Образовака🌡️ Физика8 классТепловые явления

Способы изменения внутренней энергии

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 179.

Понятие внутренней энергии было сформулировано физиками прежде всего для построения теории, объясняющей тепловые явления. Для объяснения процессов теплопередачи, физическое тело рассматривается как система, состоящая из большого количества частиц (атомов и молекул). Сумма энергий всех частиц, составляющих тело (кинетическая и потенциальная), по определению является внутренней энергией физического тела. Рассмотрим основные способы изменения внутренней энергии.

Первый закон термодинамики и внутренняя энергия

Когда работа A совершается в результате механического движения тела как целого, или его взаимодействия с другими телами, то знание величины внутренней энергии U не требуется для расчетов. Напротив, когда работа сопровождается передачей тепла Q, то без знания закономерности, отражающей связь этих величин между собой, уже не обойтись. Эту связь устанавливает первый закон термодинамики, который формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии ΔU в неизолированной термодинамической системе равно сумме работы внешних сил A и количества теплоты Q, переданного системе, что выражается в виде формулы:

$ ΔU = { Q + A } $ (1).

Если же сама термодинамическая система, получив тепло Q, совершает работу А, то формула (1) принимает следующий вид:

$ ΔU = { Q – A } $ (2).

Представления о внутренней энергии сложились далеко не сразу. В течение ХIХ века существовала теория теплорода, предложенная французским ученым Лавуазье. Считалось, что теплород — это некая субстанция (особый вид материи), при втекании которой в тело, его температура увеличивается, а при вытекании происходит уменьшение температуры. Многочисленные эксперименты, проведенные в начале ХIХ века, полностью опровергли эту теорию и развеяли миф о теплороде.

Изменение величины внутренней энергии с помощью работы

Итак, в соответствии с первым законом термодинамики внутренняя энергия вещества, из которого состоит данное тело, изменится если над ним будет совершена работа внешними силами, либо само тело совершит работу. Приведем ряд примеров:

Когда мы забиваем гвоздь молотком в доску, или отрезаем ножовкой по металлу кусок трубы, то легко обнаружить, что происходит повышение температуры (разогрев) всех “участников” произведенных действий: гвоздя, молотка, ножовки и трубы. В обоих случаях была произведена работа по преодолению силы трения;
Если взять металлическую проволоку, и произвести некоторое количество сгибаний и разгибаний, то также нетрудно будет заметить, что температура металла за счет этих деформаций увеличилась;
Так как величина внутренней энергии пропорциональна температуре тела, то, следовательно, произошло ее увеличение за счет произведенной нами работы. Приведенные примеры описываются формулой (1);
Работа, которую совершает нагретый пар в тепловом двигателе, вращая турбину, уменьшает его внутреннюю энергию. Для этого примера справедлива формула (2).

Изменение величины внутренней энергии с помощью передачи тепла

Количество теплоты Q, полученное телом извне или, наоборот, переданное от себя другому телу — второй механизм, приводящий к изменению внутренней энергии ΔU. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплообмен возможен только между телами, имеющими разную температуру, в результате чего происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, имеющему низкую температуру.

Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение:

Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда кастрюля с холодной водой ставится на разогретую газовую или электроплиту, то нагрев происходит за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул газового пламени или молекул раскаленной электрической спирали;
Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания характера этого механизма служит работа кондиционера в помещении, когда поток охлажденного им воздуха начинает перемешиваться с более теплым, что приводит к общему понижению температуры в квартире или офисе;
Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм может проистекать даже в вакууме. Часть внутренней энергии преобразуется в электромагнитную энергию, которая распространяется в пространстве и после попадания на другое тело, поглощается им. Таким образом происходит изменение внутренней энергии обоих тел. Чем больше температура тела, тем больше энергии передается с помощью излучения.

Рис. 1. Излучение – один из механизмов теплопередачи.

Изменение внутренней энергии с помощью химических реакций

Внутренняя энергия системы, представляющая собой смесь разных веществ, может изменяться в результате химических реакций, в которые эти вещества вступают между собой. При этом в результате тепло Q может либо выделяться (экзотермическая реакция), либо поглощаться (эндотермическая реакция). В первом случае внутренняя энергия уменьшается, а во втором — увеличивается.

Примером реакции с выделением тепла Q может служить реакция горения метана в кислороде:

$ СH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2*H_2O + Q $ (3).

Пример реакции с поглощением тепла — разложение карбоната кальция СaCO₃ на углекислый газ CO₂ и оксид кальция (негашеная известь) CaO:

$ СaCO_3 = CaO + CO_2 – Q $ (4).

Все перечисленные способы изменения внутренней энергии можно представить в виде следующей таблицы:.

Рис. 2. Таблица изменений внутренней энергии физических тел.

Физики научились регистрировать и измерять тепловое излучение, что позволило создать удивительные приборы, которые называются тепловизорами. Этими устройствами можно бесконтактно (на расстоянии) измерять температуру на поверхности различных тел, в том числе на теле человека. Тепловизоры применяются в медицине, в военной технике, в промышленности.

Тепловизор — прибор, использующий тепловое излучение: — Рис. 3. Тепловизор — прибор, использующий тепловое излучение.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что внутреннюю энергию тела можно изменить либо с помощью совершения работы А, либо с помощью передачи количества теплоты Q. Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Внутренняя энергия может также изменяться в результате химических реакций.