✅Способи зміни внутрішньої енергії тіла
Внутрішня енергія тіла не є якоюсь постійною величиною. У одного і того ж тіла вона може змінюватися.
При підвищенні температури внутрішня енергія тіла збільшується, оскільки збільшується середня швидкість руху молекул.
Отже, зростає кінетична енергія молекул цього тіла. Зі зниженням температури, навпаки, внутрішня енергія тіла зменшується.
Таким чином, внутрішня енергія тіла змінюється при зміні швидкості руху молекул.
Спробуємо з’ясувати, яким способом можна збільшити або зменшити швидкість руху молекул. Для цього виконаємо наступний досвід. Зміцнимо тонкостінну латунну трубку на підставці. Наллємо в трубку трохи ефіру і закриємо пробкою.
Потім трубку обів’ємо мотузкою і почнемо швидко рухати її то в один бік, то в інший. Через деякий час ефір закипить, і пар виштовхне пробку. Дослід показує, що внутрішня енергія ефіру збільшилася: адже він нагрівся і навіть закипів.
Збільшення внутрішньої енергії відбулося в результаті здійснення роботи при натиранні трубки мотузкою.
Нагрівання тіл відбувається також при ударах, розгинанні і згинанні, тобто при деформації. Внутрішня енергія тіла у всіх наведених прикладах збільшується.
Отже, внутрішню енергію тіла можна збільшити, здійснюючи над тілом роботу.
Якщо ж роботу здійснює саме тіло, то його внутрішня, енергія зменшується.
Проробимо наступний дослід
У товстостінний скляний посуд, закритий пробкою, накачаємо повітря через спеціальний отвір в ній.
Через деякий час пробка вискочить з посудини. У момент, коли пробка вискакує з посудини, утворюється туман. Його поява означає, що повітря в посудині стало холодніше. Стиснене повітря, яке знаходиться в посудині, при виштовхуванні пробки назовні здійснює певну роботу. Цю роботу воно здійснює за рахунок своєї внутрішньої енергії, яка при цьому зменшується. Судити про зменшення внутрішньої енергії можна по охолодженню повітря в посудині.
Отже, внутрішню енергію тіла можна змінити шляхом здійснення роботи.
Внутрішню енергію тіла можна змінити і іншим способом, без здійснення роботи. Наприклад, вода в чайнику, поставленому на плиту, закипає. Повітря і різні предмети в кімнаті нагріваються від радіатора центрального опалення, дахи будинків нагріваються променями сонця і т. д. У всіх цих випадках підвищується температура тіл, а значить, збільшується їх внутрішня енергія. Але при цьому робота не здійснюється.
Значить, зміна внутрішньої енергії може відбуватися не тільки в результаті здійснення роботи.
Як можна пояснити збільшення внутрішньої енергії в цих випадках?
Розглянемо наступний приклад.
Опустимо у склянку з гарячою водою металеву спицю. Кінетична енергія молекул гарячої води більше кінетичної енергії частинок холодного металу. Молекули гарячої води при взаємодії з частинками холодного металу будуть передавати їм частину своєї кінетичної енергії.
В результаті цього енергія молекул води в середньому буде зменшуватися, а енергія частинок металу буде збільшуватися. Температура води зменшиться, а температура металевої спиці поступово збільшиться. Через деякий час їх температури вирівняються. Цей дослід демонструє зміну внутрішньої енергії тіл.
Отже, внутрішню енергію тіл можна змінити шляхом теплопередачі.
Процес зміни внутрішньої енергії без здійснення роботи над тілом або самим тілом називається теплопередачею. Теплопередача завжди відбувається в певному напрямку: від тіл з більш високою температурою до тіл з більш низькою.
Коли температури тіл вирівняються, теплопередача припиняється.
Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: здійснюючи механічну роботу або теплопередачу.
Теплопередача, своєю чергою, може здійснюватися:
- теплопровідністю;
- конвекцією;
- випромінюванням.
Источник
Якими двома способами можна змінити внутрішню енергію тіла
Тема. Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії
Мета: дати молекулярно-кінетичне трактування поняття внутрішньої енергії та способів зміни внутрішньої енергії; розвивати логічне мислення, вміння аналізувати, робити висновки.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
Демонстрації: залежність між об’ємом, тиском і температурою; зміна внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи.
І. Актуалізація опорних знань
Робота з науковим текстом
Понад 200 років тому М. В. Ломоносов у роботі «Роздуми про причини теплоти і холоду» писав: «Оскільки тіла можуть рухатися подвійним рухом — загальним, за якого все тіло безперервно змінює своє положення за нерухомих одна відносно одної частинок, і внутрішнім, яка є зміною місця нечутливих частинок матерії, і оскільки при найшвидшому загальному русі не спостерігається теплоти, а за його відсутності спостерігається теплота, то очевидно, що теплота полягає у внутрішньому русі матерії».
— Про які два різні типи руху йдеться?
— Які види механічної енергії тіла ви знаєте?
— Що можна сказати про відносну швидкість руху молекул під час розгляду механічної та внутрішньої енергії?
— Зміна яких параметрів призводить до зміни механічної, а яких до зміни внутрішньої енергії?
II . Постановка навчальної проблеми
На стіл з певної висоти падає пластилінова кулька. Дайте відповідь на запитання:
1. Яку енергію мала кулька на початок руху?
2. Чи відбувався перехід енергії під час падіння? Який саме?
3. Яку енергію мала кулька безпосередньо перед ударом? Куди поділася ця енергія?
4. Що сталося з кулькою і плитою?
Якщо терти лід за температури 0 °С, він буде перетворюватись на воду, температура якої також 0 °С. На що ж перетворюється в цьому експерименті механічна енергія?
III . Вивчення нового матеріалу
Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул одна з одною. Внутрішня енергія — функція стану U = f ( T ).
У термодинаміці розглядають зміну внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший. Величини, що визначають стан газу: Р, Т, V.
Найпростіше можна обчислити внутрішню енергію ідеального одноатомного газу, бо його молекули здійснюють лише поступальний рух. Зміна внутрішньої енергії даної маси ідеального газу відбувається лише за зміни його температури:
Якими способами можна змінити внутрішню енергію тіла? Обговорення дослідів.
Висновки узагальнюємо у вигляді таблиці.
IV. Закріплення вивченого матеріалу
1. Обчисліть внутрішню енергію одноатомного газу з кількістю речовини 5 моль за температури 27 °С.
2. На скільки зміниться внутрішня енергія 200 г гелію у разі збільшення температури на 20 К?
V. Узагальнення знань
• Внутрішня енергія макроскопічного тіла ( U ) є сумою кінетичної енергії хаотичного руху молекул (атомів) і потенціальної енергії їх взаємодії.
• Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу:
де m — маса газу; М — молярна маса газу; R — універсальна газова стала; NA — стала Авогадро.
• Способи зміни внутрішньої енергії:
1. Виконання роботи.
• Види теплообміну — процесу передачі енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих:
VI. Підсумки уроку
Вправа «Мікрофон». Закінчи речення.
1. Енергію хаотичного руху молекул та їх взаємодії називають.
2. Вона позначається літерою. а кількість теплоти позначається літерою. .
3. Кількість теплоти і внутрішню енергію вимірюють у. .
4. Внутрішню енергію тіла можна зменшити, якщо. .
5. Внутрішню енергію можна збільшити, якщо. .
VII. Домашнє завдання
1. Опрацювати відповідний параграф підручника.
2. Виконати № 3.1,416-Г зі збірника задач за редакцією І. М. Гельфгата.
Источник
Блог викладача фізики Момота В.О.
Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії
Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул одна з одною. Внутрішня енергія — функція стану U = f(T).
У термодинаміці розглядають зміну внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший. Величини, що визначають стан газу: Р, Т, V.
Найпростіше можна обчислити внутрішню енергію ідеального одноатомного газу, бо його молекули здійснюють лише поступальний рух. Зміна внутрішньої енергії даної маси ідеального газу відбувається лише за зміни його температури:
Якими способами можна змінити внутрішню енергію тіла? Обговорення дослідів.
Висновки узагальнюємо у вигляді таблиці.
• Внутрішня енергія макроскопічного тіла (U) є сумою кінетичної енергії хаотичного руху молекул (атомів) і потенціальної енергії їх взаємодії.
• Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу:
де m — маса газу; М — молярна маса газу; R — універсальна газова стала; NA — стала Авогадро.
Робота термодинамічного процесу
Демонстрація дослідів та їх пояснення
1. Ізобарний процес; р = const, А = pΔV.
Якщо газ стискався, то ΔV 0 — робота позитивна.
Робота зовнішніх сил матиме протилежний знак:
Робота чисельно дорівнює площі під кривою, яка описує процес на (p,V) діаграмі. Величина роботи залежить від того, яким шляхом виконувався перехід з початкового стану в кінцевий.
2. Самостійна робота з графіками ізопроцесів
Побудувати графіки ізотермічного та ізохорного процесів у координатах (p,V) та вказати, чому дорівнює робота для кожного випадку.
Висновки: ізотермічний процес (Т = const): робота дорівнює площі фігури, обмеженої ізотермою та двома ізохорами.
Ізохорний процес (V = const): А = 0.
Ідею про збереження енергії у природі висловлювали ще давньогрецькі філософи. Вони вважали, що в природі, яка нас оточує, весь час відбуваються зміни, які не можуть ніколи припинитися.
У 40-х роках XIX ст. сталася важлива подія в історії фізики — було встановлено закон збереження та перетворення енергії.
Давайте пригадаємо цей закон. Енергія в природі не виникає з нічого й нікуди не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу.
У який спосіб можна змінити внутрішню енергію тіла?
Внутрішню енергію можна змінити двома способами: виконанням роботи і теплопередачею.
Учитель. Отже, робота А — це міра зміни механічної енергії, кількість теплоти Q — міра зміни внутрішньої енергії, тобто способи зміни внутрішньої енергії еквівалентні. Тому відомий закон збереження енергії для механічних процесів поширюється і на теплові процеси.
Як математично можна записати причинну обумовленість скінченої зміни стану тіла (чи системи) зовнішніми механічними і тепловими впливами?
Це рівняння виражає закон збереження і перетворення енергії для теплових процесів, він дістав назву першого закону (начала) термодинаміки:
Зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і наданої системи кількості теплоти.
Але можна розглядати і роботу А, виконану системою над зовнішніми тілами; тоді її записують із знаком «-» і рівняння набуває вигляду:
Інше формулювання першого закону термодинаміки: кількість теплоти, підведена до системи, частково йде на збільшення її внутрішньої енергії і частково на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.
Источник
Урок «Два способи зміни внутрішньої енергії»
Тема уроку: Два способи зміни внутрішньої енергії тіла.
Мета: сформувати знання про два способи зміни вну трішньої енергії тіла: роботу і теплопередачу та вміння застосовувати їх для пояснення конкретних явищ; роз вивати логічне мислення учнів; виховувати позитивне ставлення до навчання.
Обладнання: шматочки дроту або скріпки (для кож ного учня), колба, з’єднана гумовою трубкою з рідин ним манометром; металева трубка з корком, спиртівка, спирт, повітряний насос, закоркована посудина з двома отворами.
Тип уроку: комбінований.
Міжпредметні зв’язки: з трудовим навчанням — на грівання інструменту та оброблюваних деталей під час роботи в шкільних майстернях; з історією — здобування вогню первісною людиною шляхом тертя.
ХІД УРОКУ
І. Організаційний момент
ІІ. Мотивація навчання, повідомлення теми і мети уроку
Фронтальний дослід № 1. Візьміть скріпку та декілька разів швидко випрямте та зігніть її кілька разів. Дотор кніться до місця згину.
Що ви відчуваєте? Чому?
На це питання ми з легкістю зможемо відповісти після ви вчення теми «Два способи зміни внутрішньої енергії».
1. Учні відповідають з місця на запитання.
Сформулюйте основні твердження про будову ре човини.
Що таке енергія?
Які види механічної енергії ви знаєте?
Наведіть приклади явища, за якого відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну; кінетичної — в потенціальну.
Один учень розповідає про домашнє експеримен тування, робить висновок (внутрішню енергію тіла можна змінити за рахунок механічної роботи).
На основі розглянутих прикладів і досліду прово диться фронтальна бесіда за запитаннями:
Чи залишається внутрішня енергія тіла незмін ною?
Як дізнатися, що вона збільшилася, зменшилася? (Тіло нагріюся, деформувалося )
Після цього треба розглянути способи, якими можна досягти зміни внутрішньої енергії.
ІУ. Вивчення нового матеріалу
Дослід 2. Колбу з повітрям з’єднують гумовою труб кою з рідинним манометром, потім її нагрівають гарячим повітрям над спиртівкою. Тиск газу в колбі зростає, рівні рідин у манометрі змінюються. Отже, за рахунок нагрівача внутрішня енергія спочатку зросла, потім за рахунок цієї енергії газ виконав роботу — змістив рідину в манометрі.
Дослід 3. У металеву трубку наливають трішки води, щільно закривають корком і закріплюють похило в шта тиві. Трубку нагрівають над полум’ям. Вода кипить, і пара виштовхує корок.
Пояснюючи ці досліди, учитель розкриває механізм теп лопередачі з точки зору молекулярно-кінетичної теорії. Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію, ніж молекули холодного, тому, стикаючись у граничному прошарку з молекулами холодного, вони віддають їм частину своєї кінетичної енергії. Потім молекули гранич ного прошарку, взаємодіючи з молекулами наступного, теж «діляться* з ними цією енергією. Віддавши деяку частину її, вони знову можуть одержати від молекули гарячого тіла нову порцію енергії, яку передадуть далі. Звідси й назва цього фізичного явища — теплопередача. Внутрішню енергію можна збільшити не тільки внаслідок теплопередачі, а й виконуючи механічну роботу.
Дослід № 4. У металеву трубку наливають трохи спирту, щільно закривають корком і натирають цю трубку шну ром,— корок вискакує з трубки.
Під час натирання трубки ми виконуємо механічну роботу. Внутрішня енергія тіла збільшується, бо трубка нагрівається. Спирт всередині трубки швидко випаро вується, і його пара виштовхує корок.
Дослід № 5. Закорковану посудину, дно якої змочено водою, під’єднують другим отвором до повітряного на сосу й нагнітають у неї повітря; корок виштовхується. У колбі утворюється туман.
зменшується. У той момент, коли температура різко падає, у колбі утворюється туман.
Учні разом з учителем роблять висновки стосовно ви вченого, записують їх у зошитах.
Два способи зміни внутрішньої енергії : робота і теплопередача
Теплопередача — це процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи над тілом або самим тілом.
Осмислення та закріплення вивченого
Фронтальна бесіда за питаннями:
Що називають внутрішньою енергією?
Які існують способи зміни внутрішньої енергії?
Наводячи кожний приклад, уточнюємо, як саме змінилася внутрішня енергія: збільшилася чи зменшилася.
Розв’язування якісних задач
Шайба ковзає по горизонтальній площині. Що від бувається з потенціальною енергією шайби? Кіне тичною енергією? Внутрішньою енергією?
Як змінюється внутрішня й механічна енергія хо кейної шайби:
а) коли її виносять на мороз;
б) коли літак, у якому перевозять шайбу (разом з хо кейною командою), збільшує швидкість на зліт ній смузі;
в) коли літак злітає вгору;
г) коли по шайбі б’ють клюкою?
Чи можна запалити сірника, не виконуючи над ним механічної роботи?
Коли забивають цвях, його шляпка нагрівається слабо, а коли цвях вже забитий, то досить кількох ударів по шляпці, щоб її сильно розігріти. Пояснити це явище.
Опрацювати § за підручником, довгострокове завдання: ознайомитися з додатковою літературою з питання: «Яке значення має теплопередача в природі, побуті, техніці?»
Источник
