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
Внутренняя энергия тел два способа изменения внутренней энергии тела
Связь внутренней энергии с температурой
Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Внутренняя энергия тела не является постоянной величиной и связана с изменением температуры тела:
1. при повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т.к. молекулы тела начинают активнее двигаться, расстояние между ними увеличивается и возрастает их кинетическая и потенциальная энергия;
2. при понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается, т.к. молекулы тела начинают двигаться менее активно, расстояние между ними уменьшается и понижается их кинетическая и потенциальная энергия.
Таким образом, температура – это главная характеристика внутренней энергии тела.
История развития представлений об изменении внутренней энергии
Перед тем, как рассмотреть конкретные возможные причины процесса изменения внутренней энергии тела заметим, что теория, которая связывает энергию движения и взаимодействия частиц со внутренней энергией тела, сложилась не сразу.
Например, почти до конца XIX века считалось, что существует такая условная субстанция, как теплород. Считалось, что когда теплород втекает в тело, то его температура увеличивается, как и внутренняя энергия, а когда вытекает, температура с внутренней энергией уменьшается. Понятие теплорода было введено в конце XVIII века Лавуазье, а уже на рубеже XVIII и XIX веков были проведены первые эксперименты, подтверждавшие несостоятельность этой теории.
Кроме того, для описания процесса сжигания топлива существовала аналогичная теория, которая говорила, что существует такая гипотетическая материя, как флогистон. Считалось, что он содержится во всех горючих веществах и при их горении высвобождается и дает высокую температуру. Термин был введен впервые в начале XVIII века учеными Иоганном Бехером и Георгом Шталем . Позже и теория флогистона была раскритикована и сегодня не упоминается в научных трудах, как и теория теплорода.
Мы будем рассматривать возможные варианты изменения внутренней энергии с точки зрения развития науки, поэтому сначала обсудим изменение внутренней энергии из-за совершения работы. Убедиться в том, что совершение работы влияет на процесс изменения внутренней энергии, можно на простом опыте – потрите руки друг о друга, и вы заметите, как ладони нагреваются, это и будет свидетельствовать об изменении внутренней энергии. Что демонстрирует этот опыт? Он наглядно демонстрирует, что при совершении механической работы (трение ладоней) повышается их внутренняя энергия.
Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы
Вы уже знакомы с понятием механическая работа тела, она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела, аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела. Это удобно изобразить на схеме:
Первые опыты по доказательству несостоятельности теории теплорода и подтверждению влияния процесса совершения работы на изменение внутренней энергии тела провел английский инженер и физик Бенджамин Румфорд, который в конце XVIII века при изготовлении пушек занимался сверлением их ствола. Он заметил, что при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение конской тягой. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура резко поднялась. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой (см. Рис. 1). В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Румфорд объяснил это явление с помощью представления о теплоте как особом виде движения.
Опыт Румфорда доказал, что процесс совершения работы оказывает непосредственное влияние изменение внутренней энергии тела, и внутренняя энергия тела может быть изменена при совершении работы.
Таким образом, работа является мерой изменения внутренней энергии при превращении механической энергии во внутреннюю или внутренней энергии в механическую.
Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи
Второй способ изменения внутренней энергии тела мы можем легко наблюдать каждый день в повседневной жизни, и он был давно всем известен – это теплопередача.
Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Процессы теплопередачи делятся на три вида, которые удобно изобразить на схеме:
Более подробно о каждом из этих видов теплопередачи мы поговорим на последующих уроках.
Отметим, что процессы теплопередачи и совершения работы, как правило, протекают параллельно и одновременно влияют на изменение у тела внутренней энергии.
Теперь мы можем изобразить два варианты изменения внутренней энергии тела на схеме:
На следующем уроке мы уделим особое внимание описанию процесса теплопроводности при теплопередаче.
Источник
