Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии и их описание

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U 2 - U 1 . Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.

Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы .

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена . Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии.

Количество теплоты

Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:

При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии в процессе теплообмена.

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны внутренней энергии. Они не характеризуют само состояние системы (как это делает внутренняя энергия), а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что

§ работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю);

§ количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

§ Теплоемкость , количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры на 1°С. Согласно более строгому определению, теплоемкость - термодинамическая величина, определяемая выражением:

§ где ΔQ - количество теплоты, сообщенное системе и вызвавшее изменение ее температуры на Delta;T. Отношение конечных разностей ΔQ /ΔТ называется средней теплоемкостю , отношение бесконечно малых величин dQ/dT - истинной теплоемкостю . Поскольку dQ не является полным дифференциалом функции состояния, то итеплоемкость зависит от пути перехода между двумя состояниями системы. Различают теплоемкость системы в целом (Дж/К), удельную теплоемкость [Дж/(г·К)], молярную теплоемкость [Дж/(моль·К)]. Во всех ниже приведенных формулах использованы молярные величины теплоемкости .

Вопрос 32:

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи.

Количество теплоты измеряется в системе СИ в джоулях.
[Q] = 1Дж.

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру единицы массы данного вещества на 1°С.
Единица удельной теплоемкости в системе СИ:
[c] = 1Дж/кг·градусС.

Вопрос 33:

33 Первое начало термодинамики количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами. dQ=dU+dA,где dQ-элементарное кол-во теплоты,dA-элементарная работа,dU-приращение внутренней энергии. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выде­ляются изопроцессы , при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.
Изохорный процесс (V =const). Диаграмма этого процесса(изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 81), где процесс 1-2 есть изохорное нагревание, а 1 -3 - изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, Изотермический процесс (T =const). Как уже указывалось § 41, изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта
, для того чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.

Вопрос 34:

34 Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (dQ= 0)между системой и окружающей средой. К адиабатическим процессам можно отнести все быстропротекающие процессы. Например, адиабатическим процессом можно счи­тать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуко­вой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д.
Из первого начала термодинамики (dQ= dU+dA ) для адиабатического процесса следует, что
p /С V =γ , найдем

Проинтегрируя уравнение в пределах от p 1 до p 2 и соответственно от V 1 до V 2 , и потенцируя, придем к выражению

Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать

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).

\[ U=E_к+E_п \]

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.

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)

Правильный ответ

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

Правильный ответ

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.

Правильный ответ

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

Ответы

Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию.При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая в веревку то в одну, то в другую сторону. Через В некоторое время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).

Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.

Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения. Легко ли это? Когда таким способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна "Таинственный остров" , у них ничего не вышло.

"Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.

После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав:
- Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую".

Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С. А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!

Многие люди и в наше время "добывают" огонь трением - трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг. XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании - всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара. Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название "шведские спички"). Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.

Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Если же тело само совершает работу"(за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.

Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием. Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух . Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис. 62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.

Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д. Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом . Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.

Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается. Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.

Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой и называютколичеством теплоты .
Q - количество теплоты.

Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) - в джоулях.

При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.

Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1)совершение работы и 2) теплообмен . При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них - на величину, равную количеству переданной теплоты Q

Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели - путем трения или соприкосновения с горячим телом. В принципе могло быть как то, так и другое.

1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается? 5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?

Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения. Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?

Отослано читателями из интернет-сайтов

Электронные издания бесплатно, библиотека физики , уроки физики, программа с физики, конспекты уроков физики, учебники по физике, готовые домашние задания

Как изменить механическую энергию тела? Да очень просто. Поменять его местоположение или придать ему ускорение. Например, пнуть мячик или поднять его над землей повыше.

В первом случае мы изменим его кинетическую энергию, во втором потенциальную. А как обстоит дело с внутренней энергией? Каким способом изменить внутреннюю энергию тела? Для начала разберемся, что же это такое. Внутренняя энергия - это кинетическая и потенциальна частиц - это энергия их движения. А скорость их движения, как известно, зависит от температуры. То есть, логичный вывод - повышая температуру тела, мы повысим его внутреннюю энергию. Самый простой способ повысить температуру тела - это теплообмен. При контакте тел с разной температурой более холодное тело нагревается за счет более теплого. Более теплое тело в этом случае охлаждается.

Простой ежедневный пример: холодная ложка в чашке с горячим чаем очень быстро нагревается, а чай при этом чуть-чуть остывает. Повышение температуры тела возможно и другими способами. Как мы все поступаем, когда у нас на улице замерзают лицо или руки? Мы трем их. При трении предметы нагреваются. Также предметы нагреваются при ударах, давлении, то есть, иными словами, при взаимодействии. Всем известно, как добывали огонь в древности - либо терли деревяшки друг о друга, либо стукали кремнием по другому камню. Также и в наше время в кремниевых зажигалках используется трение металлического стержня о кремень.

До сих пор речь шла о изменении внутренней энергии путем изменения кинетической энергии составляющих его частиц. А как насчет потенциальной энергии этих же самых частиц? Как известно, потенциальная энергия частиц - это энергия их взаиморасположения. Таким образом, для изменения потенциальной энергии частиц тела, нам надо тело деформировать: сжать, скрутить и так далее, то есть, изменить расположение частиц друг относительно друга. Это достигается путем воздействия на тело. Мы меняем скорость отдельных частей тела, то есть совершаем над ним работу.

Таким образом, все случаи воздействия на тело с целью изменения его внутренней энергии достигаются двумя способами. Либо путем передачи ему тепла, то есть теплопередачей, либо путем изменения скорости его частиц, то есть совершением над телом работы.

Примеры изменения внутренней энергии - это практически все происходящие в мире процессы. Не меняется внутренняя энергия частиц в случае, когда с телом абсолютно ничего не происходит, что согласитесь, крайняя редкость - закон сохранения энергии действует. Вокруг нас все время что-то происходит. Даже с предметами, с которыми на первый взгляд ничего не происходит, на самом деле происходят различные незаметные нам изменения: незначительные изменения температуры, небольшие деформации и так далее. Стул прогибается под нашей тяжестью, у книги на полке чуть-чуть изменяется температуру от каждого движения воздуха, не говоря уже про сквозняки. Ну а что касается живых тел - тут понятно без слов, что в них внутри все время что-то происходит, и внутренняя энергия меняется практически в каждый момент времени.