Перечислите способы изменения внутренней энергии 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
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
