Как называется способ изменения внутренней энергии без совершения работы

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.

Кроме того, для описания процесса сжигания топлива существовала аналогичная теория, которая говорила, что существует такая гипотетическая материя, как флогистон. Считалось, что он содержится во всех горючих веществах и при их горении высвобождается и дает высокую температуру. Термин был введен впервые в начале XVIII века учеными Иоганном Бехером и Георгом Шталем . Позже и теория флогистона была раскритикована и сегодня не упоминается в научных трудах, как и теория теплорода.

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.

Источник

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.

У нас есть металлическая трубка, закрепленная на подставке. Наливаем в трубку немного эфира (бесцветная летучая жидкость, употребляется в технике и медицине для дезинфекции, имеет температуру кипения около $35 \degree C$). Закрываем пробкой. Обвиваем вокруг трубки веревку, и начинаем быстро двигать ее в разные стороны. Что произойдет?

После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку.

Такой способ используется при разведении огня в диких условиях. Древние люди обладали им в совершенстве. При вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на $250 \degree C$ и загорался.

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?

Температура горячей воды намного больше температуры холодной ложки. Значит, кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц металлической ложки
Молекулы воды начинают взаимодействовать с частицами металла – передают им часть своей кинетической энергии
Энергия молекул воды уменьшается, энергия частиц металла увеличивается
Температура воды уменьшается, температура ложки увеличивается
Вскоре им температуры выравниваются

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.

Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.

Теплопередача происходит между телами с разной температурой
Теплопередача идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой
Теплопередача заканчивается, когда температуры тел выравниваются (становятся равны друг другу)

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.

Источник

Как называется способ изменения внутренней энергии без совершения работы

Главная
Обучение
Предварительный просмотр

Мероприятия / ВИШР
Обучение
Тренажер ЕГЭ
Учебные пособия
Игры
120 лет ТПУ. Викторина онлайн
Университетские субботы
Высшая инженерная школа России

Физика

2.2.3. Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы

Внутренняя энергия тела состоит из кинетической энергии всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальной энергии взаимодействия между молекулами. Изменение потенциальной энергии связано с работой. Изменение же кинетической энергии — с температурой, так как скорость движения молекул зависит от температуры. Температуру тела можно изменить, совершая работу и передавая тепло от более нагретого тела менее нагретому.

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы телом или над телом называется теплопередачей.

Теплопередача всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Теплопередача осуществляется тремя способами: 1- теплопроводностью, 2- конвекцией, 3- излучением.

Теплопроводность

Как показывают опыты, вещества обладают различной теплопроводностью. Металлы хорошо проводят тепло. Деревянная и стеклянная палочки, жидкости и газы обладают плохой теплопроводностью. Выясним как происходит передача тепла в веществе. В металлах частицы совершают колебательные движения, скорость которых зависит от температуры. Если будем нагревать конец проволоки, то молекулы нагретого конца начнут колебаться с большей амплитудой. Так как частицы находятся в взаимодействии с другими молекулами, то ближайшие молекулы тоже начнут колебаться с большей скоростью. Следовательно, увеличивается энергия, а значит и температура.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца к другому, передается только скорость колебательного движения. В жидкостях и газах молекулы находятся на достаточно большом расстоянии, поэтому передача скорости колебания между молекулами затруднена, следовательно, и теплопроводность ниже.

Плохой теплопроводность обладают шерсть, перья, бумага, пробка и все пористые вещества. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ имеется воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум. Это объясняется тем, что перенос энергии от одной части тела к другой происходит при теплопроводности только при взаимодействии молекул или других частиц.

Конвекция

Конвекцией называется передача тепла (энергии) за счет переноса вещества в газах и жидкостях.

В отапливаемых помещениях благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз. Это происходит потому, что плотность теплого воздуха меньше, так как расстояния между молекулами увеличиваются при увеличении температуры.

Рассматривают два вида конвекции: естественную (свободную) и вынужденную. Так нагревание воздуха или жидкости называют естественной конвекцией, а перемешивание жидкости мешалкой, ложкой, насосом и д. р. Называют искусственной конвекцией.

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция их необходимо нагревать снизу. В твердых телах конвекция не происходит.

Излучение.

Все тела поглощают и излучают энергию. Энергия излучения пропорциональна температуре в четвертой степени. Следовательно, более нагретое тело излучит больше энергии, чем поглотит, а холодное тело больше поглотит, чем излучит. В результате спустя какое-то время температура этих тел сравняется. Передача тепла с помощью излучения не связано не с переносом взаимодействия, не с переносом вещества, а только с переносом электромагнитного излучения.

Источник