Теплопроводность как микроскопический способ изменения внутренней энергии

Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии

1. Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело; она прямо пропорциональна массе тела и квадрату его скорости. Потенциальной энергией обладают взаимодействующие между собой тела. Потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землёй, прямо пропорциональна его массе и расстоянию между
ним и поверхностью Земли.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется его полной механической энергией. Таким образом, полная механическая энергия 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.

2. Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать воздух (рис. 67), то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман.

Это объясняется тем, что в воздухе, находящемся в банке, присутствует водяной пар, образующийся при испарении воды. Появление тумана означает, что пар превратился в воду, т.е. сконденсировался, а это может происходить при понижении температуры. Следовательно, температура воздуха в банке понизилась.

Причина этого следующая. 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.

3. Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Кинетической энергией ​ \( (E_к) \) ​ молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией \( (E_п) \) , поскольку они взаимодействуют.

Внутреннюю энергию обозначают буквой ​ \( U \) ​. Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж).

4. 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.

Внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его взаимодействия с другими телами. Так, внутренняя энергия мяча, лежащего на столе и на полу, одинакова, так же как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь сопротивлением его движению).

Об изменении внутренней энергии можно судить по значению совершённой работы. Кроме того, поскольку внутренняя энергия тела зависит от его температуры, то по изменению температуры тела можно судить об изменении его внутренней энергии.

5. Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Так, в описанном опыте внутренняя энергия воздуха и паров воды в банке уменьшалась при совершении ими работы по выталкиванию пробки. Температура воздуха и паров воды при этом понижалась, о чём свидетельствовало появление тумана.

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 этом случае работа не совершается, однако внутренняя энергия горячей воды уменьшается, о чем и свидетельствует понижение её температуры.

Поскольку вначале температура горячей воды была выше температуры холодной воды, то и внутренняя энергия горячей воды больше. А это значит, что 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.

В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи.

Теплопередачей называется способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Внутренняя энергия газа в запаянном сосуде постоянного объёма определяется

1) хаотическим движением молекул газа
2) движением всего сосуда с газом
3) взаимодействием сосуда с газом и Земли
4) действием на сосуд с газом внешних сил

2. Внутренняя энергия тела зависит от

A) массы тела
Б) положения тела относительно поверхности Земли
B) скорости движения тела (при отсутствии трения)

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только Б и В

3. Внутренняя энергия тела не зависит от

A) температуры тела
Б) массы тела
B) положения тела относительно поверхности Земли

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только А и Б

4. Как изменяется внутренняя энергия тела при его нагревании?

1) увеличивается
2) уменьшается
3) у газов увеличивается, у твёрдых и жидких тел не изменяется
4) у газов не изменяется, у твёрдых и жидких тел увеличивается

5. Внутренняя энергия монеты увеличивается, если её

1) нагреть в горячей воде
2) опустить в воду такой же температуры
3) заставить двигаться с некоторой скоростью
4) поднять над поверхностью Земли

6. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится на полке, висящей на высоте 80 см относительно стола. Внутренняя энергия стакана с водой на столе равна

1) внутренней энергии воды на полке
2) больше внутренней энергии воды на полке
3) меньше внутренней энергии воды на полке
4) равна нулю

7. После того как горячую деталь опустят в холодную воду, внутренняя энергия

1) и детали, и воды будет увеличиваться
2) и детали, и воды будет уменьшаться
3) детали будет уменьшаться, а воды увеличиваться
4) детали будет увеличиваться, а воды уменьшаться

8. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится в самолете, летящем со скоростью 800 км/ч. Внутренняя энергия воды в самолёте

1) равна внутренней энергии воды в комнате
2) больше внутренней энергии воды в комнате
3) меньше внутренней энергии воды в комнате
4) равна нулю

9. После того как в чашку, стоящую на столе, налили горячую воду, внутренняя энергия

1) чашки и воды увеличилась
2) чашки и воды уменьшилась
3) чашки уменьшилась, а воды увеличилась
4) чашки увеличилась, а воды уменьшилась

10. Температуру тела можно повысить, если

А. Совершить над ним работу.
Б. Сообщить ему некоторое количество теплоты.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

11. Свинцовый шарик охлаждают в холодильнике. Как при этом меняются внутренняя энергия шарика, его масса и плотность вещества шарика? Для каждой физической величины определите соответствующий характер изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) внутренняя энергия
Б) масса
B) плотность

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

12. В бутыль, плотно закрытую пробкой, закачивают насосом воздух. В какой-то момент пробка вылетает из бутыли. Что при этом происходит с объёмом воздуха, его внутренней энергией и температурой? Для каждой физической величины определите характер её изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) объём
Б) внутренняя энергия
B) температура

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Источник

Теплопроводность как микроскопический способ изменения внутренней энергии

• Главная
• Обучение
• Предварительный просмотр

• Мероприятия / ВИШР
• Обучение
• Тренажер ЕГЭ
• Учебные пособия
• Игры
• 120 лет ТПУ. Викторина онлайн
• Университетские субботы
• Высшая инженерная школа России

Физика

2.2.3. Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы

Внутренняя энергия тела состоит из кинетической энергии всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальной энергии взаимодействия между молекулами. Изменение потенциальной энергии связано с работой. Изменение же кинетической энергии — с температурой, так как скорость движения молекул зависит от температуры. Температуру тела можно изменить, совершая работу и передавая тепло от более нагретого тела менее нагретому.

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы телом или над телом называется теплопередачей.

Теплопередача всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Теплопередача осуществляется тремя способами: 1- теплопроводностью, 2- конвекцией, 3- излучением.

Теплопроводность

Как показывают опыты, вещества обладают различной теплопроводностью. Металлы хорошо проводят тепло. Деревянная и стеклянная палочки, жидкости и газы обладают плохой теплопроводностью. Выясним как происходит передача тепла в веществе. В металлах частицы совершают колебательные движения, скорость которых зависит от температуры. Если будем нагревать конец проволоки, то молекулы нагретого конца начнут колебаться с большей амплитудой. Так как частицы находятся в взаимодействии с другими молекулами, то ближайшие молекулы тоже начнут колебаться с большей скоростью. Следовательно, увеличивается энергия, а значит и температура.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца к другому, передается только скорость колебательного движения. В жидкостях и газах молекулы находятся на достаточно большом расстоянии, поэтому передача скорости колебания между молекулами затруднена, следовательно, и теплопроводность ниже.

Плохой теплопроводность обладают шерсть, перья, бумага, пробка и все пористые вещества. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ имеется воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум. Это объясняется тем, что перенос энергии от одной части тела к другой происходит при теплопроводности только при взаимодействии молекул или других частиц.

Конвекция

Конвекцией называется передача тепла (энергии) за счет переноса вещества в газах и жидкостях.

В отапливаемых помещениях благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз. Это происходит потому, что плотность теплого воздуха меньше, так как расстояния между молекулами увеличиваются при увеличении температуры.

Рассматривают два вида конвекции: естественную (свободную) и вынужденную. Так нагревание воздуха или жидкости называют естественной конвекцией, а перемешивание жидкости мешалкой, ложкой, насосом и д. р. Называют искусственной конвекцией.

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция их необходимо нагревать снизу. В твердых телах конвекция не происходит.

Излучение.

Все тела поглощают и излучают энергию. Энергия излучения пропорциональна температуре в четвертой степени. Следовательно, более нагретое тело излучит больше энергии, чем поглотит, а холодное тело больше поглотит, чем излучит. В результате спустя какое-то время температура этих тел сравняется. Передача тепла с помощью излучения не связано не с переносом взаимодействия, не с переносом вещества, а только с переносом электромагнитного излучения.

Источник

Урок на тему: «Способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность.»

Выбранный для просмотра документ 02-68.docx

Физика 8 класс Волик Н.Н.

Тема: Способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность.

Цели (ожидаемый результат) :

сформировать понятия теплопередачи и изменения внутренней энергии путём совершения механической работы ;

отработка и закрепление умений учащихся применять свои знания для объяснения конкретных явлений .

развивать интерес к физике, мотивировать необходимость изучения тепловых явлений, раскрывать на интересных и важных примерах их широкое проявление в природе, показывать применение знаний о тепловых явлениях в быту и технике ;

развитие умений применять полученные знания при решении расчетных и качественных задач ;

развитие логического мышления .

демонстрируют коммуникативные навыки;

понимают значимость умственного труда.

Тип урока : урок изучения нового материала.

Методы урока : словесный, наглядный.

Оборудование : термометр, цилиндр металлический (заранее нагретый)

УМК : презентация «Изменение внутренней энергии тела».

Приветствует учащихся, создает доброжелательный настрой

Актуализация опорных знаний

М ы продолжаем изучать вопросы тепловых явлений. Сегодня рассматриваем способы изменения внутренней энергии. А прежде чем мы начнем говорить о способах изменения внутренней энергии, давайте вспомним материал предыдущего урока:

Физический диктант (заполнить пропуски): (слайд)

1. Нас окружают физические…

2. Они состоят из…

3. … движутся непрерывно.

4. Кинетическая энергия движущихся молекул и потенциальная энергия их взаимодействия образуют… энергию.

5. О б изменении внутренней энергии тела мы судим по…

Проверим ваши ответы (учащиеся обменивают своими ответами в парах и осуществляют взаимопроверку).

Пять правильных ответов это «5», четыре правильных ответа- «4» и так далее.

1. Нас окружают физические тела

2. Они состоят из молекул.

3. Молекулы движутся непрерывно.

4. Кинетическая энергия движущихся молекул и потенциальная энергия их взаимодействия образуют внутреннюю эн ергию.

5. О б изменении внутренней энергии тела мы судим по изменению температуры тела и деформации.

Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Они обладают одновременно кинетической и потенциальной энергией.
Эти энергии и составляют внутреннюю энергию тела.

Таким образом, внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Сообщение темы и целей урока

Поговорим подробнее о способах изменения внутренней энергии тела. Запишите тему урока. Способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность.

Изучение нового материала

Объяснение нового материала с помощью презентации.

Внутренняя энергия не является величиной постоянной.

Если температура тела увеличивается, увеличивается и внутренняя энергия тела. Это означает, что молекулы этого тела начинают быстрее двигаться, чаще взаимодействовать друг с другом, и, соответственно расстояние между частицами увеличивается. Следовательно, энергия этого тела тоже увеличивается.

Если же температура понижается, тело остывает, то это означает, что молекулы начинают двигаться медленнее, их кинетическая энергия и расстояние между ними уменьшается, и, следовательно, энергия тела тоже убывает.

Можно сказать, что температура является главной характеристикой внутренней энергии тела.

Итак, от каких величин зависит внутренняя энергия тела?

Когда мы говорим об изменении внутренней энергии тела, то необходимо отметить, что не сразу сложилась теория, связывающая внутреннюю энергию и движение частиц. Почти до конца 19 века считалось, что существует так называемая субстанция – тепла, которая, втекая в тело, увеличивает его внутреннюю энергию, температуру; течением этой жидкости считалась его внутренняя энергия. А если тело остывает, то это тепло вытекает из тела, соответственно, внутренняя энергия его уменьшается.

Демонстрация: опыт по сгибанию и разгибанию медной проволоки. Место сгиба быстро становится теплым.

— Почему проволока в месте сгиба нагревается?

Обсуждая ответ на поставленный вопрос, учащиеся приходят к выводу, что, сгибая и разгибая кусок проволоки, мы совершаем механическую работу. Так как температура сгиба увеличилась, то увеличилась и средняя кинетическая энергия молекул, а значит и внутренняя энергия. Следовательно, механическая работа превратилась во внутреннюю энергию.

Рассмотрим опыт, описанный в учебнике на стр.8 (рис.4). (слайд)

Что мы совершали, натирая трубку шнуром? ( Механическую работу ). Как при этом изменилась внутренняя энергия жидкости внутри трубки? ( Увеличилась ). За счет чего увеличилась внутренняя энергия пара? ( За счет совершения механической работы при натирании трубки верёвкой ).

Этот способ увеличения внутренней энергии тела при трении был известен людям с глубокой древности. Именно таким способом люди добывали огонь.

Сделаем общий вывод: как можно увеличить внутреннюю энергию тела? ( Совершая над ним механическую работу ).

В своей жизненной практике вы также не раз сталкивались с увеличением внутренней энергии тела при совершении над ним механической работы. Работая в мастерских, например, обтачивая детали напильником, что вы замечали? ( Детали нагревались ).

Если мы будем совершать работу, то тем самым будем изменять энергию тела.

То же самое можно сказать о внутренней энергии: если мы будем совершать работу над телом какими -либо внешними силами, то соответственно, внутренняя энергия этого тела будет изменяться. Если само тело будет совершать работу, например, газ, расширяясь, то будет меняться внутренняя энергия самого газа.

Первые опыты по изменению внутренней энергии провел английский инженер и физик Румфорт, который в 18 веке при изготовлении пушек занимался сверлением ствола. Когда происходило сверление, Румфорт заметил, что и сверло, и сам ствол очень сильно нагреваются. В результате эксперимента он убедился, что при движении-вращении сверла можно нагреть даже воду, т.е. на вершине сверла укрепляли ведро с водой, которое в результате движения сверла, закипало, выделялась огромная энергия. Это доказывало, что внутренняя энергия тела может быть изменена при помощи совершения работы.

В технике, промышленности, повседневной практике мы постоянно встречаемся с изменением внутренней энергии тела при совершении работы: нагревание тел при ковке, при ударе; совершение работы сжатым воздухом или паром и др. (слайд)

Демонстрация: Проведём еще один опыт. В стакан с водой, имеющей температуру 20 ⁰ С опустим цилиндр с температурой 100 ⁰ С. Через некоторое время температура воды станет равна 60 ⁰ С. Но и температура цилиндра также станет 60 ⁰ С. За счёт чего повышается температура воды в стакане? ( Цилиндр передаёт часть тепла воде. При этом температура (внутренняя энергия) воды становится выше, а температура (внутренняя энергия) цилиндра уменьшается ). Такое явление, когда одно тело отдает энергию, а другое принимает, называется теплообменом. При теплообмене температура взаимодействующих тел становятся одинаковой. (слайд)

Совершается ли работа над телом при теплообмене? ( Нет ). Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Изменение внутренней энергии способом теплопередачи: нагревание чайника на плите, или, если вы вдруг опустили ложку чайную в стакан с чаем, то увидите, что эта ложка нагревается, т.е. как происходит этот нагрев, без совершения работы.

Внутренняя энергия тела изменяет свою энергию и за счет теплопередачи, и за счет совершения работы.

Внутренняя энергия изменяется при помощи работы и теплопередачи. Необходимо отметить, что теплопередача может происходить тремя способами, это:

1) Процесс конвекции;

3) Процесс теплопроводности.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Об этом мы будем говорить на последующих уроках.

Раз, два – встать пора,

Три, четыре – руки шире,

Пять, шесть – тихо сесть,

Семь, восемь – лень отбросим.

Закрепление изученного материала

Вопрос 1. Если кусок алюминиевой проволоки расклепать на наковальне или быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.

Ответ: Над проволокой совершается механическая работа. Механическая энергия превращается во внутреннюю.

Вопрос №2 . Чем объясняется сильный нагрев покрышек автомобиля во время длительной езды?

Ответ. Покрышки нагреваются а счёт работы трения при частичном проскальзывании из по полотну дороги, и за счёт работы деформации покрышки при качении.

Вопрос №3 . Когда автомобиль расходует больше горючего: при езде без остановки или с остановками? Почему?

Ответ: При остановке кинетическая энергия автомобиля превращается во внутреннюю энергию тормозных колодок. Чтобы каждый раз после остановки приобрести необходимую скорость, в двигателе должно быть израсходовано дополнительно некоторое количество горючего.

Итак, внутренняя энергия тела – это суммарная потенциальная и кинетическая энергия всех молекул тела. Молекулы обладают потенциальной энергией, т.к. взаимодействуют друг с другом. Потенциальная энергия молекул зависит от расстояния между молекулами. Расстояние между молекулами можно изменить деформацией или нагреванием. При нагревании и охлаждении расстояние между молекулами изменяется не очень сильно. Значительно расстояние между молекулами изменяется при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Молекулы обладают кинетической энергией, т.к. находятся в непрерывном движении. Кинетическая энергия молекул зависит от скорости движения молекул. Скорость движения молекул зависит от температуры. Следовательно, внутренняя энергия тела изменяется при деформации и изменении температуры тела.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая над телом механическую работу и способом теплопередачи. Теплопередача совершается несколькими способами.

Задает вопросы учащимся:

Все ли было понятно на уроке? Что вызвало трудности?

Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?

Каким способом и как изменяется внутренняя энергия продуктов, положенных в холодильник?

Молоток будет нагреваться, когда им забивают гвозди, а также когда он лежит на солнце.

Каким образом меняется внутренняя энергия молотка в каждом случае?

Как древние люди добывали огонь? Как сегодня в походных условиях получают огонь?

Каким образом происходит нагревание двигателя и его охлаждение при движении автомобиля?

Как вы работали на уроке? Как вы себя оцениваете?

Выставляет оценки за урок, с комментариями

Домашнее задание: прочитать параграф 3, 4 — выучить основные понятия, упр.1. стр.13.

Источник