Содержание
Понятие о внутренней энергии.
Чтобы понять, что такое внутренняя энергия, рассмотрим опыт. Опыт № 1: Возьмём свинцовый шарик и бросим его на свинцовую пластинку. Шарик, находящийся на некоторой высоте, обладал потенциальной энергией. Падая на свинцовую пластинку, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. И в последний момент падения шарик обладает кинетической энергией. Казалось, что после падения шарика на свинцовую пластинку, закон сохранения энергии нарушен. Так как энергия стала равной нулю. Рассмотрим шарик и заметим, что он нагрелся и у него сбоку образовалась вмятина. Это означает, что частицы этого шарика стали располагаться ближе друг другу. Значит у частиц увеличилась внутренняя энергия. И так как шарик нагрелся, частицы начали двигаться быстрее. Значит у них увеличилась кинетическая энергия. Следовательно, потенциальная энергия, которой обладал шарик до падения, перешла во внутреннюю энергию.
Внутренней энергией называют энергию движения и взаимодействия частиц из которых состоит тело.
- Внутренняя энергия не зависит:
1.1. От механического движения тела.
1.2. От положения этого тела относительно других тел.
От чего зависит внутренняя энергия
1) Внутренняя энергия зависит от температуры. Чем выше температура, тем частицу движутся быстрее и обладают большей внутренней энергией.
2) Внутренняя энергия зависит от объема тела. Чем меньше объем, тем молекулы располагаются ближе друг к другу, а значит обладают большей внутренней энергией. Сжатый воздух может совершить огромную работу. Пример: Отбойный молоток, который использует шахтер, работает на сжатом воздухе.
3) Внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния. Лед, вода и пар, обладают разной внутренней энергией.
Способы изменения внутренней энергии
Совершение работы над телом и наоборот
Опыт № 2: Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке. Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьём верёвкой. И начнём быстро двигать её то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит. И пар выталкивает пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась. Ведь он нагрелся и даже закипел. Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки верёвкой. Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, то есть при деформации. Внутренняя энергия во всех этих примерах увеличивается. Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу. Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается. Проделаем следующий опыт № 3: В толстостенной стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней. Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Это доказывает, что внутренняя энергия воздуха при совершении работы, уменьшается.
Теплопередача
Рассмотрим пример. Опустим в стакан с горячей водой металлическую ложку. Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. В результате этого энергия молекул воды будет уменьшаться, а энергия частиц металла будет увеличиваться. Температура воды уменьшается, а температура ложки увеличивается. Постепенно их температуры выравниваются. На этом опыте мы наблюдали изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
Способы теплопередачи
Теплопроводность
Теплопроводностью называют процесс передачи тепла частицами вещества.
Рассмотрим опыт № 4: На металлический стержень, закреплённый в лапке штатива, прикреплены гвозди при помощи парафина. Начнем подогревать один конец стержня. Гвоздики будут падать не сразу, а постепенно. Объясняется это тем, что скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Так как частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и так далее. Поэтому при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца края тела к другому.
Виды веществ по теплопроводности:
- Хорошие
- Плохие
К хорошим тепло проводникам относятся металлы, хотя у всех металлов теплопроводность разная.
К плохим тепло проводникам относятся: воздух, сено, солома, бумага, опилки и так далее.
Конвекция
Конвекцией называют процесс передачи тепла струями жидкости или газа.
Установим бумажную вертушку, над электрической лампой. При включении лампы, воздух становиться теплым, легким, поднимается вверх. А холодный тяжелый опускается вниз. Поэтому вертушка начинает вращаться. Такие явления мы наблюдаем при нагревании жидкости. Снизу, нагретые слои жидкости менее плотные и поэтому поднимаются. А холодные, тяжелые опускаются вниз. Благодаря такому движению вся вода равномерно нагревается. Различают два вида конвекции естественную и вынужденную. В комнате при нагревании воздуха, при помощи батареи парового отопления, конвекция происходит естественно. Чтобы происходило явление конвекции, необходимо, вещества нагревать снизу.
Излучение
Излучением называют процесс передачи тепла при помощи электромагнитных волн.
Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприемником. А если к темной поверхности теплоприемника поднести нагретый кусок металла. То уровень жидкости в колене манометра, соединённого с теплоприемником понизится. Очевидно воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. В данном случае энергии передается путем излучения. Она может осуществляться в полном вакууме. Излучают энергию все тела. И сильно нагретые, и слабо. Например: печь, электрическая лампа, Солнце и другие. Если повернуть теплоприемник к нагретому металлическому телу зеркальной стороной. То столбик жидкости в колене манометра, соединенный с теплоприёмником опустится. Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например, в приборах, установленных на искусственных спутниках земли. То эти части приборов окрашивают в черный цвет.