Может ли внутренняя энергия тела измениться без изменения температуры
Основная цель урока: рассмотреть каким образом можно изменить внутреннюю энергию, как эти изменения повлияют на тело, каким образом при подобных процессах тела взаимодействуют между собой.
Ссылка на видеоурок:
Конспект урока
СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
Чтобы понять, каким способом можно изменить внутреннюю энергию, необходимо знать, от чего она зависит. Мы уже знаем, что внутренняя энергия зависит от средней кинетической энергии частиц, составляющих тело, и, следовательно, от его температуры. Значит, для изменения внутренней энергии тела нужно изменить его температуру.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И РАБОТА
Опыт 1. Сделайте около 50 интенсивных ударов молотком по железному предмету. Проверьте на ощупь изменение температуры металла и молотка. Объясните явление.
Опыт 2. Положите монету на кусок деревянной доски и энергично потрите ее, прижимая к поверхности, в течение нескольких минут. Руками проверьте, как изменилась температура монеты.Объясните результат.
Опыт 3. Возьмите новый целый полиэтиленовый пакет. Ополосните пакет внутри горячей водой так, чтобы остались капли. Герметично привяжите его к наконечнику велосипедного насоса или большой резиновой груши. Энергично накачайте воздух в пакет, чтобы он лопнул. В воздухе появится туман. Объясните наблюдаемое явление.
Опыт 4. Возьмите резиновую ленту, связанную кольцом, приложите ленту ко лбу и запомните ее температуру. Удерживая резину пальцами руки, несколько раз энергично растяните и в растянутом виде снова прижмите ко лбу. Сделайте вывод о температуре и причинах, вызвавших изменение.
Совершая работу, мы можем изменить, например, потенциальную энергию тела. Подняв тело над поверхностью земли, мы тем самым увеличили его потенциальную энергию. Совершив работу, можно также изменить и внутреннюю энергию тела.
При трении тела нагреваются. Если потереть одну ладонь о другую, кожа нагреется. Если быстро спуститься по спортивному канату, то кожу на ладонях можно даже обжечь. Нагревание при трении люди использовали в древности для добывания огня. В наше время одним из способов добывания огня является трение спичечной головки о спичечный коробок.
В специализированной физической лаборатории при соблюдении всех мер предосторожности можно провести следующий опыт. На подставке укрепляется тонкостенная латунная трубка. В неё наливается немного эфира, и она закрывается пробкой. Затем трубка обвивается верёвкой. Если быстро натирать трубку верёвкой, то через некоторое время эфир закипит и пар вытолкнет пробку.
Этот опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась, ведь он нагрелся и даже закипел. А причиной изменения внутренней энергии эфира стала наша работа против сил трения.
Именно из-за того, что температура в сосуде понижается, и появляется туман. Как и почему это происходит, мы с вами обсудим немного позднее. Всем, кто открывал бутылки с лимонадом, это явление хорошо знакомо: над горлышком появляется туман.
Увеличить внутреннюю энергию тела можно путём деформации. Если несколько раз ударить молотком по свинцовому шарику, он деформируется и заметно нагреется. Совершённая при этом работа приведёт к изменению взаимного расположения атомов свинца и к изменению характера их движения.
Рассмотрим пример, когда совершённая работа приводит к уменьшению внутренней энергии тела. В стеклянный толстостенный сосуд, закрытый резиновой пробкой, с помощью насоса нагнетается воздух, содержащий водяной пар. Через некоторое время пробка вылетает из сосуда, а в самом сосуде образуется туман, представляющий собой мельчайшие капельки воды.
Накачивая воздух в сосуд, мы совершаем работу. Число молекул в сосуде возрастает, увеличивается частота и сила их ударов, возрастает скорость их движения, и, следовательно, увеличивается внутренняя энергия и температура воздуха в сосуде. Затем сжатый воздух выталкивает пробку, совершая работу. При этом его внутренняя энергия уменьшается, и температура воздуха в сосуде понижается.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения механической работы. Например, внутреннюю энергию воды можно увеличить, нагрев на плите чайник. Если поставить горячую кастрюлю на холодную подставку, то с течением времени она остынет. Во всех приведённых примерах внутренняя энергия изменяется, хотя работа при этом не совершается.
Опустим металлическую ложку в стакан с горячей водой. Начальная температура воды выше температуры ложки. Значит, средняя кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы воды, сталкиваясь с атомами металла, передают им часть своей энергии. При этом кинетическая энергия частиц металла увеличивается, а кинетическая энергия молекул воды уменьшается. В результате температура воды уменьшится, а температура ложки увеличится. С течением времени их температуры станут равными.
При непосредственном контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу, температура которого изначально была ниже. При этом внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а внутренняя энергия тела с меньшей температурой увеличивается.
Процесс передачи энергии от более нагретого тела или участков тела к менее нагретым называют теплопередачей или теплообменом.
Когда температуры тел становятся равными, теплопередача прекращается. При этом процесс теплопередачи необратим. Это означает, что невозможен самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от холодного тела к нагретому.
В XVIII в. французскими химиками была выдвинута идея теплорода — некой субстанции, объясняющей явления, связанные с теплотой и теплопередачей. Считалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга, но притягивают частицы других веществ. Повышение температуры тела связывалось с увеличение количества теплорода, а понижение температуры — с его уменьшением. В середине XIX в. теория теплорода была отвергнута. Ей на смену пришла молекулярно-кинетическая теория строения вещества.
Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) (1753 — 1814) Английский физик. В его честь Лондонское королевское общество учредило награду для выдающихся учёных — медаль Румфорда.
В 1798г. Румфорд сделал важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Для более точного исследования он проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал поместили тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 мин операции температура повысилась на десятки градусов Цельсия. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагрелась и спустя 2,5 ч закипела.
Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.
если +А, тоU если +Q, тоt иU
если -А, тоU если –Q, тоt иU
U– внутренняя энергия, t – температура.
+A – работа совершается над телом, –A – тело совершает работу,
+Q – тело принимает тепло, –Q – тело отдаёт тепло.
Вопросы (тест) для самоконтроля:
1. Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела?
А. Только совершением работы.
Б. Совершением работы и теплопередачей.
В. Только теплопередачей.
Г. Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.
2. Первый стакан с водой охладили, получив от него 1 Дж количества теплоты, а второй стакан подняли вверх, совершив работу в 1 Дж. Изменилась ли внутренняя энергия воды в первом и втором стаканах?
А. В 1 — уменьшилась, во 2 — не изменилась
Б. Ни в одном стакане не изменилась.
В. В 1 — не изменилась, во 2 — увеличилась.
Г. В обоих стаканах уменьшилась.
Д. В 1 — уменьшилась, во 2 — увеличилась.
3. Первая пластина перемещалась по горизонтальной поверхности и в результате действия силы трения нагрелась, а вторая пластина была поднята вверх над горизонтальной поверхностью. В обоих случаях была совершена одинаковая работа. Изменилась ли внутренняя энергия пластин?
А. У первой пластины не изменилась, у второй увеличилась.
Б. У обеих пластин увеличилась.
В. У первой пластины увеличилась, а у второй не изменилась.
Г. Не изменилась ни у первой, ни у второй пластин.
4. Два одинаковых камня лежали на земле. Первый камень подняли и положили на стол, а второй подбросили вверх. Изменилась ли внутренняя энергия камней?
А. У первого камня не изменилась, у второго – увеличилась.
Б. У обоих камней увеличилась.
В. У первого камня увеличилась, а у второго не изменилась.
Г. У обоих камней не изменилась.
5. Первую пластину подняли вверх над горизонтальной поверхностью, а вторую несколько раз изогнули, в результате чего она нагрелась. Работа в обоих случаях была совершена одинаковая. Изменилась ли внутренняя энергия пластин?
А. У первой пластины увеличилась, а у второй не изменилась.
Б. Нигде не изменилась.
В. У первой не изменилась, а у второй увеличилась.
Г. У обеих пластин увеличилась.
6. Два камня лежали на столе. Первый камень начал падать со стола, а второй взяли и положили на землю. Изменилась ли внутренняя энергия камней?
А. У первого увеличилась, а у второго не изменилась.
Б. У обоих камней уменьшилась.
В. У первого не изменилась, а у второго уменьшилась.
Г. Ни у одного камня не изменилась.
7. После того как распилили бревно, пила нагрелась. Каким способом изменили внутреннюю энергию пилы?
А. При совершении работы. Б. При теплопередаче.
8. Сок поставили в холодильник и охладили. Каким способом изменили внутреннюю энергию сока?
А. При совершении работы. Б. При теплопередаче.
9. В сосуде находится газ. Чтобы внутренняя энергия газа уменьшилась, нужно…
A. Сжать газ. Б. Увеличить объем газа.
10. Чтобы увеличить внутреннюю энергию автомобильной шины, нужно…
А. Выпустить из шины воздух. Б. Накачать в шину воздух.
11. Пружину слегка сжали. Что нужно сделать, чтобы увеличить внутреннюю энергию пружины?
А. Сжать пружину сильнее. Б. Отпустить пружину.
12. Резиновую нить слегка растянули. Чтобы внутренняя энергия нити увеличилась ее надо…
А. Растянуть сильнее. Б. Отпустить.
13. В каком из перечисленных случаев внутренняя энергия чашки не изменилась: 1) чашку переставили из шкафа на стол; 2) чашку передвинули по столу; 3) в чашку налили горячий чай.
А. 1,2, 3. Б. 1. В. 2. Г. 3. Д. 1 и 2. Е. 1 и 3. Ж. 2 и 3.
14. Два алюминиевых бруска массами 100 и 300 г, взятых при комнатной температуре, нагрели до одинаковой температуры. У какого бруска внутренняя энергия изменилась больше?
A. У обоих не изменилась.
Б. У обоих одинаково.
B. У первого бруска.
Г. У второго бруска.
15. В две одинаковые кастрюли налили одинаковое количество воды. В первой кастрюле воду довели до кипения, а во второй слегка подогрели. В каком случае внутренняя энергия воды изменилась меньше?
А. В обоих случаях не изменилась.
Б. В первой кастрюле.
B. Во второй кастрюле.
Г. В обоих случаях одинаково.
16. Одну из двух одинаковых серебряных ложек опустили в стакан с кипятком, а другую в стакан с тёплой водой. В каком случае внутренняя энергия ложки изменится меньше?
А. В обоих случаях не изменится.
Б. И обоим случаях одинаково.
В. В первом случае.
Г. Во втором случае.
Источник
Так как любое тело состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы из ядер и электронов, то внутренняя энергия тела определяется суммарной кинетической и потенциальной энергиями его молекул и внутримолекулярной энергией (атомной, ядерной и др.)
Кинетическая энергия молекул определяется скоростью их хаотического движения (в твёрдых кристаллических телах колебательного движения молекул около положений равновесия; в жидкостях колебательного и поступательного движения молекул; в газах – поступательного движения молекул).
Скорость хаотического движения молекул определяется температурой тела – чем выше температура, тем больше скорость хаотического движения молекул.
Потенциальная энергия молекул определяется их взаимодействием (притяжением, отталкиванием), зависящем от расстояния между молекулами (см. занятие 33).
Твёрдые тела и жидкости при повышении температуры расширяются, значит их внутренняя энергия зависит и от температуры, и от объёма:
В газах молекулы находятся далеко друг от друга и практически не взаимодействуют, поэтому внутренняя энергия газа (идеального, разрежённого) зависит только от температуры:
С повышением температуры тела на
его внутренняя энергия увеличивается на
то есть изменение внутренней энергии тела определяется изменением его температуры. Здесь не рассматриваем случаев, когда происходит изменение агрегатного состояния вещества (плавления и т. д.)
Из опытов знаем, что при совершении работы над телом (например, сгибание и разгибание проволоки) температура тела повышается.
Известно ещё, что работа по преодолению сил трения (сопротивления) сопровождается повышением температуры трущихся поверхностей. Возник вопрос, какая количественная связь существует между произведённой механической работой и изменением температуры проволоки и трущихся поверхностей.
Ответ на этот вопрос дал Джоуль в середине 19 века по результатам проведённых им опытов. Джоуль пользовался установкой, схематически изображённой на рисунке
В сосуде с водой, под действием опускающейся гири, приводились во вращение лопасти 1, проходящие через отверстия в перегородках 3. Вращаясь, лопасти увлекали за собой воду, вызывая трение между её слоями, в результате вода нагревалась. Так как в начале и в конце опыта кинетическая энергия воды и всех частей прибора равна нулю, то есть не изменялась, то вся произведённая работа, равная
вызывала только нагревание воды и частей прибора. Нагревание частей прибора сводилось к нагреванию воды с использованием понятия водяного эквивалента. Эти опыты и множество подобных дали одинаковый результат.
А именно, если при исчезновении механической энергии не происходит никаких изменений в состоянии тел, кроме изменения температуры, то за счёт энергии, равной 4,18 кДж, температура 1 кг воды всегда повышается на 1 К.
Иначе можно сказать, чтоуменьшение механической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии на такую же величину (проявляется всеобщий характер закона сохранения энергии) или совершение работы над системой приводит к увеличению её внутренней энергии.
Пример. Пусть система состоит из свинцовой пластинки и свинцового шарика, поднятого над этой пластинкой. Энергия системы состоит из потенциальной энергии шарика и внутренней энергии шарика и пластинки. При падении на пластинку шарик и пластинка нагреваются (повышается их внутренняя энергия). На сколько уменьшится потенциальная энергия шарика, на столько же увеличится внутренняя энергия системы шарик – пластинка, а полная энергия системы останется неизменной.
Таким образом, энергия может переходить из одного вида в другой, передаваться от одного тела к другому, но общая энергия остаётся постоянной.
Если говорить об идеальном газе, то его внутренняя энергия равна суммарной кинетической энергии его молекул (см. занятие 35).
Таким образом, рассмотрено понятие внутренней энергии, её связь с температурой. Получено выражение для нахождения внутренней энергии идеального газа.
К.В. Рулёва Подпишитесь на канал. Просьба дать информацию о нём своим друзьям.
Предыдущая запись: продолжение занятия 36
Следующая запись: школьникам (количество теплоты)
Смотрите ещё:
Занятие 36. Основы термодинамики. Количество теплоты. Внутренняя энергия идеального газа.
Занятие 37. Первый закон термодинамики.
Ссылки на другие занятия даны в Занятии 1.
Источник
Основная цель урока: сформировать понимание о том, что такое внутренняя энергия тела и от чего она зависит, что от внутренней энергии зависит не только способность тела совершить работу, но и самое состояние тела.
Ссылка на видеоурок:
Конспект урока
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Механическая энергия тела складывается из его потенциальной и кинетической энергий. Один из самых фундаментальных законов природы — закон сохранения энергии гласит, что энергия никогда не исчезает и не возникает «из ничего», она только переходит из одного вида в другой и от одного тела к другому.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Поднимем резиновый мячик над полом и отпустим его. Мячик начнёт падать на пол, и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую. После падения мячик отскочит вверх, а его кинетическая энергия будет превращаться в потенциальную. Высота, на которую подпрыгивает мячик, с каждым разом становится всё меньше, и, наконец, мячик останавливается. Означает ли это, что нарушился основной закон механики, и энергия бесследно исчезла?
В опыте с резиновым мячиком причина убывания механической энергии заключается в наличии сил трения, связанных с сопротивлением воздуха и деформациями в материале мяча и пола. Механическая энергия тратится на работу, совершаемую против сил трения, и в итоге переходит в энергию молекул. При движении в воздухе с небольшими скоростями тела практически не нагреваются. Однако при движении с большими скоростями нагревание уже заметно (движение пули, движение космического корабля при запуске и посадке и пр.).
Проведем ещё один опыт. Для этого возьмём свинцовую плиту. Поднимем над ней свинцовый шар и отпустим. Подняв шар, мы сообщаем ему запас потенциальной энергии. При падении шар опускается всё ниже и ниже, и его потенциальная энергия уменьшается. Но в то же время скорость шара увеличивается, следовательно, кинетическая энергия возрастает. После того как шар ударится о плиту, он остановится.
Кинетическая и потенциальная энергии шара относительно плиты в этот момент равны нулю. Куда исчезла механическая энергия шара?
Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. После удара состояние шара и плиты изменилось — они деформировались. На плите образовалась небольшая вмятина, а шар немного сплющился. Если измерить
их температуру сразу после удара, обнаружится, что и шар, и плита нагрелись. Следовательно, изменился характер движения частиц, составляющих эти тела. А значит, изменилась и их энергия.
Увеличение температуры связано с увеличением кинетической энергии молекул (атомов) тела. Вы знаете, что характер взаимодействия молекул друг с другом зависит от расстояний между ними: они либо притягиваются, либо отталкиваются. Это означает, что молекулы (атомы) обладают также и потенциальной энергией. Деформация тела приводит к изменению взаимного расположения его молекул и соответственно их потенциальной энергии. Рассматривая наш опыт, можно утверждать, что механическая энергия, которой обладал шар вначале, не исчезла бесследно. Произошла деформация тела, изменилась его температура, т. е. изменились потенциальная и кинетическая энергии частиц, составляющих данное тело.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоят тела, называют внутренней энергией тела. Внутреннюю энергию обозначают буквой U. Единицей внутренней энергии является джоуль (1 Дж).
ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Чем больше скорость движения молекул (а следовательно, и их кинетическая энергия), тем выше температура тела. Значит, внутренняя энергия тела зависит от температуры тела.
При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя кинетическая энергия молекул.
При понижении температуры внутренняя энергия уменьшается.
Внутренняя энергия тела зависит от его агрегатного состояния. Действительно, в твёрдых телах, жидкостях и газах различаются как расстояния между молекулами, так и характер движения самих молекул. Следовательно, различны и потенциальная и кинетическая энергии молекул.
Внутренняя энергия тела складывается из потенциальной и кинетической энергий всех его молекул. Поэтому, чем больше молекул в теле, тем больше его внутренняя энергия. Так как масса тела складывается из масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия зависит от массы тела при прочих равных условиях.
Причиной изменения внутренней энергии может служить также химическая реакция, т. е. реакция, в результате которой одно вещество превращается в другое, отличающееся по свойствам и составу. При такой реакции атомы и молекулы перегруппировываются, что, как правило, влечёт за собой изменение их потенциальной и кинетической энергий.
ОТ ЧЕГО НЕ ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела как целого, ни от положения этого тела относительно других тел. Например, внутренняя энергия нагретого до кипения чайника с водой не зависит от того, стоит ли он на столе, или его несут из одной комнаты в другую.
ВСЕОБЩИЙ ХАРАКТЕР ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
В процессе изучения тепловых явлений физикам стало понятно, что при переходе механической энергии во внутреннюю полная энергия сохраняется.
С развитием физики человечество открывало всё новые и новые виды энергии.
Фундаментальность закона сохранения энергии заключается в том, что, несмотря на возможные переходы энергии из одной формы в другую, полная энергия остаётся величиной постоянной.
Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Движение частиц тела характеризует его температура, с другой стороны, внутренняя энергия тела связана с характером (активностью) движения частиц. Следовательно, внутренняя энергия и температура – взаимосвязанные понятия. При повышении температуры тела его внутренняя энергия тоже повышается, при понижении – уменьшается.
Вопросы (тест) для самоконтроля
1. К тепловым явлениям относится
А. Движение по инерции
Б. Таяние льда
В. Падение камня
Г. Давление жидкости
2. Внутренней энергией тела называют…
A. Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Б. Энергию движущегося тела.
B. Энергию взаимодействия молекул.
Г. Энергию тела, поднятого над Землей.
Д. Энергию движения молекул.
3. От чего зависит внутренняя энергия тела?
А. От энергии взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Б. От энергии движения этих частиц.
В. От энергии движения частиц и от энергии их взаимодействия.
Г. От скорости движения тела.
4. В две одинаковые кастрюли налили одинаковое количество воды. В первой кастрюле воду довели до кипения, а во второй слегка подогрели. В каком случае внутренняя энергия воды изменилась меньше?
А. В обоих случаях не изменилась.
Б. В первой кастрюле.
B. В обоих случаях одинаково.
Г. Во второй кастрюле.
5. Два одинаковых пакета с молоком вынули из холодильника. Один пакет оставили на столе, а второй перелили в кастрюлю и вскипятили. В каком случае внутренняя энергия молока изменилась больше?
А. В обоих случаях не изменилась.
Б. В обоих случаях изменилась одинаково.
В. В первом случае.
Г. Во втором случае.
Источник