Что называют внутренней энергией тела от чего она зависит способы ее изменения примеры

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:

U = ∑ E k 0 + ∑ E p 0

∑ 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:

• Совершение работы (за счет трения или ударов).
• Испарение (в процессе испарения внутренняя энергия жидкости понижается).
• Теплопередача (приведение в соприкосновение с более холодным или более нагретым телом).

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).

Q = c m Δ t = 380 · 0 , 1 · 40 = 1520 ( Д ж )

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.

15МДж = 15∙10 9 Дж

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

1. Определить тип теплопередачи.
2. Вспомнить, как происходит этот тип теплопередачи.
3. Сделав анализ рисунка, установить, какой брусок имеет указанную в задаче температуру.

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

Источник

Что называют внутренней энергией тела от чего она зависит способы ее изменения примеры

Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:

1. кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
2. потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
3. внутриатомная и внутриядерная энергии.

В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела.

Внутренняя энергия — величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения частиц вещества и потенциальной энергии их взаимодействия.

Ч ислом степени свободы называется число независимых переменных, определяющих положение тела в пространстве и обозначается i .

Как видно, положение материальной точки (одноатомной молекулы) задаётся тремя координатами, поэтому она имеет три степени свободы: i = 3

Внутренняя энергия зависит от температуры. Если изменяется температура, значит изменяется внутренняя энергия.

Изменение внутренней энергии

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U2 — U1. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы.

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, — проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена. Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

1. Найдите внутреннюю энергию 2 кг водорода при температуре 200 °С.

А) 6,1 кДж; Б) 6,1 МДж; В) 610 000 Дж.

2. Найдите внутреннюю энергию 5 м 3 гелия при давлении 10 5 Па.

А) 7,5 МДж; Б) 7,5 кДж; В) 750 000 Дж.

3. Сравните внутреннюю энергию 32 г кислорода и 2 г водорода при температуре 23 °С.

4. Сравните внутреннюю энергию 1 моля кислорода и 1 моля аргона при одной и той же температуре.

5. От каких величин зависит внутренняя энергия газа?

А) только от Т; Б) только от V; В) от Т и V.

Источник

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.

Источник