Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела приведите примеры
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
Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела приведите примеры
Назад в «Оглавление» — смотреть
1. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.
3. Как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу?
При совершении работы, т.е. при натирании трубки с эфиром с помощью веревки, происходит увеличение температуры сначала трубки, а затем и эфира в ней.
Увеличение температуры приводит к увеличению внутренней энергии сначала трубки, а затем и эфира.
Далее пары эфира выталкивают пробку — внутренняя энергия эфира частично превращается в механическую (кинетическую) энергию пробки.
4. Может ли тело совершить работу за счёт внутренней энергии?
— В опыте с натиранием веревкой трубки с эфиром, закрытой пробкой, пары эфира выталкивают пробку.
Здесь эфир совершает работу.
Внутренняя энергия эфира частично превращается в механическую (кинетическую) энергию пробки.
— При нагревании и кипячении воды в чайнике крышка чайника начинает подпрыгивать.
Водяные пары в чайнике совершают работу, сдвигая крышку.
Здесь внутренняя энергия паров воды частично превращается в механическую (кинетическую) энергию крышки.
1. Что называется теплопередачей?
Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
5. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
Возьмем металлическую ложку и опустим ее в стакан с горячим чаем.
Ложка нагреется, а чай охладится.
При этом внутренняя энергия и воды, и ложки изменится.
Произойдет передача части внутренней энергии воды другому телу — ложке.
Передача тепла (теплопередача) направлена всегда от более нагретого тела менее нагретому.
Другие примеры изменения внутренней энергии тела за счет теплопередачи:
— прогревание органов тела УВЧ-излучением,
— нагрев воздуха в фене электроспиралью,
— нагрев пищи при варке на газовой горелке.
6. Как объяснить на основе молекулярного строения вещества нагревание металлической ложки, опущенной в горячую воду?
Вначале средняя кинетическая энергия молекул воды больше средней кинетической энергии частиц металлической ложки.
За счет более частых ударов молекул воды (в местах соприкосновения воды с металлом) молекулы воды побуждают частицы металла двигаться быстрее.
Частицы металла увеличивают свою скорость, что приводит к увеличению температуры металла, т.е. к увеличению внутренней энергии металла.
Постепенно молекулы воды передадут часть своей энергии металлу, и температуры обоих тел выравняются.
Так произойдет уменьшение внутренней энергии воды и увеличение внутренней энергии ложки.
Вода охладится, а ложка нагреется.
7. Какие виды теплопередачи существуют?
Теплопередача может осуществляться тремя способами:
— теплопроводностью;
— конвекцией;
— излучением.
Источник
Способы изменения внутренней энергии
Конспект по физике для 8 класса «Способы изменения внутренней энергии». ВЫ УЗНАЕТЕ: Как можно изменить внутреннюю энергию тела. Что такое теплопередача.
Способы изменения внутренней энергии
Чтобы понять, каким способом можно изменить внутреннюю энергию, необходимо знать, от чего она зависит. Мы уже знаем, что внутренняя энергия зависит от средней кинетической энергии частиц, составляющих тело, и, следовательно, от его температуры. Значит, для изменения внутренней энергии тела нужно изменить его температуру.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И РАБОТА
Совершая работу, мы можем изменить, например, потенциальную энергию тела. Подняв тело над поверхностью земли, мы тем самым увеличили его потенциальную энергию. Совершив работу, можно также изменить и внутреннюю энергию тела.
При трении тела нагреваются. Если потереть одну ладонь о другую, кожа нагреется. Если быстро спуститься по спортивному канату, то кожу на ладонях можно даже обжечь. Нагревание при трении люди использовали в древности для добывания огня. В наше время одним из способов добывания огня является трение спичечной головки о спичечный коробок.
В специализированной физической лаборатории при соблюдении всех мер предосторожности можно провести следующий опыт. На подставке укрепляется тонкостенная латунная трубка. В неё наливается немного эфира, и она закрывается пробкой. Затем трубка обвивается верёвкой. Если быстро натирать трубку верёвкой, то через некоторое время эфир закипит и пар вытолкнет пробку.
Этот опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась, ведь он нагрелся и даже закипел. А причиной изменения внутренней энергии эфира стала наша работа против сил трения.
Именно из-за того, что температура в сосуде понижается, и появляется туман. Как и почему это происходит, мы с вами обсудим немного позднее. Всем, кто открывал бутылки с лимонадом, это явление хорошо знакомо: над горлышком появляется туман.
Увеличить внутреннюю энергию тела можно путём деформации. Если несколько раз ударить молотком по свинцовому шарику, он деформируется и заметно нагреется. Совершённая при этом работа приведёт к изменению взаимного расположения атомов свинца и к изменению характера их движения.
Рассмотрим пример, когда совершённая работа приводит к уменьшению внутренней энергии тела. В стеклянный толстостенный сосуд, закрытый резиновой пробкой, с помощью насоса нагнетается воздух, содержащий водяной пар. Через некоторое время пробка вылетает из сосуда, а в самом сосуде образуется туман, представляющий собой мельчайшие капельки воды.
Накачивая воздух в сосуд, мы совершаем работу. Число молекул в сосуде возрастает, увеличивается частота и сила их ударов, возрастает скорость их движения, и, следовательно, увеличивается внутренняя энергия и температура воздуха в сосуде. Затем сжатый воздух выталкивает пробку, совершая работу. При этом его внутренняя энергия уменьшается, и температура воздуха в сосуде понижается.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения механической работы. Например, внутреннюю энергию воды можно увеличить, нагрев на плите чайник. Если поставить горячую кастрюлю на холодную подставку, то с течением времени она остынет. Во всех приведённых примерах внутренняя энергия изменяется, хотя работа при этом не совершается.
Опустим металлическую ложку в стакан с горячей водой. Начальная температура воды выше температуры ложки. Значит, средняя кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы воды, сталкиваясь с атомами металла, передают им часть своей энергии. При этом кинетическая энергия частиц металла увеличивается, а кинетическая энергия молекул воды уменьшается. В результате температура воды уменьшится, а температура ложки увеличится. С течением времени их температуры станут равными.
При непосредственном контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу, температура которого изначально была ниже. При этом внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а внутренняя энергия тела с меньшей температурой увеличивается.
Процесс передачи энергии от более нагретого тела или участков тела к менее нагретым называют теплопередачей или теплообменом.
Когда температуры тел становятся равными, теплопередача прекращается. При этом процесс теплопередачи необратим. Это означает, что невозможен самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от холодного тела к нагретому.
В XVIII в. французскими химиками была выдвинута идея теплорода — некой субстанции, объясняющей явления, связанные с теплотой и теплопередачей. Считалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга, но притягивают частицы других веществ. Повышение температуры тела связывалось с увеличение количества теплорода, а понижение температуры — с его уменьшением. В середине XIX в. теория теплорода была отвергнута. Ей на смену пришла молекулярно-кинетическая теория строения вещества.
Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) (1753 — 1814) Английский физик. В его честь Лондонское королевское общество учредило награду для выдающихся учёных — медаль Румфорда.
В 1798г. Румфорд сделал важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Для более точного исследования он проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал поместили тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 мин операции температура повысилась на десятки градусов Цельсия. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагрелась и спустя 2,5 ч закипела.
Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Способы изменения внутренней энергии».
Источник
