит от его агрегатного состояния.
Т. к. масса тела равна сумме масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия зависит и от массы тела.
Но внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения и от его взаимодействия с другими телами. Так, например, внутренняя энергия мяча, лежащего на полу и поднятого на некоторую высоту от пола, одинакова, так же, как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь силами сопротивления его движению).
Возникает вопрос, а может ли у тела отсутствовать внутренняя энергия?
Чтобы правильно на него ответить, достаточно вспомнить, что движение частиц, из которых состоит тело, никогда не прекращается, даже при очень низких температурах. Поэтому тело всегда обладает внутренней энергией.
Как правило, значение внутренней энергии в большинстве случаев вычислить очень трудно, поскольку каждое тело состоит из огромного числа частиц. Однако нас чаще будет интересовать не само значение внутренней энергии, а её изменение. А о нём можно судить, в частности, по значению совершённой работы.
Вот мы и подошли ко второй важной проблеме — можно ли как-то изменить внутреннюю энергию тела?
Рассуждаем последовательно. Внутренняя энергия определяется энергией движения и энергией взаимодействия частиц. Следовательно, если мы сможем изменить скорость движения частиц, либо усилить или ослабить их взаимодействие друг с другом, то мы сможем изменить и внутреннюю энергию тела.
Рассмотрим каждую из возможностей изменения внутренней энергии отдельно.
Мы уже знаем, что изменить кинетическую энергию частиц тела можно путём увеличения или уменьшения температуры тела.
Существует два способа это сделать. Рассмотрим их на конкретных примерах. И так, возьмём закрытый сосуд с воздухом, к которому присоединим манометр. И начнём натирать сосуд с помощью тряпочки или сукна.
Уровень жидкости в левом колене манометра начинает понижаться. Это обусловлено 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 кинетическую энергию молекул находящегося в колбе воздуха.
Проделаем ещё один опыт. Возьмём толстостенный стеклянный сосуд, на дне которого находится небольшое количество воды. Закроем его пробкой с пропущенной через неё трубкой. Соединим трубку с насосом и начнём накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка из сосуда вылетит и в нём образуется туман.
Туман — это превратившийся в воду водяной пар.
Подумайте, когда образуется туман? Наверняка каждый из вас замечал, что чаще всего туман образуется тогда, когда после тёплого дня, наступает прохладная ночь, т. е. при значительном понижении температуры.
Следовательно, температура воздуха в сосуде понизилась. А понизилась она из-за того, что воздух, находящийся в сосуде, совершил работу. Вследствие чего, внутренняя энергия молекул воздуха в сосуде уменьшилась.
Таким образом, мы с вами можем сделать важный вывод о том, что внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы. При этом если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. А если над телом совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Теперь подумаем, можно ли изменить внутреннюю энергию тела, без совершения механической работы?
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 опять происходит изменение внутренней энергии воздуха в колбе.
Теперь обратимся к ситуации, с которой вы сталкиваетесь в жизни постоянно. Возьмём стакан с горячим чаем и металлическую ложку. Вы хорошо знаете, что если ложку опустить в стакан с чаем, то она через некоторое время тоже становится горячей.
В этом случае, как и в предыдущем, работа не совершается, но внутренняя энергия ложки увеличивается, о чём и свидетельствует повышение её температуры.
Поскольку вначале температура воды выше, чем температура ложки, то и средняя скорость молекул воды больше. А это значит, что молекулы воды обладают большей кинетической энергией, чем частицы металла, из которого сделана ложка. При столкновении с частицами металла молекулы воды передают им часть своей энергии, и кинетическая энергия частиц металла увеличивается. А кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается.
В рассмотренных нами примерах внутренняя энергия тел изменялась путём теплопередачи.
Теплопередача — способ изменения внутренней энергии тела, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
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 —совершение механической работы и теплопередача.
Существует три вида теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение. Но о них мы с вами поговорим на следующих занятиях.
Каким способом можно измерить внутреннюю энергию тела
Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется его полной механической энергией, которая зависит от скорости движения тела и от его положения относительно того тела, с которым оно взаимодействует. Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу. При совершении работы энергия тела изменяется. Значение работы равно изменению энергии. (подробнее о Механической энергии в конспекте «Механическая энергия. Закон сохранения энергии»)
Внутренняя энергия
Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать, то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.
При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетической энергией (Ек) молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией (Еп), поскольку они взаимодействуют. Внутреннюю энергию обозначают буквой U. Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж). U = Eк + En.
Способы изменения внутренней энергии
Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию. Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела.
Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.
Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды — повысится. В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи, о чем и свидетельствует понижение её температуры.
Молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
Конспект урока по физике в 8 классе «Внутренняя энергия».
