Способы измерения внутренней энергии системы

Внутренняя энергия вещества и способы ее изменения

теория по физике 🧲 термодинамика

Внутренняя энергия сосредоточена «внутри» вещества и складывается из потенциальной энергии взаимодействующих молекул (атомов) и кинетической энергии их движения:

U = ∑ E k 0 + ∑ E p 0

∑ E k 0 — кинетическая энергия молекул (атомов), которая зависит от скорости их движения. Она изменяется только при изменении температуры. В процессе агрегатных переходов кинетическая энергия молекул остается неизменной.

∑ E p 0 — потенциальная энергия взаимодействия молекул, которая зависит от расстояния между ними. Она изменяется при изменении температуры и объема. Например, в процессе агрегатных переходов изменяется именно потенциальная энергия молекул.

Способы изменения внутренней энергии:

• Совершение работы (за счет трения или ударов).
• Испарение (в процессе испарения внутренняя энергия жидкости понижается).
• Теплопередача (приведение в соприкосновение с более холодным или более нагретым телом).

Виды теплопередачи

Выделяют три вида теплопередачи: теплопроводность, конфекцию и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность — способность тел переносить внутреннюю энергию без переноса вещества от более нагретых участков тела к более холодным.

При теплопроводности происходит постепенное увеличение скорости движения молекул. Это возможно только благодаря межмолекулярному взаимодействию. Поэтому теплопроводность в твердых телах происходит быстрее, чем в жидкостях. В газах она осуществляется еще медленнее. Для сохранения тепла используют пористые материалы, в которых много воздуха. Воздух — это смесь газов, поэтому он плохо переводит тепло.

Важно! В вакууме теплопроводность невозможна.

Конвекция

Конвекция — это перенос внутренней энергии, сопровождающийся переносом вещества.

При конвекции теплые слои жидкости или газа поднимаются, а холодные опускаются. Конвекция осуществляется только в жидкостях и газах.

Важно! В твердых телах и в вакууме конвекция невозможна.

Излучение

Излучение — это перенос теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло.

Энергию излучают все нагретые тела. Чем больше нагрето тело, тем сильнее излучение. Теплопередача за счет излучения возможна в любой среде, в том числе и в вакууме.

Темные поверхности хорошо поглощают излучение, но быстро отдают энергию при охлаждении. Зеркальные и светлые поверхности отражают часть излучения и медленно остывают.

Количество теплоты

Количество теплоты Q (Дж) — физическая величина, которая показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия вещества в процессе теплопередачи:

Если внутренняя энергия вещества увеличивается, то Q > 0. Это происходит при нагревании, плавлении и кипении.

Если внутренняя энергия вещества уменьшается, Q Формула теплоты при нагревании или охлаждении

При нагревании или охлаждении вещество получает (отдает) количество теплоты, определяемое по формуле:

Q = c m Δ t = c m ( t − t 0 )

∆t — изменение температуры вещества (в о С или К), t₀— начальная температура вещества, t — конечная температура вещества, m — его масса (кг), c — удельная теплоемкость вещества (Дж/(кг∙К)).

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 градус. Такое же количество теплоты выделится при охлаждении 1 кг этого вещества на 1 градус.

Внимание! Удельная теплоемкость вещества — табличная величина.

Количество теплоты также определяется формулой:

∆T — изменение температуры в Кельвинах, а C — теплоемкость вещества.

Теплоемкость вещества показывает, сколько теплоты поглощает тело при нагревании на 1 К. Измеряется в Дж/кг. Численно теплоемкость равна произведению массы вещества на его удельную теплоемкость:

Пример №1. Температура медного образца массой 100 г увеличилась на 40 о С. Какое количество теплоты получил образец? Удельная теплоемкость меди равна 380 Дж/(кг∙К).

Q = c m Δ t = 380 · 0 , 1 · 40 = 1520 ( Д ж )

Сгорание топлива

При сгорании топлива выделяется количество теплоты, определяемое формулой:

m — масса сгоревшего топлива (кг), q — удельная теплота сгорания топлива (Дж/кг).

Удельная теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг данного вида топлива.

Внимание! Удельная теплота сгорания — табличная величина.

Пример №2. Сгорело 5 сухих березовых поленьев. Каждый весил 1 кг. Определить, количество выделенной теплоты, если удельная теплота сгорания березовых дров составляет 15 МДж/кг.

15МДж = 15∙10 9 Дж

Так как сгорело 5 поленьев по 1 кг, то всего сгорело 5 кг сухих березовых дров. Отсюда:

Q = q m = 5 · 15 · 10 9 = 75 · 10 9 ( Д ж ) = 75 ( М Д ж )

Алгоритм решения

1. Определить тип теплопередачи.
2. Вспомнить, как происходит этот тип теплопередачи.
3. Сделав анализ рисунка, установить, какой брусок имеет указанную в задаче температуру.

Решение

Так как это твердые тела, поверхности которых соприкасаются друг с другом, и перенос тепла происходит без переноса вещества, то этот вид теплопередачи является теплопроводностью. Тепло всегда направлено от более нагретого тела к менее нагретому.

На рисунке видно, что самым нагретым телом является нижний брусок, так как он только отдает тепло, но не принимает его. Средний брусок справа менее нагрет, чем нижний, так как принимает от него тепло. Но он более теплый по сравнению со средним бруском слева, так как он делится с ним теплом. И оба этих бруска отдают свою энергию верхнему бруску, который сам только принимает тепло, но не отдает его. Следовательно, именно он имеет температуру +40 о С.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

Способы измерения внутренней энергии системы

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

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