Какие существуют способы измерения внутренней энергии
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 измерения внутренней энергии
Описание презентации по отдельным слайдам:
Способы изменения внутренней энергии. Преподаватель физики: НАГОГА ЕКАТЕРИНА МИХАЙЛОВНА Барабинский филиал Новосибирского колледжа транспортных технологий имени Н. А. Лунина. Граф Румфорд (англ. физик Томпсон) так объяснил свой интерес к науке о теплоте : «Обедая, я часто замечал, что ….яблочные пироги…оставались горячими удивительно долго. Сильно пораженный….я всегда пытался, но все напрасно, найти хоть какое-нибудь объяснение удивительному явлению».
Цели: 1. Учебные: вести понятие внутренней энергии, работы в термодинамике; ознакомить обучающихся с первым началом термодинамики; 2. Развивающие: содействовать развитию речи, мышления, овладению методами научного исследования: анализа и синтеза. 3. Воспитательные: формировать познавательный интерес; формирование положительной мотивации к учению; воспитание дисциплинированности, эстетического восприятия мира.
Повторение домашнего задания: 1. По характеру относительного расположения частиц, тв. тела делятся на какие виды? ОТВЕТ: Кристаллы, аморфные тела. 2. Что из себя представляют кристаллы? ОТВЕТ: В кр. телах молекулы, атомы и ионы расположены в определенном порядке в форме кристаллической решетки образуя дальний порядок. Примеры: железо, серебро, медь, лед, графит, алмаз, соль, сахар. 3. Что из себя представляют аморфные тела? ОТВЕТ: Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении молекул, они расположены в форме кристаллической решетки образуя ближний порядок. Примеры: стекло, канифоль, смола, каучук, пластмасса, свечи, парафин. 4. Перечислите основные свойства кристаллических тел? Ответ: Сохраняет обьем и форму, анизотропны. 5. Перечислите основные свойства аморфных тел? ОТВЕТ: Сохраняет обьем и форму при низких температурах, с повышением температуры ведут себя как вязкие жидкости, изотропны. 6. Что представляет из себя монокристалл? ОТВЕТ: Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кр. решетку. 7. Что представляет из себя поликристалл? ОТВЕТ: Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.
Что такое ТЕРМОДИНАМИКА? — это раздел физики, исследующий свойства макроскопических тел с энергетических позиций. Макроскопические тела имеют параметры Р, V, T: P- давление V- объем Т-термодинамическая температура.
Внутренняя энергия- это…….. ? — суммарная кинетическая энергия движения и взаимодействия молекул. — для одноатомного газа При использовании уравнения Менделеева- Клапейрона U=3/2 PV Внутренняя энергия двухатомного газа: U=5/2 PV Внутренняя энергия произвольного идеального газа: U=i/2 PV
ДВА СПОСОБА ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ Теплообмен- тело получает или отдает некоторое количество теплоты в процессе теплопередачи. теплообмен теплопроводность конвекция излучение Энергия передается от более нагретого тела, к менее нагретому. Энергия, переданная системе или полученная системой при теплообмене, называется количеством теплоты
К тепловым явлениям относятся: Q- количество теплоты. Единица измерения — Дж Если система получает тепло, то Q> 0, если отдает Q 8 слайд 
2. Совершение механической работы: Если работа совершается над телом, то его внутренняя энергия увеличивается; если же тело само совершает работу, это ведет к уменьшению его внутренней энергии. Работа газа: А= + рV или А= — рV V > 0 — газ совершает положительную работу; V 9 слайд
Закрепление изученного. Решение задач. В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при температуре 10 º С. Как изменится внутренняя энергия гелия, если его температура повысится до 30 º С. Воздух находится под давлением 3*10^5 Па и занимает объём 0,6 м^3. Какая работа будет совершена при уменьшении его объёма до 0,2 м^3.
Самостоятельная работа. Закончите фразы: 1) Количество теплоты – количественная характеристика изменения внутренней энергии системы путем . а) совершения работы. б) передачи электроэнергии. в) совершения работы и теплообмена. г) теплообмена. 2) Внутренняя энергия – это . а) энергия, зависящая только от внутреннего состояния системы. б) энергия тел, входящих в термодинамическую систему. в) кинетическая энергия движения молекул. г) потенциальная энергия атомов. 3) Какое определение ошибочно? Внутренней энергией тела называется . а) энергия этого тела за вычетом механической энергии тела как целого. б) сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих тело. в) сумма кинетических энергии молекул. г) все определения неправильны. 4) Внутреннюю энергию можно изменить: а) можно изменить только путем теплопередачи. б) нельзя изменить. в) можно изменить только путем совершения работы. г) можно изменить путем совершения работы и теплопередачи. 5) Термодинамическая система – это . а) совокупность тел с разными температурами. б) тела, обладающие высокой температурой. в) совокупность макроскопических тел, обменивающихся друг с другом энергией г) совокупность макроскопических тел и полей, обменивающихся друг с другом и внешней средой энергией и веществом. 6) Наука, исследующая свойства макроскопических тел с энергетических позиций, называется . а) молекулярно-кинетическои теорией. б) динамикой. в) термодинамикой. г) энергодинамикои.
Домашнее задание § 75-77, упражнение 15 № 1,2
Источник
Какие существуют способы измерения внутренней энергии
Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется его полной механической энергией, которая зависит от скорости движения тела и от его положения относительно того тела, с которым оно взаимодействует. Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу. При совершении работы энергия тела изменяется. Значение работы равно изменению энергии. (подробнее о Механической энергии в конспекте «Механическая энергия. Закон сохранения энергии»)
Внутренняя энергия
Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать, то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.
При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетической энергией (Ек) молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией (Еп), поскольку они взаимодействуют. Внутреннюю энергию обозначают буквой U. Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж). U = Eк + En.
Способы изменения внутренней энергии
Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию. Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела.
Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.
Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды — повысится. В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи, о чем и свидетельствует понижение её температуры.
Молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
Конспект урока по физике в 8 классе «Внутренняя энергия».
Источник
