Физика

Связь внутренней энергии с температурой

 

Вспомним сначала определение внутренней энергии.

 

Определение. Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.

Как мы уже обговаривали на прошлом занятии, внутренняя энергия тела не является постоянной величиной и связана с изменением температуры тела (рис. 1):

1. при повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т. к. молекулы тела начинают активнее двигаться, расстояние между ними увеличивается и возрастает их кинетическая и потенциальная энергия, ;
2. при понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается, т. к. молекулы тела начинают двигаться менее активно, расстояние между ними уменьшается и понижается их кинетическая и потенциальная энергия, .

Рис. 1. Зависимость внутренней энергии тела от температуры

Таким образом, температура – это главная характеристика внутренней энергии тела.

 

История развития представлений об изменении внутренней энергии

 

 

Перед тем как рассмотреть конкретные возможные причины процесса изменения внутренней энергии тела, заметим, что теория, которая связывает энергию движения и взаимодействия частиц с внутренней энергией тела, сложилась не сразу.

 

Например, почти до конца XIX века считалось, что существует такая условная субстанция, как теплород. Считалось, что когда теплород втекает в тело, то его температура увеличивается, как и внутренняя энергия, а когда вытекает – температура с внутренней энергией уменьшается. Понятие теплорода было введено в конце XVIII века Лавуазье, а уже на рубеже XVIII и XIX веков были проведены первые эксперименты, подтверждавшие несостоятельность этой теории.

Кроме того, для описания процесса сжигания топлива существовала аналогичная теория, которая говорила, что существует такая гипотетическая материя, как флогистон. Считалось, что он содержится во всех горючих веществах и при их горении высвобождается и дает высокую температуру. Термин был введен впервые в начале XVIII века учеными Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Позже и теория флогистона была раскритикована и сегодня не упоминается в научных трудах, как и теория теплорода.

 

Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы

 

 

Мы будем рассматривать возможные варианты изменения внутренней энергии с точки зрения развития науки, поэтому сначала обсудим изменение внутренней энергии благодаря совершению работы.

 

Вы уже знакомы с понятием «механическая работа тела», она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела (рис. 2), аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела.

Рис. 2. Механическая работа

Это удобно изобразить на схеме.

Рис. 3.

Внутренняя энергия не постоянная величина. Она может изменяться. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится (увеличится средняя скорость движения молекул). При понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается.

Заткнем шприц с одной стороны пробкой и начнем давить на ручку шприца. Мы давим на ручку, тем самым сжимаем воздух внутри шприца, внутренняя энергия увеличивается.

Рис. 4.

После этого пробка выстреливает и сжатый внутри шприца воздух разжимается и выходит из него, тем самым остывая – внутренняя энергия уменьшается.

Рис. 5.

Первые опыты по доказательству несостоятельности теории теплорода и подтверждению влияния процесса совершения работы на изменение внутренней энергии тела провел английский инженер и физик Бенджамин Румфорд (рис. 7), который в конце XVIII века при изготовлении пушек занимался сверлением их ствола.

Рис. 6. Б. Румфорд (1753-1814)

Он заметил, что при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла.

Рис. 7.

Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение конской тягой. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура резко поднялась. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой (рис. 8). В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Румфорд объяснил это явление с помощью представления о теплоте как особом виде движения.

Рис. 8. Опыт Румфорда по нагреванию воды из-за трения сверла

Опыт Румфорда доказал, что процесс совершения работы оказывает непосредственное влияние изменение внутренней энергии тела и внутренняя энергия тела может быть изменена при совершении работы.

Таким образом, работа является мерой изменения внутренней энергии при превращении механической энергии во внутреннюю или внутренней энергии в механическую.

 

Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи

 

 

Второй способ изменения внутренней энергии тела мы можем легко наблюдать каждый день в повседневной жизни, и он был давно всем известен – это теплопередача.

 

Определение. Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Примеров процесса теплопередачи множество – это и нагревание чайника на плите, и охлаждение комнаты с помощью кондиционера, и нагревание оконного подоконника в солнечный день, и т. п.

Указанные процессы делятся на три вида: теплопроводность, конвекция и излучение (рис. 9).

Рис. 9. Виды теплопередачи

Более подробно о каждом из этих видов теплопередачи мы поговорим на последующих уроках.

Отметим, что процессы теплопередачи и совершения работы, как правило, протекают параллельно и одновременно влияют на изменение у тела внутренней энергии.

Теперь мы можем изобразить два варианты изменения внутренней энергии тела на схеме.

Рис. 10.

На следующем уроке мы уделим особое внимание описанию процесса теплопроводности при теплопередаче.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э., Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа. 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «physbook.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «physel.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «school.xvatit.com» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 10: № 1-6. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа. 2010.
2. Ладони можно нагреть, прижимая их к какому-нибудь нагретому телу, например к стенке печи. Также ладони можно потереть друг об друга. Чем отличаются эти способы нагревания?
3. Когда стальной нож затачивают на точильном круге, он сильно нагревается. А как еще можно повысить температуру ножа?
4. На сколько повысится внутренняя энергия детали и напильника, если провести по этой детали напильником 20 раз, прикладывая силу 100 Н? Размах одного хода напильника 20 см.
5. ^* На рисунке 10 изображен кратер, возникший в Аризоне 50 тыс. лет назад от удара метеорита массой более 300 тыс. тонн. Исследования не выявили значительного количества метеоритного вещества. Куда оно делось и за счет какой энергии образовался кратер?
   
   Рис. 10.