Какие бывают способы изменения внутренней энергии
Внутреннюю энергию тела можно изменить:
1) теплопередачей (теплопроводностью, конвекцией и излучением);
2) совершением механической работы над телом (трение, удар, сжатие и др.).
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
А)
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:
| Здесь | $$ k$$ – коэффициент теплопроводности вещества слоя, |
| $$ S$$ – площадь поверхности, через которую происходит теплопередача (см. рис 3), | |
| $$ h$$ – толщина слоя вещества, | |
| $$ t$$ – время наблюдения, | |
| $$ \Delta T= |
Например, тепловая энергия уходит из комнаты через стену на улицу.
$$ S$$ – площадь поверхности стены,
- $$ h$$ – толщина слоя вещества, составляющего стену.
- $$ \Delta T$$ – разность температур между комнатой $$ \left(
_<1>\right)$$ и улицей $$ \left( _<2>\right)$$;
$$ k$$ – коэффициент теплопроводности вещества стены.
Следует отметить, что значения коэффициентов теплопроводности различных веществ отличаются столь сильно, что некоторые вещества применяют как эффективные теплопроводники (металлы, термомастика), а другие, наоборот, как теплоизоляторы (кирпич, дерево, пенопласт).
Б) В поле силы тяжести ещё одним механизмом теплопередачи может служить конвекция.
называют процесс перемешивания вещества, осуществляемый силой Архимеда, вследствии разности температур.
Конвекция может быть обнаружена в газах, жидкостях или сыпучих материалах.
Например, в кастрюле (см. рисунок 4) нагреваемая снизу вода расширяется, плотность её уменьшается. Сила Архимеда, действующая на небольшой фрагмент прогретой воды, поднимает её вверх. На поверхности прогретая вода остывает, смешиваясь с более холодной водой, испаряясь и т. п. Вследствие чего вода сжимается, становится более плотной, и тонет. Возникает конвективная ячейка.
На практике часто встречается принудительная конвекция, осуществляемая насосами или специальными перемешивающими механизмами.
В) Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны, которые переносят энергию. При комнатной температуре это в основном инфракрасное излучение. Так происходит лучистый теплообмен, или теплопередача посредством теплового излучения.
Из этого факта вытекает, что энергией в форме излучения обмениваются практически все окружающие нас тела. Этот процесс также приводит к выравниванию температур тел, участвующих в теплообмене.
Согласно теории равновесного теплового излучения интенсивность $$ I$$ излучения так называемого абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры $$ T$$ тела:
| $$I=\sigma · | (10) |
Где `sigma=5,67*10^(-8)` `»Вт»//»м»^2«»К»^4` — постоянная Стефана-Больцмана.
(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
Здесь $$ F$$ – сила, действующая на поршень со стороны газа,
- $$ p$$ – давление газа,
- $$ S$$ – площадь поверхности поршня,
$$ \Delta V$$ – изменение объёма газа.
В некоторых случаях для расчёта работы газа в тепловом процессе удобно воспользоваться графическим методом . Суть его можно представить следующим образом. Допустим, что газ изобарно расширяется от начального объёма $$
Нетрудно убедиться, что $$ <>^<">S< >^<">=^<\text<'>>$$, т. е. работа газа при расширении от объёма $$
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`.
Докажем это, рассмотрев переход газа из состояния 1 в состояние 2 не по кривой, а по ломаной, состоящей из $$ N$$ отрезков изохор и изобар. Работа на $$ i$$-ой изобаре (на рисунке $$ i=5$$) равна $$ _=
_·\Delta
Эту работу можно вычислить точнее, если увеличить число изобар и изохор ломаной (увеличить $$ N$$ и уменьшить $$ \Delta
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.
При разбиении фигуры, образованной графиком процесса, изохорами и осью объёмов, на бесконечно малые элементы, изменение объёма записывается как $$ dV$$ (рис. 9). В этом случае малый элемент общей работы (элементарную работу) можно найти как $$ dA=p·dV$$, а всю работу получим суммированием всех элементарных работ на участке расширения:
Работа газа численно равна площади фигуры под графиком $$ p\left(V\right)$$.
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.
Источник
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.
Источник
