Вопрос 1: Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Существует два вида механической энергии: потенциальная и кинетическая.

Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, например, катящийся мяч, летящая пуля. Кинетическая энергия зависит от массы движущегося тела и от его скорости. Потенциальной вследствие своего взаимодействия с другими телами, например, потенциальной энергией обладает камень, поднятый над землей, сжатая или растянутая пружина.

При взаимодействии тел одна энергия может переходить в другую. Предположим, что на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его к верху и бросим. Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, так как шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о плиту и остановился. И кинетическая и потенциальная энергия его относительно плиты в этот момент стали равны нулю.

Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился, а на плите образовалась вмятина. Измерив их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

При нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул, следовательно, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией, т.к. они взаимодействуют друг с другом – притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются друг от друга. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия. Таким образом, механическая энергия, которой обладал вначале шар, не исчезла, она перешла в энергию молекул.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела. (U)

Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.

Изучение тепловых явлений показывает, что на сколько в них уменьшается механическая энергия тел, на столько же увеличивается их внутренняя энергия.

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а это энергия, в свою очередь, зависит от температуры. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т.к. увеличивается средняя скорость. При охлаждении уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами:

1. Совершение механической работы.

2. Теплопередача.

Изменение внутренней энергии за счет совершения работы:

1. Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает. Гвоздь после ударов молотком нагревается и немного деформируется, повышение температуры свидетельствует об увеличении кинетической энергии её частицы. Деформация говорит об изменении потенциальной энергии.

2. Если работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается. Возьмем сосуд, плотно закроем пробкой с отверстием. Через отверстие, с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Это значит, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.

Таким образом, воздух совершает работу за счет своей внутренней энергии, так как сосуд теплоизолирован.

∆U=U₂ –U₁

∆U=A (внутренняя энергия изменяется на величину совершенной работы)

∆U=Q (на величину, равную количеству передаваемой теплоты)

Изменение внутренней энергии за счет теплопередачи:

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

Чайник с водой, стоящий на плите, металлическая ложка, опущенная в горячую воду, нагреваются. Во всех случаях повышается температура тел, а значит, увеличивается их внутренняя энергия.

Теплообмен между холодной ложкой и горячей водой:

Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышает 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 будет до тех пор, пока она станет одинаковой и у ложки и у воды.

Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, называется количеством теплоты (Q). Измеряется в джоулях.

Закон сохранение внутренней энергии.

При любых процессах происходящих в изолированных системах ее внутренняя энергия остается не изменой Q₁+Q₂+…+Qn=Q

│Q_отд│= Q_пол – уравнение теплового баланса.

При переходе энергии от одного тела к другому энергия сохраняется.