Визначення внутрішньої енергії способів зміни. Внутрішня енергія

1. Існують два види механічної енергії: кінетична та потенційна. Кінетичною енергією володіє будь-яке тіло, що рухається; вона прямо пропорційна масі тіла та квадрату його швидкості. Потенційна енергія має взаємодіючі між собою тіла. Потенційна енергія тіла, що взаємодіє із Землею, прямо пропорційна його масі та відстані між
ним та поверхнею Землі.

Сума кінетичної та потенційної енергії тіла називається його повною механічною енергією. Таким чином, повна механічна енергія залежить від швидкості руху тіла та від його положення щодо того тіла, з яким воно взаємодіє.

Якщо тіло має енергію, воно може зробити роботу. При виконанні роботи енергія тіла змінюється. Значення роботи дорівнює зміні енергії.

2. Якщо в закриту пробкою товстостінну банку, дно якої вкрите водою, накачувати повітря (мал. 67), то через якийсь час пробка з банки вилетить і у банку утворюється туман.

Це пояснюється тим, що в повітрі, що знаходиться в банку, є водяна пара, що утворюється при випаровуванні води. Поява туману означає, що пара перетворилася на воду, тобто. сконденсувався, а це може відбуватися при зниженні температури. Отже, температура повітря у банку знизилася.

Причина цього така. Пробка вилетіла з банки, тому що повітря, що знаходилося там, діяв на неї з певною силою. Повітря при вильоті пробки зробило роботу. Відомо, що роботу тіло може здійснити, якщо воно має енергію. Отже, повітря в банку має енергію.

При виконанні повітрям роботи знизилася температура, змінилося його стан. При цьому механічна енергія повітря не змінилася: не змінилися ні його швидкість, ні положення щодо Землі. Отже, робота була виконана не за рахунок механічної, а за рахунок іншої енергії. Ця енергія - внутрішня енергіяповітря, що знаходиться у банку.

3. Внутрішньою енергією тіла називають суму кінетичної енергії руху його молекул та потенційної енергії їхньої взаємодії.

Кінетичної енергією ((E_к) \) молекули володіють, так як вони знаходяться в русі, а потенційною енергією ((E_п) \), оскільки вони взаємодіють.

Внутрішню енергію позначають буквою (U). Одиницею внутрішньої енергії є 1 джоуль (1 Дж).

\[ U=E_к+E_п \]

4. Чим більша швидкість руху молекул, тим вище температура тіла, отже, внутрішня енергія залежить від температури тіла. Щоб перевести речовину з твердого стану на рідкий стан, наприклад, перетворити лід у воду, потрібно підвести до нього енергію. Отже, вода матиме більшу внутрішню енергію, ніж лід тієї ж маси, і, отже, внутрішня енергія залежить від агрегатного стану тіла.

Внутрішня енергія тіла не залежить від його руху як цілого та від його взаємодії з іншими тілами. Так, внутрішня енергія м'яча, що лежить на столі і на підлозі, однакова, так само як і м'яча, що нерухомого і котиться по підлозі (якщо, звичайно, знехтувати опором його руху).

Про зміну внутрішньої енергії можна судити за значенням виконаної роботи. Крім того, оскільки внутрішня енергія тіла залежить від його температури, то зміни температури тіла можна судити про зміну його внутрішньої енергії.

5. Внутрішню енергію можна змінити під час роботи. Так, в описаному досвіді внутрішня енергія повітря і пари води в банку зменшувалася при виконанні ними роботи з виштовхування пробки. Температура повітря і водяної пари при цьому знижувалася, про що свідчила поява туману.

Якщо по шматку свинцю кілька разів ударити молотком, то навіть навпомацки можна визначити, що шматок свинцю нагріється. Отже, його внутрішня енергія, як і і внутрішня енергія молотка, збільшилася. Це сталося тому, що було здійснено роботу над шматком свинцю.

Якщо тіло саме виконує роботу, його внутрішня енергія зменшується, і якщо з нього виконують роботу, його внутрішня енергія збільшується.

Якщо в склянку з холодною водою налити гарячу воду, температура гарячої води знизиться, а холодної води - підвищиться. У цьому випадку робота не відбувається, проте внутрішня енергія гарячої води зменшується, про що свідчить зниження її температури.

Оскільки спочатку температура гарячої води була вищою за температуру холодної води, то і внутрішня енергія гарячої води більша. А це означає, що молекули гарячої води мають більшу кінетичну енергію, ніж молекули холодної води. Цю енергію молекули гарячої води передають молекул холодної води при зіткненнях, і кінетична енергія молекул холодної води збільшується. Кінетична енергія молекул гарячої води у своїй зменшується.

У розглянутому прикладі механічна робота не відбувається, внутрішня енергія тіл змінюється шляхом теплопередачі.

Теплопередачею називається спосіб зміни внутрішньої енергії тіла під час передачі енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Частина 1

1. Внутрішня енергія газу в запаяній посудині постійного об'єму визначається

1) хаотичним рухом молекул газу
2) рухом усієї судини з газом
3) взаємодією судини з газом та Землі
4) дією на посудину з газом зовнішніх сил

2. Внутрішня енергія тіла залежить від

A) маси тіла
Б) положення тіла щодо поверхні Землі
B) швидкості руху тіла (за відсутності тертя)

Правильну відповідь

1) тільки А
2) тільки Б
3) тільки В
4) тільки Б і В

3. Внутрішня енергія тіла не залежить від

A) температури тіла
Б) маси тіла
B) положення тіла щодо поверхні Землі

Правильну відповідь

1) тільки А
2) тільки Б
3) тільки В
4) тільки А та Б

4. Як змінюється внутрішня енергія тіла під час його нагрівання?

1) збільшується
2) зменшується
3) у газів збільшується, у твердих і рідких тіл не змінюється
4) у газів не змінюється, у твердих і рідких тіл збільшується

5. Внутрішня енергія монети збільшується, якщо її

1) нагріти у гарячій воді
2) опустити у воду такої ж температури
3) змусити рухатися із деякою швидкістю
4) підняти над поверхнею Землі

6. Одна склянка з водою стоїть на столі в кімнаті, а інша склянка з водою такої ж маси і такої ж температури знаходиться на полиці, що висить на висоті 80 см щодо столу. Внутрішня енергія склянки з водою на столі дорівнює

1) внутрішньої енергії води на полиці
2) більше внутрішньої енергії води на полиці
3) менше внутрішньої енергії води на полиці
4) дорівнює нулю

7. Після того, як гарячу деталь опустять у холодну воду, внутрішня енергія

1) і деталі, і води збільшуватиметься
2) і деталі, і води зменшуватиметься
3) деталі зменшуватимуться, а води збільшуватимуться
4) деталі збільшуватимуться, а води зменшуватимуться

8. Одна склянка з водою стоїть на столі в кімнаті, а інша склянка з водою такої ж маси і такої ж температури знаходиться в літаку, що летить зі швидкістю 800 км/год. Внутрішня енергія води в літаку

1) дорівнює внутрішній енергії води в кімнаті
2) більше внутрішньої енергії води в кімнаті
3) менше внутрішньої енергії води у кімнаті
4) дорівнює нулю

9. Після того, як у чашку, що стоїть на столі, налили гарячу воду, внутрішня енергія

1) чашки та води збільшилася
2) чашки та води зменшилася
3) чашки зменшилася, а води збільшилась
4) чашки збільшилася, а води зменшилась

10. Температуру тіла можна підвищити, якщо

А. Здійснити над ним роботу.
Б. Повідомити йому кілька теплоти.

Правильну відповідь

1) тільки А
2) тільки Б
3) і А, і Б
4) ні А, ні Б

11. Свинцеву кульку охолоджують у холодильнику. Як при цьому змінюються внутрішня енергія кульки, її маса та щільність речовини кульки? Для кожної фізичної величини визначте характер зміни. Запишіть у таблиці вибрані цифри кожної фізичної величини. Цифри у відповіді можуть повторюватися.

ФІЗИЧНА ВЕЛИЧИНА
A) внутрішня енергія
Б) маса
B) щільність

ХАРАКТЕР ЗМІНИ
1) збільшується
2) зменшується
3) не змінюється

12. У сулію, щільно закриту пробкою, закачують насосом повітря. Якоїсь миті пробка вилітає з бутлі. Що при цьому відбувається з об'ємом повітря, його внутрішньою енергією та температурою? Для кожної фізичної величини визначте її характер зміни. Запишіть у таблиці вибрані цифри кожної фізичної величини. Цифри у відповіді можуть повторюватися.

ФІЗИЧНА ВЕЛИЧИНА
A) обсяг
Б) внутрішня енергія
B) температура

ХАРАКТЕР ЗМІНИ
1) збільшується
2) зменшується
3) не змінюється

Відповіді

Внутрішня енергія тіла не є якоюсь постійною величиною. В одного й того тіла вона може змінюватися.

У разі підвищення температури внутрішня енергія тіла збільшується, Оскільки збільшується середня швидкість руху молекул.

Отже, збільшується кінетична енергія молекул цього тіла. Зі зниженням температури, навпаки, внутрішня енергія тіла зменшується.

Таким чином, внутрішня енергія тіла змінюється за зміни швидкості руху молекул.

Спробуємо з'ясувати, як можна збільшити чи зменшити швидкість руху молекул. Для цього зробимо наступний досвід. Зміцнимо тонкостінну латунну трубку на підставці (рис. 3). Наллємо в трубку трохи ефіру та закриємо пробкою. Потім трубку обов'язково мотузкою і почнемо швидко рухати її то в один бік, то в інший. Через деякий час ефір закипить, і пара виштовхне пробку. Досвід показує, що внутрішня енергія ефіру збільшилася: він нагрівся і навіть закипів.

Мал. 3. Збільшення внутрішньої енергії тіла під час роботи над ним

Збільшення внутрішньої енергії відбулося в результаті роботи при натиранні трубки мотузкою.

Нагрівання тіл відбувається також при ударах, розгинанні та згинанні, тобто при деформації. Внутрішня енергія тіла у всіх наведених прикладах зростає.

Отже, внутрішню енергію тіла можна збільшити, роблячи над тілом роботу.

Якщо ж роботу здійснює саме тіло, то його внутрішня, енергія зменшується.

Зробимо наступний досвід.

У товстостінну скляну посудину, закриту пробкою, накачаємо повітря через спеціальний отвір у ній (рис. 4).

Мал. 4. Зменшення внутрішньої енергії тіла під час роботи самим тілом

Через деякий час пробка вискочить із судини. У момент, коли пробка вискакує із судини, утворюється туман. Його поява означає, що повітря в посудині стало холодніше. Стиснене повітря, що знаходиться в посудині, виштовхуючи пробку, здійснює роботу. Цю роботу він здійснює рахунок своєї внутрішньої енергії, що у своїй зменшується. Судити про зменшення внутрішньої енергії можна з охолодження повітря в посудині. Отже, внутрішню енергію тіла можна змінити шляхом виконання роботи.

Внутрішню енергію тіла можна змінити й іншим способом, без роботи. Наприклад, вода у чайнику, поставленому на плиту, закипає. Повітря та різні предмети в кімнаті нагріваються від радіатора центрального опалення, дахи будинків нагріваються променями сонця тощо. У всіх цих випадках підвищується температура тіл, а отже, збільшується їхня внутрішня енергія. Але при цьому робота не відбувається.

Значить, зміна внутрішньої енергії може відбуватися не тільки внаслідок виконання роботи.

Як можна пояснити збільшення внутрішньої енергії у цих випадках?

Розглянемо наступний приклад.

Опустимо у склянку з гарячою водою металеву спицю. Кінетична енергія молекул гарячої води більша за кінетичну енергію частинок холодного металу. Молекули гарячої води при взаємодії з частинками холодного металу передаватимуть їм частину своєї кінетичної енергії. В результаті цього енергія молекул води в середньому зменшуватиметься, а енергія частинок металу збільшуватиметься. Температура води зменшиться, а температура металевої спиці поступово збільшиться. Через деякий час їхня температура вирівняється. Цей досвід демонструє зміну внутрішньої енергії тіл.

Отже, внутрішню енергію тіл можна змінити шляхом теплопередачі.

Процес зміни внутрішньої енергії без роботи над тілом чи самим тілом називається теплопередачею.

Теплопередача завжди відбувається у певному напрямку: від тіл із вищою температурою до тіл із нижчою.

Коли температури тіл вирівняються, теплопередача припиняється.

Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: роблячи механічну роботу або теплопередачею.

Теплопередача, у свою чергу, може здійснюватися: 1) теплопровідністю; 2) конвекцією; 3) випромінюванням.

Запитання

1. Використовуючи малюнок 3, розкажіть, як змінюється внутрішня енергія тіла, коли над ним виконують роботу.
2. Опишіть досвід, який показує, що з допомогою внутрішньої енергії тіло може зробити роботу.
3. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла у спосіб теплопередачі.
4. Поясніть на основі молекулярної будови речовини нагрівання спиці, опущеної в гарячу воду.
5. Що таке теплопередача?
6. Якими двома способами можна змінити внутрішню енергію тіла?

Вправа 2

1. Сила тертя робить над тілом роботу. Чи змінюється внутрішня енергія тіла? За якими ознаками можна судити звідси?
2. При швидкому спуску канатом нагріваються руки. Поясніть, чому це відбувається.

Завдання

Покладіть монету на аркуш фанери або дерев'яну дошку. Притисніть монету до дошки та рухайте її швидко то в один, то в інший бік. Зауважте, скільки разів треба пересунути монету, щоб вона стала теплою, гарячою. Зробіть висновок про зв'язок між виконаною роботою та збільшенням внутрішньої енергії тіла.

Як змінити механічну енергію тіла? Так, дуже просто. Поміняти його місцезнаходження чи надати йому прискорення. Наприклад, штовхнути м'ячик або підняти його над землею вище.

У першому випадку ми змінимо його кінетичну енергію, у другому — потенційну. А як справи з внутрішньою енергією? Яким чином змінити внутрішню енергію тіла? Для початку розберемося, що це таке. Внутрішня енергія – це кінетична та потенційна енергія всіх частинок, з яких складається тіло. Зокрема, кінетична енергія частинок – це енергія їхнього руху. А швидкість їхнього руху, як відомо, залежить від температури. Тобто, логічний висновок – підвищуючи температуру тіла, ми підвищимо його внутрішню енергію. Найпростіший спосіб підвищити температуру тіла – це теплообмін. При контакті тіл з різною температурою холодніше тіло нагрівається за рахунок теплішого. Тепліше тіло в цьому випадку охолоджується.

Простий щоденний приклад: холодна ложка в чашці з гарячим чаєм дуже швидко нагрівається, а чай при цьому трохи остигає. Підвищення температури тіла можливе й іншими способами. Як ми всі робимо, коли у нас на вулиці замерзають обличчя чи руки? Ми трьом їх. Під час тертя предмети нагріваються. Також предмети нагріваються під час ударів, тиску, тобто, іншими словами, при взаємодії. Всім відомо, як видобували вогонь у давнину - або терли дерев'яшки один про одного, або стукали кремнієм по іншому каменю. Також і в наш час у кремнієвих запальничках використовується тертя металевого стрижня про кремінь.

Досі йшлося про зміну внутрішньої енергії шляхом зміни кінетичної енергії складових його частинок. А як щодо потенційної енергії цих самих часток? Як відомо, потенційна енергія частинок - це енергія їхнього взаєморозташування. Таким чином, для зміни потенційної енергії частинок тіла, нам треба тіло деформувати: стиснути, скрутити і так далі, тобто змінити розташування частинок одна щодо одної. Це досягається шляхом дії на тіло. Ми змінюємо швидкість окремих частин тіла, тобто робимо над ним роботу.

Приклади зміни внутрішньої енергії

Таким чином, всі випадки на тіло з метою зміни його внутрішньої енергії досягаються двома способами. Або шляхом передачі йому тепла, тобто теплопередачею або шляхом зміни швидкості його частинок, тобто здійсненням над тілом роботи.

Приклади зміни внутрішньої енергії- це практично всі процеси, що відбуваються у світі. Не змінюється внутрішня енергія частинок у разі, коли з тілом абсолютно нічого не відбувається, що погодьтеся, крайня рідкість – закон збереження енергії діє. Навколо нас постійно щось відбувається. Навіть із предметами, з якими на перший погляд нічого не відбувається, насправді відбуваються різні непомітні нам зміни: незначні зміни температури, невеликі деформації тощо. Стілець прогинається під нашою вагою, у книги на полиці трохи змінюється температуру від кожного руху повітря, не кажучи вже про протяги. Ну а щодо живих тіл - тут зрозуміло без слів, що в них усередині весь час щось відбувається, і внутрішня енергія змінюється практично в кожний момент часу.

Тому, змінюючи температуру тіла, ми змінюємо його внутрішню енергію. При нагріванні тіла його внутрішня енергія збільшується, зменшується при охолодженні.

Зробимо досвід. Зміцнимо на підставці тонкостінну латунну трубку. Наллємо в неї трохи ефіру і щільно закриємо пробкою. Тепер обов'ямо трубку мотузкою і почнемо натирати нею трубку, швидко витягуючи у мотузку то в один, то в інший бік. Через деякий час внутрішня енергія трубки з ефіром зросте настільки, що ефір закипить і пара, що утворилася, виштовхне пробку (рис. 60).

Цей досвід показує, що Внутрішню енергію тіла можна змінити шляхом здійснення над тілом роботи, зокрема тертям.

Змінюючи внутрішню енергію шматка дерева шляхом тертя, наші предки добували вогонь. Температура займання дерева дорівнює 250 °С. Тому, щоб отримати вогонь, потрібно терти одним шматком дерева інакше, поки їх температура не досягне цього значення. Чи це легко? Коли в такий спосіб спробували здобути вогонь герої роману Жюля Верна "Таємничий острів", у них нічого не вийшло.

"Якби енергію, яку витратили Наб з Пенкрофом, можна було перетворити на тепло, її, напевно, вистачило б для опалення котла океанського пароплава. Але результат їх зусиль дорівнював нулю. Шматки дерева, щоправда, розігрілися, але значно менше, ніж самі учасники цієї операції.

Після години роботи Пенкроф був весь у поті і з досадою відкинув шматки дерева, сказавши:
- Не кажіть мені, що дикуни добувають вогонь таким чином! Я скоріше повірю, що влітку йде сніг. Легше, мабуть, запалити власні долоні, потираючи їх одну про іншу.

Причина їх невдачі полягала в тому, що вогонь слід видобувати не простим тертям одного шматка дерева про інше, а свердлінням дощечки загостреною паличкою (рис. 61). Тоді за певної вправності можна за 1 с збільшити температуру в гнізді палички на 20 °С. А щоб довести паличку до горіння, потрібно лише 250/20=12,5 секунди!

Багато людей і в наш час "добувають" вогонь тертям - тертям сірників об сірникову коробку. Чи давно з'явилися сірники? Виробництво перших (фосфорних) сірників почалося у 30-х роках. ХІХ ст. Фосфор спалахує при досить слабкому нагріванні - всього до 60 °С. Тому, щоб запалити фосфорний сірник, досить було чиркнути нею практично про будь-яку поверхню (починаючи від найближчої стіни і закінчуючи халявою чобіт). Однак ці сірники були дуже небезпечні: вони були отруйні і через легке загоряння часто спричиняли пожежу. Безпечні сірники (якими ми користуємося досі) були винайдені в 1855 р. у Швеції (звідси їхня назва "шведські сірники"). Фосфор у цих сірниках замінений іншими горючими речовинами.

Отже, шляхом тертя можна збільшити температуру речовини. Здійснюючи над тілом роботу(наприклад, ударяючи по шматку свинцю молотком, згинаючи і розгинаючи дріт, переміщуючи один предмет по поверхні іншого або стискаючи газ, що знаходиться в циліндрі з поршнем), ми збільшуємо його внутрішню енергію. Якщо ж тіло саме робить роботу" (за рахунок своєї внутрішньої енергії) то внутрішня енергія тіла зменшується і тіло охолоджується.

Поспостерігаємо це з досвіду. Візьмемо товстостінну скляну посудину і щільно закриємо її гумовою пробкою з отвором. Через цей отвір за допомогою насоса почнемо накачувати повітря в посудину. Через деякий час пробка з шумом вилетить із судини, а в самій посудині з'явиться туман (рис. 62). Поява туману означає, що повітря в посудині стало холоднішим і, отже, його внутрішня енергія зменшилася. Пояснюється це тим, що стиснене повітря, що знаходилося в посудині, виштовхуючи пробку, зробив роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії. Тому температура повітря і зменшилася.

Внутрішню енергію тіла можна змінити без виконання роботи. Так, наприклад, її можна збільшити, нагріваючи на плиті чайник із водою або опустивши ложку у склянку із гарячим чаєм. Нагрівається камін, в якому розведений вогонь, дах будинку, що освітлюється сонцем, і т. д. Підвищення температури тіл у всіх цих випадках означає збільшення їх внутрішньої енергії, але це відбувається без виконання роботи.

Зміна внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називається теплообміном. Теплообмін виникає між тілами (або частинами того самого тіла), що мають різну температуру.

Як, наприклад, відбувається теплообмін при контакті холодної ложки із гарячою водою? Спочатку середня швидкість та кінетична енергія молекул гарячої води перевищують середню швидкість та кінетичну енергію частинок металу, з якого виготовлена ​​ложка. Але в тих місцях, де ложка стикається з водою, молекули гарячої води починають передавати частину своєї кінетичної енергії частинкам ложки і ті починають рухатися швидше. Кінетична енергія молекул води зменшується, а кінетична енергія частинок ложки збільшується. Разом з енергією змінюється температура: вода поступово остигає, а ложка нагрівається. Зміна їх температури відбувається доти, доки вона і біля води, і біля ложки не стане однаковою.

Частину внутрішньої енергії, переданої від одного тіла до іншого при теплообміні, позначають буквою та називають кількістю теплоти.
Q – кількість теплоти.

Кількість теплоти не слід плутати із температурою. Температура вимірюється у градусах, а кількість теплоти (як і будь-яка інша енергія) – у джоулях.

При контакті тіл з різною температурою гаряче тіло віддає деяку кількість теплоти, а холодніше тіло його отримує.

Отже, існують два способи зміни внутрішньої енергії: 1) здійснення роботиі 2) теплообмін. При здійсненні першого з цих способів внутрішня енергія тіла змінюється на величину досконалої роботи А, а при здійсненні другого з них на величину, рівну кількості переданої теплоти Q

Цікаво, що обидва розглянуті способи можуть призводити до однакових результатів. Тому за кінцевим результатом неможливо визначити, яким саме із цих способів його досягнуто. Так, взявши зі столу нагріту сталеву спицю, ми не зможемо сказати, яким способом її нагріли шляхом тертя або зіткнення з гарячим тілом. У принципі могло бути як те, і інше.

1. Назвіть два способи зміни внутрішньої енергії тіла. 2. Наведіть приклади збільшення внутрішньої енергії тіла шляхом виконання над ним роботи. 3. Наведіть приклади збільшення та зменшення внутрішньої енергії тіла внаслідок теплообміну. 4. Що таке кількість теплоти? Як воно позначається? 5. У яких одиницях вимірюється кількість теплоти? 6. Якими способами можна видобути вогонь? 7. Коли розпочалося виробництво сірників?

Притисніть монету або шматочок фольги до картону або дошки. Зробивши спочатку 10, потім 20 і т. д. рухів то в один, то в інший бік, зауважте, що відбувається з температурою тіл у процесі тертя. Як залежить зміна внутрішньої енергії тіла від величини досконалої роботи?

Надіслано читачами з інтернет-сайтів

Електронні видання безкоштовно, бібліотека фізики, уроки фізики, програма з фізики, конспекти уроків фізики, підручники з фізики, готові домашні завдання