Jak zmienić energię wewnętrzną. Zmiana energii wewnętrznej

Aby rozwiązać problemy praktyczne, istotną rolę odgrywa nie sama energia wewnętrzna, ale jej zmiana Δ u = u 2 - u 1. Zmiana energii wewnętrznej jest obliczana na podstawie praw zachowania energii.

Energia wewnętrzna ciała może zmieniać się na dwa sposoby:

1. Podczas robienia Praca mechaniczna.

a) Jeżeli siła zewnętrzna powoduje odkształcenie ciała, to zmieniają się odległości między cząstkami, z których się składa, aw konsekwencji zmienia się energia potencjalna oddziaływania cząstek. Przy odkształceniach niesprężystych dodatkowo zmienia się temperatura ciała, tj. zmienia się energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek. Ale kiedy ciało jest zdeformowane, wykonywana jest praca, która jest miarą zmiany energii wewnętrznej ciała.

b) Energia wewnętrzna ciała zmienia się również podczas zderzenia niesprężystego z innym ciałem. Jak widzieliśmy wcześniej, podczas niesprężystego zderzenia ciał ich energia kinetyczna maleje, zamienia się w energię wewnętrzną (na przykład, jeśli uderzysz kilka razy młotkiem w drut leżący na kowadle, drut się nagrzeje). Miarą zmiany energii kinetycznej ciała jest, zgodnie z twierdzeniem o energii kinetycznej, praca działających sił. Ta praca może również służyć jako miara zmian energii wewnętrznej.

c) Zmiana energii wewnętrznej ciała zachodzi pod działaniem siły tarcia, ponieważ jak wiadomo z doświadczenia, tarciu zawsze towarzyszy zmiana temperatury trących się ciał. Praca siły tarcia może służyć jako miara zmiany energii wewnętrznej.

2. Używanie przenoszenie ciepła. Na przykład, jeśli ciało zostanie umieszczone w płomieniu palnika, jego temperatura zmieni się, a zatem zmieni się również jego energia wewnętrzna. Jednak nie wykonano tutaj żadnych prac, ponieważ nie było widocznego ruchu ani samego ciała, ani jego części.

Nazywamy zmianę energii wewnętrznej układu bez wykonania pracy wymiana ciepła(transfer ciepła).

Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

a) przewodność cieplna to proces wymiany ciepła między ciałami (lub częściami ciała) w ich bezpośrednim kontakcie, w wyniku termicznego chaotycznego ruchu cząstek ciała. Amplituda oscylacji cząsteczek ciała stałego jest tym większa, im wyższa jest jego temperatura. Przewodność cieplna gazów wynika z wymiany energii między cząsteczkami gazu podczas ich zderzeń. W przypadku płynów działają oba mechanizmy. Przewodność cieplna substancji jest maksymalna w stanie stałym, a minimalna w stanie gazowym.

b) Konwekcja to przenoszenie ciepła przez ogrzane strumienie cieczy lub gazów z jednej części objętości, którą zajmują, do drugiej.

c) Przenikanie ciepła przy promieniowanie przeprowadzane na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych.

Rozważmy bardziej szczegółowo, jak zmienić energię wewnętrzną.

Ilość ciepła

Jak wiadomo, podczas różnych procesów mechanicznych następuje zmiana energii mechanicznej W. Miarą zmiany energii mechanicznej jest praca sił przyłożonych do układu:

Podczas wymiany ciepła następuje zmiana energii wewnętrznej ciała. Miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła jest ilość ciepła.

Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła.

Zatem zarówno praca, jak i ilość ciepła charakteryzują zmianę energii, ale nie są tożsame z energią wewnętrzną. Nie charakteryzują one stanu samego układu (jak energia wewnętrzna), ale określają proces przejścia energii z jednej postaci do drugiej (z jednego ciała do drugiego), gdy stan się zmienia i zasadniczo zależą od charakteru tego procesu.

Główna różnica między pracą a ciepłem polega na tym

§ praca charakteryzuje proces zmiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na inny (z mechanicznej na wewnętrzną);

§ ilość ciepła charakteryzuje proces przenoszenia energii wewnętrznej z jednego ciała do drugiego (od cieplejszego do mniej gorącego), któremu nie towarzyszą przemiany energii.

§ Pojemność cieplna, ilość ciepła zużytego do zmiany temperatury o 1 ° C. Według ściślejszej definicji, pojemność cieplna- wielkość termodynamiczna, określona przez wyrażenie:

§ gdzie Δ Q- ilość ciepła przekazanego do układu i spowodowała zmianę jego temperatury o Delta;T. Stosunek różnic skończonych Δ Q/ΔT nazywamy średnią pojemność cieplna, stosunek nieskończenie małych wartości d Q/dT- PRAWDA pojemność cieplna. Ponieważ D Q nie jest więc całkowitą różniczką funkcji stanu pojemność cieplna zależy od ścieżki przejścia między dwoma stanami systemu. Wyróżnić pojemność cieplna system jako całość (J/K), specyficzny pojemność cieplna[J/(gK)], molowy pojemność cieplna[J/(mol·K)]. Wszystkie poniższe wzory wykorzystują wartości molowe pojemność cieplna.

Pytanie 32:

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby.

Ilość ciepła (Q) to zmiana energii wewnętrznej ciała, która zachodzi w wyniku wymiany ciepła.

Ilość ciepła mierzona jest w układzie SI w dżulach.
[Q] = 1J.

Ciepło właściwe substancji pokazuje, ile ciepła potrzeba, aby zmienić temperaturę jednostki masy danej substancji o 1°C.
Jednostka ciepła właściwego w układzie SI:
[c] = 1 J/kg stopni C.

Pytanie 33:

33 Pierwsza zasada termodynamiki, ilość ciepła odbieranego przez układ, idzie na zmianę jego energii wewnętrznej i wykonanie pracy na ciałach zewnętrznych. dQ=dU+dA, gdzie dQ to elementarna ilość ciepła, dA to elementarna praca, dU to przyrost energii wewnętrznej. Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki do izoprocesów
Wśród procesów równowagi, które zachodzą w układach termodynamicznych, są izoprocesy, przy którym jeden z głównych parametrów stanu jest stały.
Proces izochoryczny (V= stała). Schemat tego procesu (izochor) we współrzędnych R, V jest przedstawiony jako linia prosta równoległa do osi y (ryc. 81), gdzie proces 1-2 jest izochoryczne ogrzewanie, i 1 -3 - chłodzenie izochoryczne. W procesie izochorycznym gaz nie działa na ciała zewnętrzne, Proces izotermiczny (T= stała). Jak już wspomniano w § 41, proces izotermiczny opisuje prawo Boyle'a-Mariotte'a
, aby temperatura nie spadała podczas rozprężania gazu, należy dostarczyć gazowi ilość ciepła równoważną zewnętrznej pracy rozprężania podczas procesu izotermicznego.

Pytanie 34:

34 Adiabatyczny nazywamy procesem, w którym nie zachodzi wymiana ciepła ( dQ= 0) między systemem a otoczeniem. Procesy adiabatyczne obejmują wszystkie procesy szybkie. Na przykład proces rozchodzenia się dźwięku w ośrodku można uznać za proces adiabatyczny, ponieważ prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest tak duża, że ​​wymiana energii między falą a ośrodkiem nie ma czasu na zajście. Procesy adiabatyczne stosuje się w silnikach spalinowych (rozprężanie i sprężanie palnej mieszanki w cylindrach), w agregatach chłodniczych itp.
Z pierwszej zasady termodynamiki ( dQ= d U+dA) dla procesu adiabatycznego wynika, że
p /С V =γ , znajdujemy

Całkując równanie w zakresie od p 1 do p 2 i odpowiednio od V 1 do V 2 i wzmacniając, dochodzimy do wyrażenia

Ponieważ stany 1 i 2 są wybierane arbitralnie, możemy pisać

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby.

Jeżeli nad ciałem jest wykonywana praca, to jego energia wewnętrzna wzrasta.

Energia wewnętrzna ciała(oznaczone jako E lub U) jest sumą energii oddziaływań molekularnych i ruchów termicznych cząsteczki. Energia wewnętrzna jest jednowartościową funkcją stanu układu. Oznacza to, że ilekroć układ znajdzie się w danym stanie, jego energia wewnętrzna przyjmuje wartość właściwą temu stanowi, niezależnie od historii układu. W konsekwencji zmiana energii wewnętrznej podczas przejścia z jednego stanu do drugiego będzie zawsze równa różnicy między jej wartościami w stanie końcowym i początkowym, niezależnie od ścieżki, po której nastąpiło przejście.

Energii wewnętrznej ciała nie można zmierzyć bezpośrednio. Można wyznaczyć tylko zmianę energii wewnętrznej:

Ta formuła jest matematycznym wyrażeniem pierwszej zasady termodynamiki

Dla procesów quasi-statycznych zachodzi następująca zależność:

Temperatura mierzona w kelwinach

Entropia mierzona w dżulach/kelwinach

Ciśnienie mierzone w paskalach

Potencjał chemiczny

Liczba cząstek w układach

Ciepło spalania paliwa. paliwo warunkowe. Ilość powietrza potrzebna do spalenia paliwa.

Jakość paliwa ocenia się na podstawie jego wartości opałowej. Do scharakteryzowania paliw stałych i płynnych stosuje się wartość opałową właściwą, czyli ilość ciepła wydzielanego podczas całkowitego spalania jednostki masy (kJ/kg). Dla paliw gazowych stosuje się wartość opałowa objętościową, czyli ilość ciepła wydzielanego podczas spalania jednostki objętości (kJ/m3). Ponadto paliwo gazowe w niektórych przypadkach szacuje się na podstawie ilości ciepła uwalnianego podczas całkowitego spalania jednego mola gazu (kJ / mol).

Ciepło spalania określa się nie tylko teoretycznie, ale także empirycznie, spalając określoną ilość paliwa w specjalnych urządzeniach zwanych kalorymetrami. Ciepło spalania szacuje się na podstawie wzrostu temperatury wody w kolorymetrze. Wyniki uzyskane tą metodą są zbliżone do wartości obliczonych ze składu pierwiastkowego paliwa.

Pytanie 14Zmiana energii wewnętrznej podczas ogrzewania i chłodzenia. Praca gazu ze zmianą objętości.

Energia wewnętrzna ciała zależy od średniej energii kinetycznej jego cząsteczek, a ta energia z kolei zależy od temperatury. Dlatego zmieniając temperaturę ciała zmieniamy również jego energię wewnętrzną, gdy ciało jest ogrzewane, jego energia wewnętrzna wzrasta, a gdy się ochładza, maleje.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić bez wykonywania pracy. Można go więc na przykład zwiększyć, podgrzewając czajnik z wodą na kuchence lub opuszczając łyżkę do szklanki z gorącą herbatą. Ogrzewa się kominek, w którym rozpala się ogień, oświetlony słońcem dach domu itp. Wzrost temperatury ciał we wszystkich tych przypadkach oznacza wzrost ich energii wewnętrznej, ale wzrost ten następuje bez wykonania pracy .

Zmiana energii wewnętrznej ciało bez wykonywania pracy nazywa się przenoszeniem ciepła. Wymiana ciepła zachodzi między ciałami (lub częściami tego samego ciała), które mają różne temperatury.

Jak na przykład zachodzi przenoszenie ciepła, gdy zimna łyżka wchodzi w kontakt z gorącą wodą? Po pierwsze, średnia prędkość i energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody przekracza średnią prędkość i energię kinetyczną cząstek metalu, z których wykonana jest łyżka. Ale w miejscach, w których łyżka styka się z wodą, cząsteczki gorącej wody zaczynają przekazywać część swojej energii kinetycznej cząsteczkom łyżki i zaczynają się poruszać szybciej. W tym przypadku energia kinetyczna cząsteczek wody maleje, a energia kinetyczna cząstek łyżki wzrasta. Wraz z energią zmienia się również temperatura: woda stopniowo się ochładza, a łyżka nagrzewa. Zmienia się ich temperatura, aż staje się taka sama dla wody i łyżki.

Część energii wewnętrznej przenoszonej z jednego ciała do drugiego podczas wymiany ciepła jest oznaczona literą i nazywana jest ilością ciepła.

Q to ilość ciepła.

Nie należy mylić ilości ciepła z temperaturą. Temperatura jest mierzona w stopniach, a ilość ciepła (jak każda inna energia) jest mierzona w dżulach.

Gdy stykają się ciała o różnych temperaturach, ciało cieplejsze oddaje pewną ilość ciepła, a ciało zimniejsze je odbiera.

Praca przy izobarycznej ekspansji gazu. Jednym z głównych procesów termodynamicznych zachodzących w większości silników cieplnych jest proces rozprężania gazu wraz z wykonaniem pracy. Łatwo jest wyznaczyć pracę wykonaną podczas izobarycznej ekspansji gazu.

Jeżeli podczas izobarycznego rozprężania gazu z objętości V1 do objętości V2 tłok porusza się w cylindrze na odległość l (ryc. 106), to praca A "wykonana przez gaz jest równa

Gdzie p to ciśnienie gazu, to zmiana jego objętości.

Pracuj z dowolnym procesem rozprężania gazu. Dowolny proces rozszerzania się gazu z objętości V1 do objętości V2 można przedstawić jako zbiór naprzemiennych procesów izobarycznych i izochorycznych.

Pracuj z izotermiczną ekspansją gazu. Porównując pola figur pod przekrojami izotermy i izobary, można stwierdzić, że rozprężaniu gazu z objętości V1 do objętości V2 przy tej samej początkowej wartości ciśnienia gazu towarzyszy w przypadku rozprężania izobarycznego większa praca.

Pracuj ze sprężaniem gazu. Gdy gaz się rozpręża, kierunek wektora siły ciśnienia gazu pokrywa się z kierunkiem wektora przemieszczenia, więc praca A „wykonywana przez gaz jest dodatnia (A” > 0), a praca A sił zewnętrznych jest ujemna: A \u003d -A "< 0.

Podczas sprężania gazu kierunek wektora siły zewnętrznej pokrywa się z kierunkiem ruchu, więc praca A sił zewnętrznych jest dodatnia (A > 0), a praca A "wykonana przez gaz jest ujemna (A"< 0).

proces adiabatyczny. Oprócz procesów izobarycznych, izochorycznych i izotermicznych w termodynamice często uwzględnia się procesy adiabatyczne.

Proces adiabatyczny to proces, który zachodzi w układzie termodynamicznym przy braku wymiany ciepła z otaczającymi go ciałami, czyli pod warunkiem Q = 0.

Pytanie 15 Warunki równowagi ciała. Chwila mocy. Rodzaje równowagi.

Równowaga lub równowaga wielu powiązanych ze sobą zjawisk w naukach przyrodniczych i humanistycznych.

Uważa się, że system jest w stanie równowagi, jeśli wszystkie wpływy na ten system są kompensowane przez inne lub całkowicie nieobecne. Podobną koncepcją jest stabilność. Równowaga może być stabilna, niestabilna lub obojętna.

Typowe przykłady równowagi:

1. Równowaga mechaniczna, znana również jako równowaga statyczna, to stan ciała w spoczynku lub ruchu jednostajnym, w którym suma działających na nie sił i momentów wynosi zero.

2. Równowaga chemiczna - stan, w którym reakcja chemiczna przebiega w takim samym stopniu jak reakcja odwrotna, w wyniku czego nie następuje zmiana ilości poszczególnych składników.

3. Równowaga fizyczna ludzi i zwierząt, która jest utrzymywana dzięki zrozumieniu jej konieczności, aw niektórych przypadkach poprzez sztuczne utrzymywanie tej równowagi [źródło nieokreślone 948 dni].

4. Równowaga termodynamiczna - stan układu, w którym zachodzące w nim procesy wewnętrzne nie prowadzą do zmian parametrów makroskopowych (takich jak temperatura i ciśnienie).

R równości do zera sumy algebraicznej momenty sił nie oznacza również, że ciało jest koniecznie w spoczynku. Przez kilka miliardów lat obrót Ziemi wokół własnej osi trwa ze stałym okresem właśnie dlatego, że suma algebraiczna momentów sił działających na Ziemię z innych ciał jest bardzo mała. Z tego samego powodu obracające się koło roweru nadal obraca się ze stałą częstotliwością i tylko siły zewnętrzne zatrzymują ten obrót.

Rodzaje równowagi. W praktyce ważną rolę odgrywa nie tylko spełnienie warunku równowagi dla ciał, ale także jakościowa charakterystyka równowagi, zwana stabilnością. Istnieją trzy rodzaje równowagi ciał: stabilna, niestabilna i obojętna. Równowaga nazywana jest stabilną, jeśli po niewielkich wpływach zewnętrznych ciało powraca do pierwotnego stanu równowagi. Dzieje się tak, gdy przy niewielkim przesunięciu ciała w dowolnym kierunku od położenia początkowego wypadkowa sił działających na ciało staje się niezerowa i jest skierowana w stronę położenia równowagi. W równowadze stabilnej znajduje się np. kula na dnie wgłębienia.

Ogólny warunek równowagi ciała. Łącząc te dwa wnioski, możemy sformułować ogólny warunek równowagi ciała: ciało jest w równowadze, jeśli suma geometryczna wektorów wszystkich działających na nie sił i suma algebraiczna momentów tych sił względem osi ciała obroty są równe zeru.

Pytanie 16Parowanie i kondensacja. Odparowanie. Wrząca ciecz. Zależność wrzenia cieczy od ciśnienia.

Waporyzacja - właściwość upuszczania cieczy w celu zmiany ich stanu skupienia i przekształcenia w parę. Parowanie, które występuje tylko na powierzchni kropli cieczy, nazywa się parowaniem. Parowanie w całej objętości cieczy nazywa się wrzeniem; występuje w określonej temperaturze, w zależności od ciśnienia. Ciśnienie, przy którym ciecz wrze w danej temperaturze, nazywa się prężnością pary nasyconej pnp, jej wartość zależy od rodzaju cieczy i jej temperatury.

Odparowanie- proces przejścia substancji ze stanu ciekłego do stanu gazowego (pary). Proces parowania jest odwrotnością procesu kondensacji (przejście ze stanu pary w stan ciekły. Odparowanie (odparowanie), przejście substancji z fazy skondensowanej (stałej lub ciekłej) w fazę gazową (parę wodną); faza pierwszego rzędu przemiana.

Kondensacja - jest to proces odwrotny do parowania. Podczas skraplania cząsteczki pary powracają do cieczy. W naczyniu zamkniętym ciecz i jej para mogą znajdować się w stanie równowagi dynamicznej, gdy liczba cząsteczek opuszczających ciecz jest równa liczbie cząsteczek powracających do cieczy z pary, to znaczy gdy szybkości parowania i kondensacja są takie same. Taki system nazywany jest systemem dwufazowym. Para pozostająca w równowadze z cieczą nazywana jest nasyconą. Liczba cząsteczek emitowanych z jednostki powierzchni cieczy w ciągu jednej sekundy zależy od temperatury cieczy. Liczba cząsteczek powracających z pary do cieczy zależy od stężenia cząsteczek pary oraz od średniej szybkości ich ruchu termicznego, która jest określona przez temperaturę pary.

Wrzenie- proces parowania w cieczy (przejście substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy), z pojawieniem się granic rozdzielenia faz. Temperatura wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym jest zwykle podawana jako jedna z głównych właściwości fizykochemicznych chemicznie czystej substancji.

Wrzenie wyróżnia się według typu:

1. gotowanie z konwekcją swobodną w dużej objętości;

2. wrzenie w warunkach konwekcji wymuszonej;

3. a także w stosunku do średniej temperatury cieczy do temperatury nasycenia:

4. wrzenie cieczy przechłodzonej do temperatury nasycenia (wrzenie powierzchniowe);

5. wrzenie cieczy podgrzanej do temperatury nasycenia

Bańka

Wrzenie , w którym tworzy się para w postaci okresowo pojawiających się i rosnących pęcherzyków, nazywana jest wrzeniem zarodkowym. Przy powolnym gotowaniu zarodków w cieczy (a dokładniej z reguły na ścianach lub na dnie naczynia) pojawiają się bąbelki wypełnione parą. Ze względu na intensywne parowanie cieczy wewnątrz pęcherzyków, rosną one, unoszą się na powierzchni, a para jest uwalniana do fazy gazowej nad cieczą. W tym przypadku w warstwie przyściennej ciecz znajduje się w stanie lekko przegrzanym, tj. jej temperatura przekracza nominalną temperaturę wrzenia. W normalnych warunkach różnica ta jest niewielka (rzędu jednego stopnia).

Film

Kiedy strumień ciepła wzrasta do określonej wartości krytycznej, poszczególne pęcherzyki łączą się, tworząc ciągłą warstwę pary w pobliżu ścianki naczynia, która okresowo przenika do objętości cieczy. Ten tryb nazywa się trybem filmowym.

©2015-2019 strona
Wszelkie prawa należą do ich autorów. Ta strona nie rości sobie praw autorskich, ale zapewnia bezpłatne użytkowanie.
Data utworzenia strony: 2016-08-20

Energia wewnętrzna ciała nie jest jakąś stałą. W tym samym ciele może się to zmienić.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia wewnętrzna ciała, gdy średnia prędkość cząsteczek wzrasta.

W konsekwencji energia kinetyczna cząsteczek tego ciała wzrasta. I odwrotnie, gdy temperatura spada, energia wewnętrzna ciała maleje..

Zatem, energia wewnętrzna ciała zmienia się wraz ze zmianą prędkości ruchu cząsteczek.

Spróbujmy dowiedzieć się, jak zwiększyć lub zmniejszyć prędkość cząsteczek. W tym celu przeprowadzimy następujący eksperyment. Mocujemy cienkościenną mosiężną rurkę na stojaku (ryc. 3). Wlej trochę eteru do rurki i zamknij korek. Następnie owijamy rurkę liną i zaczynamy szybko przesuwać ją najpierw w jednym kierunku, a potem w drugim. Po chwili eter się zagotuje, a para wypchnie korek. Doświadczenie pokazuje, że energia wewnętrzna eteru wzrosła: w końcu rozgrzał się, a nawet zagotował.

Ryż. 3. Wzrost energii wewnętrznej ciała podczas wykonywania nad nim pracy

Wzrost energii wewnętrznej nastąpił w wyniku pracy wykonanej podczas pocierania rurki liną.

Nagrzewanie ciał występuje również podczas uderzeń, rozciągania i zginania, czyli podczas deformacji. Energia wewnętrzna ciała we wszystkich powyższych przykładach wzrasta.

W konsekwencji, energię wewnętrzną ciała można zwiększyć, wykonując nad nim pracę.

Jeśli praca jest wykonywana przez samo ciało, to ono wewnętrzna, energia maleje.

Zróbmy następujący eksperyment.

Do grubościennego szklanego naczynia, zamykanego korkiem, przez specjalny otwór wpompujemy w nie powietrze (ryc. 4).

Ryż. 4. Zmniejszenie energii wewnętrznej ciała przy wykonywaniu pracy własnym ciałem

Po chwili korek wyskoczy z naczynia. W momencie, gdy korek wyskoczy z naczynia, tworzy się mgła. Jego pojawienie się oznacza, że ​​powietrze w naczyniu stało się zimniejsze. Sprężone powietrze w naczyniu wypycha korek i działa. Wykonuje tę pracę kosztem swojej energii wewnętrznej, która jednocześnie maleje. Spadek energii wewnętrznej można ocenić, ochładzając powietrze w naczyniu. Więc, energię wewnętrzną ciała można zmienić wykonując pracę.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić w inny sposób, bez wykonywania pracy. Na przykład woda w czajniku postawionym na kuchence gotuje się. Powietrze i różne przedmioty w pomieszczeniu są ogrzewane przez grzejnik centralnego ogrzewania, dachy domów są ogrzewane promieniami słońca itp. We wszystkich tych przypadkach temperatura ciał wzrasta, co oznacza, że ​​​​wzrasta ich energia wewnętrzna . Ale praca nie jest skończona.

Oznacza, zmiana energii wewnętrznej może nastąpić nie tylko w wyniku wykonania pracy.

Jak można wytłumaczyć wzrost energii wewnętrznej w tych przypadkach?

Rozważ następujący przykład.

Zanurz metalową igłę w szklance gorącej wody. Energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody jest większa niż energia kinetyczna zimnych cząstek metalu. Cząsteczki gorącej wody, oddziałując z zimnymi cząstkami metalu, przekażą im część swojej energii kinetycznej. W rezultacie energia cząsteczek wody średnio spadnie, podczas gdy energia cząstek metalu wzrośnie. Temperatura wody będzie spadać, a temperatura metalowej szprychy będzie stopniowo wzrastać. Po pewnym czasie ich temperatura się wyrówna. To doświadczenie pokazuje zmianę energii wewnętrznej ciał.

Więc, energię wewnętrzną ciał można zmienić przez wymianę ciepła.

Proces zmiany energii wewnętrznej bez wykonywania pracy na ciele lub na samym ciele nazywa się przenoszeniem ciepła.

Wymiana ciepła zawsze zachodzi w określonym kierunku: od ciał o wyższej temperaturze do ciał o niższej.

Gdy temperatury ciał się wyrównają, przenoszenie ciepła ustaje.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić na dwa sposoby: wykonując pracę mechaniczną lub przenosząc ciepło.

Z kolei wymianę ciepła można przeprowadzić: 1) przewodność cieplna; 2) konwekcja; 3) promieniowanie.

pytania

1. Korzystając z rysunku 3, opisz, jak zmienia się energia wewnętrzna ciała, gdy wykonywana jest nad nim praca.
2. Opisz doświadczenie pokazujące, że ciało może wykonać pracę dzięki energii wewnętrznej.
3. Podaj przykłady zmian energii wewnętrznej ciała za pomocą wymiany ciepła.
4. Wyjaśnij, opierając się na budowie molekularnej substancji, nagrzewanie igły dziewiarskiej zanurzonej w gorącej wodzie.
5. Co to jest wymiana ciepła?
6. Jakie są dwa sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała?

Ćwiczenie 2

1. Siła tarcia działa na ciało. Czy to zmienia energię wewnętrzną ciała? Jakimi znakami można to ocenić?
2. Kiedy szybko schodzisz po linie, twoje ręce stają się gorące. Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.

Ćwiczenie

Umieść monetę na arkuszu sklejki lub drewnianej desce. Dociśnij monetę do planszy i szybko przesuń ją w jednym lub drugim kierunku. Zauważ, ile razy musisz poruszyć monetą, aby była ciepła, gorąca. Wyciągnij wniosek na temat związku między wykonaną pracą a wzrostem energii wewnętrznej ciała.

Dlatego zmieniając temperaturę ciała zmieniamy jego energię wewnętrzną. Kiedy ciało jest ogrzewane, jego energia wewnętrzna wzrasta, gdy jest ochładzane, maleje.

Zróbmy eksperyment. Na stojaku mocujemy cienkościenną mosiężną rurkę. Wlej do niego trochę eteru i szczelnie zamknij korkiem. Teraz owijamy rurkę liną i zaczynamy nią pocierać rurkę, szybko wciągając ją w linę w jednym lub drugim kierunku. Po pewnym czasie energia wewnętrzna rurki z eterem wzrośnie tak bardzo, że eter zacznie wrzeć, a powstająca para wypchnie korek (ryc. 60).

To doświadczenie to pokazuje energię wewnętrzną ciała można zmienić, wykonując pracę nad ciałem, w szczególności przez tarcie.

Zmieniając wewnętrzną energię kawałka drewna poprzez tarcie, nasi przodkowie rozpalili ogień. Temperatura zapłonu drewna wynosi 250°C. Dlatego, aby rozpalić ogień, musisz pocierać jeden kawałek drewna o drugi, aż ich temperatura osiągnie tę wartość. To jest łatwe? Kiedy bohaterowie powieści Juliusza Verne'a „Tajemnicza wyspa” próbowali w ten sposób rozpalić ogień, nie udało im się to.

"Gdyby energia, którą wydali Nab i Pencroff, mogła zostać zamieniona w ciepło, prawdopodobnie wystarczyłaby do ogrzania kotła parowca oceanicznego. Ale wynik ich wysiłków był zerowy. Kawałki drewna były jednak rozgrzane, ale znacznie mniej niż sami uczestnicy tej operacji.

Po godzinie pracy Pencroff zlany potem ze złością wyrzucił kawałki drewna, mówiąc:
„Nie mów mi, że dzikusy rozpalają ogień w ten sposób!” Wolałbym wierzyć, że latem pada śnieg. Być może łatwiej jest zapalić własne dłonie, pocierając je jedna o drugą.

Przyczyną ich niepowodzenia było to, że ogień trzeba było rozpalać nie przez pocieranie jednego kawałka drewna o drugi, ale przez wiercenie w desce zaostrzonym patykiem (ryc. 61). Następnie, przy pewnej wprawie, można podnieść temperaturę w gnieździe patyka o 20 ° C w ciągu 1 s. I potrzeba tylko 250/20 = 12,5 sekundy, aby doprowadzić patyk do punktu spalania!

Wielu ludzi w naszych czasach „wytwarza” ogień przez tarcie – przez pocieranie zapałek o pudełko zapałek. Od jak dawna istnieją mecze? Produkcja pierwszych (fosforowych) zapałek rozpoczęła się w latach 30. XX wieku. 19 wiek Fosfor zapala się przy raczej niskim ogrzewaniu - tylko do 60°C. Dlatego, aby zapalić zapałkę fosforową, wystarczyło uderzyć ją w niemal każdą powierzchnię (od najbliższej ściany do bootlegu). Zapałki te były jednak bardzo niebezpieczne: były trujące i ze względu na łatwy zapłon często powodowały pożar. Zapałki bezpieczne (których używamy do dziś) zostały wynalezione w 1855 roku w Szwecji (stąd ich nazwa „zapałki szwedzkie”). Fosfor w tych zapałkach został zastąpiony innymi palnymi substancjami.

Zatem tarcie może podnieść temperaturę substancji. Wykonywanie pracy nad ciałem(na przykład uderzanie młotkiem w kawałek ołowiu, zginanie i rozwijanie drutu, przesuwanie jednego przedmiotu po powierzchni drugiego lub sprężanie gazu w cylindrze za pomocą tłoka), zwiększamy jego energię wewnętrzną. Jeśli ciało samo wykonuje pracę” (ze względu na swoją energię wewnętrzną), wtedy energia wewnętrzna ciała maleje i ciało się ochładza.

Zaobserwujmy to w doświadczeniu. Weź grubościenne szklane naczynie i szczelnie zamknij gumowym korkiem z otworem. Przez ten otwór za pomocą pompy zaczniemy pompować powietrze do naczynia. Po pewnym czasie korek z hałasem wyleci z naczynia, aw samym naczyniu pojawi się mgła (ryc. 62). Pojawienie się mgły oznacza, że ​​powietrze w naczyniu stało się zimniejsze, a co za tym idzie, jego energia wewnętrzna spadła. Wyjaśnia to fakt, że sprężone powietrze w naczyniu, wypychając korek, wykonało pracę, zmniejszając jego energię wewnętrzną. Dlatego temperatura powietrza spadła.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić bez wykonywania pracy. Można go więc na przykład zwiększyć, podgrzewając czajnik z wodą na kuchence lub opuszczając łyżkę do szklanki z gorącą herbatą. Ogrzewa się kominek, w którym rozpala się ogień, oświetlony słońcem dach domu itp. Wzrost temperatury ciał we wszystkich tych przypadkach oznacza wzrost ich energii wewnętrznej, ale wzrost ten następuje bez wykonania pracy .

Nazywamy zmianę energii wewnętrznej ciała bez wykonania pracy wymiana ciepła. Wymiana ciepła zachodzi między ciałami (lub częściami tego samego ciała), które mają różne temperatury.

Jak na przykład zachodzi przenoszenie ciepła, gdy zimna łyżka wchodzi w kontakt z gorącą wodą? Po pierwsze, średnia prędkość i energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody przekracza średnią prędkość i energię kinetyczną cząstek metalu, z których wykonana jest łyżka. Ale w miejscach, w których łyżka styka się z wodą, cząsteczki gorącej wody zaczynają przekazywać część swojej energii kinetycznej cząsteczkom łyżki i zaczynają się poruszać szybciej. W tym przypadku energia kinetyczna cząsteczek wody maleje, a energia kinetyczna cząstek łyżki wzrasta. Wraz z energią zmienia się również temperatura: woda stopniowo się ochładza, a łyżka nagrzewa. Zmienia się ich temperatura, aż staje się taka sama dla wody i łyżki.

Część energii wewnętrznej przenoszonej z jednego ciała do drugiego podczas wymiany ciepła jest oznaczona literą i nazywa się ilość ciepła.
Q to ilość ciepła.

Nie należy mylić ilości ciepła z temperaturą. Temperatura jest mierzona w stopniach, a ilość ciepła (jak każda inna energia) jest mierzona w dżulach.

Gdy stykają się ciała o różnych temperaturach, ciało cieplejsze oddaje pewną ilość ciepła, a ciało zimniejsze je odbiera.

Istnieją więc dwa sposoby zmiany energii wewnętrznej: 1) pracować i 2) wymiana ciepła. Przy realizacji pierwszej z tych metod energia wewnętrzna ciała zmienia się o ilość pracy doskonałej A, a przy realizacji drugiej z nich o ilość równą ilości przekazanego ciepła Q

Co ciekawe, obie rozważane metody mogą prowadzić do dokładnie takich samych wyników. Dlatego na podstawie wyniku końcowego nie można określić, którą z tych metod został on osiągnięty. Tak więc, biorąc podgrzaną stalową igłę ze stołu, nie będziemy w stanie powiedzieć, w jaki sposób została nagrzana - przez tarcie lub kontakt z gorącym ciałem. W zasadzie może to być albo jedno, albo drugie.

1. Wymień dwa sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała. 2. Podaj przykłady zwiększenia energii wewnętrznej ciała poprzez wykonanie nad nim pracy. 3. Podaj przykłady wzrostu i spadku energii wewnętrznej ciała w wyniku wymiany ciepła. 4. Jaka jest ilość ciepła? Jak to jest oznaczone? 5. W jakich jednostkach mierzy się ilość ciepła? 6. W jaki sposób można rozpalić ogień? 7. Kiedy rozpoczęła się produkcja zapałek?

Dociśnij monetę lub kawałek folii do kartonu lub innego rodzaju planszy. Wykonawszy najpierw 10, potem 20 itd. ruchów w jednym lub drugim kierunku, zauważ, co dzieje się z temperaturą ciał w procesie tarcia. Jak zmiana energii wewnętrznej ciała zależy od ilości wykonanej pracy?

Nadesłane przez czytelników z serwisów internetowych

Wydania elektroniczne za darmo, biblioteka fizyki, lekcje fizyki, program do fizyki, streszczenia lekcji fizyki, podręczniki do fizyki, gotowe prace domowe

Treść lekcji podsumowanie lekcji rama pomocnicza prezentacja lekcji metody akceleracyjne technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia samoocena warsztaty, ćwiczenia, przypadki, questy praca domowa dyskusja pytania pytania retoryczne od uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazki grafika, tabele, schematy humor, anegdoty, dowcipy, komiksy przypowieści, powiedzonka, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły żetony dla dociekliwych ściągawki podręczniki podstawowy i dodatkowy słowniczek terminów inne Ulepszanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu w podręczniku elementy innowacji na lekcji zastępowanie przestarzałej wiedzy nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza na rok zalecenia metodyczne programu dyskusji Zintegrowane lekcje

W poniższym artykule porozmawiamy o energii wewnętrznej i sposobach jej zmiany. Tutaj zapoznamy się z ogólną definicją SE, jej znaczeniem oraz dwoma rodzajami zmian stanu energetycznego, jakie posiada ciało fizyczne, obiekt. W szczególności rozpatrywane będzie zjawisko wymiany ciepła i wykonywania pracy.

Wstęp

Energia wewnętrzna to ta część zasobów układu termodynamicznego, która nie jest zależna od określonego układu odniesienia. Może zmieniać swoje znaczenie w ramach badanego problemu.

Równowartościowe cechy w układzie odniesienia, względem którego centralna masa ciała/przedmiotu o wymiarach makroskopowych jest stanem spoczynku, mają takie same energie całkowite i wewnętrzne. Zawsze pasują. Zbiór części składających się na energię całkowitą zawartą w energii wewnętrznej nie jest stały i zależy od warunków rozwiązania problemu. Innymi słowy, energia odnawialna nie jest szczególnym rodzajem zasobu energetycznego. Jest to ogólny zestaw kilku elementów całego systemu energetycznego, które różnią się w zależności od konkretnych sytuacji. Metody zmiany energii wewnętrznej opierają się na dwóch podstawowych zasadach: przenoszeniu ciepła i pracy.

SE to specyficzna koncepcja dla układów o charakterze termodynamicznym. Pozwala fizyce posługiwać się różnymi wielkościami, takimi jak temperatura i entropia, wymiar potencjału chemicznego, masa substancji tworzących układ.

Zakończenie pracy

Istnieją dwa sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała (ciał). Pierwszy powstaje w wyniku procesu wykonywania bezpośredniej pracy na obiekcie. Drugim jest zjawisko przenoszenia ciepła.

W przypadkach, gdy praca jest wykonywana przez samo ciało, jego wskaźnik energii wewnętrznej spadnie. Kiedy proces zostanie zakończony przez kogoś lub coś ponad ciałem, wtedy jego VE wzrośnie. Jednocześnie obserwuje się przemianę zasobu energii mechanicznej w energię wewnętrzną, jaką posiada obiekt. Wszystko może też płynąć i odwrotnie: od mechanicznego do wewnętrznego.

Przenikanie ciepła zwiększa wartość SE. Jeśli jednak ciało ostygnie, energia spadnie. Przy stałym utrzymywaniu wymiany ciepła wskaźnik wzrośnie. Sprężanie gazów jest przykładem wzrostu wskaźnika SE, a ich rozprężanie (gazów) jest konsekwencją spadku wartości energii wewnętrznej.

zjawisko przenoszenia ciepła

Zmiana energii wewnętrznej metodą wymiany ciepła oznacza wzrost/spadek potencjału energetycznego. Jest opętany przez ciało, bez wykonywania określonej (w szczególności mechanicznej) pracy. Przekazywana ilość energii nazywana jest ciepłem (Q, J), a sam proces podlega uniwersalnemu ZSE. Dokonywanie zmian w VE zawsze odbija się wzrostem lub spadkiem temperatury samego ciała.

Obie metody zmiany energii wewnętrznej (pracy i wymiany ciepła) można wykonać w stosunku do jednego obiektu w kolejności jednoczesnej, czyli można je łączyć.

Możesz zmienić SE, na przykład, tworząc tarcie. Tutaj wyraźnie monitorowane jest wykonanie pracy mechanicznej (tarcie) oraz zjawisko wymiany ciepła. Nasi przodkowie próbowali rozpalić ogień w podobny sposób. Tworzyły tarcie między drewnem, którego temperatura zapłonu odpowiada 250°C.

Zmiana energii wewnętrznej ciała w wyniku wykonania pracy lub wymiany ciepła może nastąpić w tym samym okresie czasu, tj. Te dwa rodzaje środków mogą ze sobą współdziałać. Jednak proste tarcie w konkretnym przypadku nie wystarczy. Aby to zrobić, jedna gałąź musiała zostać naostrzona. Obecnie osoba może się zapalić, pocierając zapałki, których główki pokryte są palną substancją, która zapala się w temperaturze 60-100 ° C. Pierwsze takie produkty zaczęły powstawać w latach 30. XIX wieku. To były zapałki fosforowe. Są w stanie zapalić się w stosunkowo niskiej temperaturze - 60 ° C. Obecnie cieszące się, które zostały wprowadzone do produkcji w 1855 roku.

Zależność energetyczna

Mówiąc o sposobach zmiany energii wewnętrznej, warto wspomnieć również o zależności tego wskaźnika od temperatury. Faktem jest, że ilość tego zasobu energetycznego jest określona przez średnią wartość energii kinetycznej skoncentrowanej w cząsteczce ciała, która z kolei zależy bezpośrednio od wskaźnika temperatury. Z tego powodu zmiana temperatury zawsze prowadzi do zmiany SE. Wynika z tego również, że ogrzewanie prowadzi do wzrostu energii, a chłodzenie do jej zmniejszenia.

Temperatura i przenoszenie ciepła

Sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała dzielą się na: przenoszenie ciepła i pracę mechaniczną. Jednak ważne będzie, aby wiedzieć, że ilość ciepła i temperatura to nie to samo. Nie należy mylić tych pojęć. Wielkości temperatury są podawane w stopniach, a ilość przenoszonego lub przekazywanego ciepła jest określana za pomocą dżuli (J).

Kontakt dwóch ciał, z których jedno będzie gorące, zawsze prowadzi do utraty ciepła przez jedno (cieplejsze) i do jego przejęcia przez drugie (zimniejsze).

Należy zauważyć, że oba sposoby zmiany VE ciała zawsze prowadzą do tych samych rezultatów. Nie sposób ustalić, w jaki sposób została osiągnięta jego zmiana przez końcowy stan ciała.