Таяние снега весной под лучами солнца способ изменения внутренней энергии тела

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,
$$ \Delta T=_<1>—_ <2>$$ — разность температур между границами слоя $$ (_<1>>_<2>)$$.

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:

$$I=\sigma ·^<4>$$ — (закон Стефана—Больцмана).

(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 $$ _<1>$$ до конечного объёма $$ _<2>$$. На $$ pV$$ -диаграмме график процесса представляет собой отрезок прямой линии (см. рис. 7). Сравним полученное выражение для расчёта работы $$ ^<\text<'>>$$ газа (см. выше) с «площадью» заштрихованного прямоугольника под графиком изобары $$ <>^<">S< >^<">=p(_<2>—_<1>)$$.

Нетрудно убедиться, что $$ <>^<">S< >^<">=^<\text<'>>$$, т. е. работа газа при расширении от объёма $$ _<1>$$ до объёма $$ _<2>$$ численно равна площади прямоугольника под графиком процесса на этом участке зависимости.

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 _$$. Суммируя площади под всеми изобарами, получим площадь фигуры под ломаной, которую можно приближённо считать равной работе газа при расширении:

Эту работу можно вычислить точнее, если увеличить число изобар и изохор ломаной (увеличить $$ N$$ и уменьшить $$ \Delta _$$). Площадь под ломаной при этом возрастёт,

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

Статья «СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА. Информационные материалы и методические указания к уроку».

Статья «СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА. Информационные материалы и методические указания к уроку».

1. Внутренняя энергия тела изменяется при изменении

скорости движения его молекул. Какими же

способами можно увеличить или уменьшить эту скорость?

Обратимся к опыту.

На подставке (рис. 4) укреплена тонкостенная

латунная трубка, в которую налито немного эфира,

трубка плотно закрыта пробкой. Трубку обвивают

веревкой и быстро двигают веревку то в одну, то

в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит

и его пар вытолкнет пробку. Этот опыт показывает,

что внутренняя энергия эфира увеличилась:

ведь он нагрелся и даже закипел. Это увеличение

внутренней энергии произошло в результате работы,

совершенной при натирании веревкой трубки.

Тела нагреваются также при ударах, разгибании

и сгибании, вообще при деформации. Во всех этих

случаях за счет совершенной работы увеличивается

внутренняя энергия тел.

Итак, внутреннюю энергию тела можно увеличить

путем совершения работы над телом.

Если же работу совершает само тело, то внутренняя

энергия его при этом уменьшается. Это можно

наблюдать на следующем опыте.

Берут толстостенный стеклянный сосуд, закрытый

пробкой. Через специальное отверстие в сосуд накачивают

воздух. Через некоторое время пробка выскакивает

из сосуда (рис. 5). В тот момент, когда

пробка выскочит, в сосуде появится туман. Его появление

означает, что воздух в сосуде стал холоднее

(вспомните, что и на улице туман появляется во время

Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая

пробку, совершает работу. Эту работу он совершает

за счет своей внутренней энергии, которая при

этом уменьшается, об ее уменьшении мы судим по

охлаждению воздуха в сосуде.

2. Известно, однако, что внутреннюю энергию

тела можно изменить и другим способом, без совершения

работы. Без совершения работы нагреваются

чайник с водой, стоящий на плите, металлическая

ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, печь,

в которой разведен огонь, крыша дома, освещаемая

лучами солнца, и т. п. Во всех этих случаях тоже повышается

температура тел, а.значит, увеличивается

и их внутренняя энергия. Как объяснить ее увеличение?

Как, например, нагревается холодная металлическая

ложка, опущенная в горячий чай? Скорости

теплового движения частиц горячей воды больше

скоростей частиц холодного металла. В тех местах,

где ложка соприкасается с водой, частицы горячей

воды передают часть своей кинетической энергии

частицам холодного металла. Поэтому энергия частиц

воды в среднем уменьшается, а энергия частиц

металла увеличивается: температура воды уменьшается,

а температура ложки увеличивается — температуры

их постепенно выравниваются. С уменьшением

кинетической энергии молекул воды уменьшается

и внутренняя энергия всей воды, находящейся

в стакане, а внутренняя энергия ложки увеличивается.

Ту часть внутренней энергии, которая перешла от

воды к ложке, называют к о л и ч е с т в о м т е п л о ты.

Для нее применяют также названия: «теплота»

или «тепло». Поэтому и тот способ изменения внутренней

энергии, при котором над телом не совершается

работа, а энергия передается от одних частиц

к другим, называют п е р е д а ч ей т е п л о ты

или т е п л о п е р е д а ч е й.

Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить

двумя способами: совершением механической

работы или теплопередачей.

Когда тело уже нагрето, мы не можем указать,

каким из двух способов это было сделано. Так, держа

в руках нагретую стальную спицу, мы не можем

сказать, каким способом ее нагрели — натирая ее

или помещая в пламя.

1. Приведите примеры, показывающие, что внутренняя энергия

тела увеличивается при совершении над телом работы.

2. Опишите опыт, показывающий, что за счет своей внутренней

энергии тело может совершить работу. 3. Приведите

примеры увеличения внутренней энергии тела способом теплопередачи.

4. Объясните с точки зрения молекулярного строения

вещества теплопередачу. 5. Какими двумя способами

можно изменить внутреннюю энергию тела?

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Сейчас обучается 807 человек из 76 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Сейчас обучается 358 человек из 68 регионов

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Курс добавлен 23.09.2021

Сейчас обучается 46 человек из 23 регионов

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

Похожие материалы

Статья «ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. Информационные материалы и методические указания к уроку».

Статья «ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ПЕРЕХОД МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВНУТРЕННЮЮ ЭНЕРГИЮ. Информационные материалы и методические указания к уроку».

Самостоятельная работа по теме: «Плотность вещества» физика 7 класс

Самостоятельная работа по теме: «Расчет массы и объема тела по его плотности» физика 7 класс

Самостоятельная работа по теме: «Сила. Явление тяготения. Сила тяжести. Связь между силой тяжести и массой тела» физика 7 класс

Самостоятельная работа по теме: «Сила упругости. Закон Гука. Динамометр» физика 7 класс

Самостоятельная работа по теме: «Вес тела» физика 7 класс

Самостоятельная работа по теме «Равнодействующая сила» физика 7 класс

Не нашли то что искали?

Воспользуйтесь поиском по нашей базе из
5310447 материалов.

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами

Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно

Российский совет олимпиад школьников намерен усилить требования к олимпиадам

Время чтения: 2 минуты

Минпросвещения разрабатывает образовательный минимум для подготовки педагогов

Время чтения: 2 минуты

ЕСПЧ запретил учителям оскорблять учеников

Время чтения: 3 минуты

Правительство предложило потратить до 1 млрд рублей на установку флагов РФ у школ

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор откажется от ОС Windows при проведении ЕГЭ до конца 2024 года

Время чтения: 1 минута

В 16 регионах ввели обязательную вакцинацию для студентов старше 18 лет

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник
Читайте также: Рафинированное масло способ приготовления