Какими способами можно увеличить внутреннюю энергию тела
Внутреннюю энергию тела можно изменить:
1) теплопередачей (теплопроводностью, конвекцией и излучением);
Энергия тела, которую оно получает или отдаёт при обмене теплом с другими телами (без совершения работы), называют количеством теплоты.
$$ = \Delta U$$ — количество теплоты. | (8) |
Рассмотрим эти процессы более подробно.
1. Виды теплопередачи
явление передачи теплоты (энергии) от одной части тела (более нагретой) к другой (менее нагретой).
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.
$$ S$$ – площадь поверхности стены,
$$ k$$ – 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.
называют процесс перемешивания вещества, осуществляемый силой Архимеда, вследствии разности температур.
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.
(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
$$ \Delta V$$ – изменение объёма газа.
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`.
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.
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:
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.
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:
Способы изменения внутренней энергии
Урок 3. Физика 8 класс
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 «Способы изменения внутренней энергии»
На предыдущем уроке мы уже узнали, от чего зависит внутренняя энергия. Теперь попытаемся разобраться, как её можно изменить. При повышении температуры увеличивается скорость движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия и внутренняя энергия тела. И, наоборот: при понижении температуры, внутренняя энергия уменьшается.
Проведем маленький эксперимент. Возьмем деревянные палочки и потрём их друг о друга. Через некоторое время они нагреются, а, следовательно, их внутренняя энергия увеличится. То же самое произойдёт и при ударе. Нетрудно догадаться, что при деформации тело тоже нагревается, так как деформация может являться следствием удара. Во всех этих случаях, над телом совершалась та или иная работа. Значит, увеличение внутренней энергии происходит при совершении работы над телом.
Рассмотрим другой пример. В стеклянный сосуд бросим несколько горящих спичек, а на горлышко сосуда положим варёное яйцо. Через некоторое время спички потухнут, в результате чего воздух начнёт остывать. Из-за этого яйцо засосет внутрь. Это произойдет из-за того, что давление внутри сосуда понизится и будет не достаточным, чтобы сдерживать давление снаружи. Из этого можно сделать вывод, что внутренняя энергия воздуха внутри сосуда уменьшилась. Заметим, что понижение давления произошло из-за сжатия воздуха при понижении температуры, то есть, воздух совершил работу. Следовательно, уменьшение внутренней энергии происходит, когда тело само совершает работу.
Однако, изменить внутреннюю энергию можно и путём теплопередачи.
Нальём воду в чайник, и нагреем.
Для того, чтобы вода закипела, мы должны сообщить ей некоторое количество теплоты, то есть, произвести теплопередачу. Чем дольше продолжается теплопередача, тем больше становится температура воды и её внутренняя энергия. Через некоторое время вода закипит, а, значит, её внутренняя энергия увеличится.
Проведем ещё один эксперимент. Нальем в кружку горячий чай. Через некоторое время кружка нагреется, а чай, напротив, остынет, а, значит, его внутренняя энергия уменьшится.
Дело в том, что в этом случае, чай сам совершил теплопередачу, а именно, — нагрел кружку и часть окружающего воздуха.
Как видим, теплопередача всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается. Способами теплопередачи являются теплопроводность, конвекция и излучение. О них мы поговорим на следующих уроках.
Итак, изменить внутреннюю энергию тела можно с помощью механической работы или теплопередачи.
Изменится ли внутренняя энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить в воздух?
Нет, потому что бросок не изменил ни температуру мяча, ни его агрегатное состояние. Над мячом не была совершена работа, и сам мяч не совершал работы. Теплопередача тоже отсутствовала, поэтому внутренняя энергия меча не изменилась.
Изменится ли внутренняя энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить так, чтоб он отскочил от потолка?
Да, потому что при ударе о потолок мяч на время деформируется, а, следовательно, его внутренняя энергия возрастёт, так как над мячом была совершена работа.
Изменится ли внутренняя энергия льда, если его растопить?
Конечно. Ведь растопить лед — значит, превратить его в воду, а это изменение агрегатного состояния, да и температуры тоже. Кроме того, чтобы растопить лёд нужно осуществить теплопередачу.
Изменится ли внутренняя энергия кусочка мела, если провести им по доске? Конечно. Ведь мел пишет только тогда, когда трение достаточно велико, а трение, как мы помним из примера, совершает работу над телом. Кроме того, часть мела останется на доске. Это изменит количество молекул, содержащихся в данном кусочке, а, как мы помним, внутренняя энергия тела — это суммарная энергия всех молекул этого тела.
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.
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.
