Vnútorná energia telesa nie je nejaký druh konštantnej hodnoty: pre to isté telo sa môže meniť. Keď teplota stúpa telesa, vnútorná energia telesa sa zvyšuje so zvyšujúcou sa priemernou rýchlosťou a tým aj kinetickú energiu molekúl tohto telesa. S poklesom teploty naopak vnútorná energia tela klesá. Vnútorná energia tela sa teda mení so zmenou rýchlosti pohybu jeho molekúl. Aké sú spôsoby zvýšenia alebo zníženia tejto rýchlosti? Obráťme sa na skúsenosti.
Na stojane (obr. 181) je upevnená tenkostenná mosadzná trubica, do ktorej sa naleje trochu éteru, trubica je tesne uzavretá korkom. Rúrka je obalená lanom a lano sa rýchlo pohybuje jedným alebo druhým smerom. Po chvíli éter vrie a jeho para vytlačí korok. Táto skúsenosť ukazuje, že vnútorná energia éteru sa zvýšila: koniec koncov sa zahrial a dokonca aj varil. K zvýšeniu vnútornej energie došlo v dôsledku práce vykonanej pri trení rúrky lanom.
Telesá sa zahrievajú aj pri nárazoch, vysúvaní a ohýbaní, celkovo pri deformácii. Vo všetkých týchto prípadoch sa v dôsledku vykonanej práce zvyšuje vnútorná energia tiel.
Takže vnútorná energia telá sa dajú zväčšiť o robiť prácu na tele. Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia klesá. To možno pozorovať v nasledujúcom experimente.
Vezmite hrubostennú sklenenú nádobu uzavretú korkom. Cez špeciálny otvor sa do nádoby čerpá vzduch, ktorý obsahuje vodnú paru. Po určitom čase korok vyskočí z nádoby (obr. 182). Vo chvíli, keď korok vyskočí, v nádobe sa objaví hmla. Jeho vzhľad znamená, že vzduch v plavidle sa ochladil (nezabudnite, že hmla sa objavuje aj na ulici počas mrazu).
Stlačený vzduch v nádobe vytlačí korok a funguje. Túto prácu robí na úkor svojej vnútornej energie, ktorá zároveň klesá. Pokles energie posudzujeme ochladzovaním vzduchu v nádobe.
Vnútornú energiu tela je možné meniť aj iným spôsobom.
Je známe, že kanvica s vodou stojaca na sporáku, kovová lyžica ponorená do pohára s horúcim čajom, kachle, v ktorých je zapálený oheň, strecha domu osvetlená slnkom sa zahrieva. Vo všetkých prípadoch stúpa teplota telies, čo znamená, že sa zvyšuje aj ich vnútorná energia. Ako vysvetliť jeho nárast?
Ako sa napríklad zahrieva studená kovová lyžička ponorená do horúceho čaju? Po prvé, rýchlosť a kinetická energia molekúl horúcej vody je väčšia ako rýchlosť a kinetická energia studených kovových častíc. V miestach, kde sa lyžica dostane do kontaktu s vodou, molekuly horúcej vody odovzdajú časť svojej kinetickej energie studeným časticiam kovu. Preto sa rýchlosť a energia molekúl vody v priemere znižuje a rýchlosť a energia kovových častíc sa zvyšuje: teplota vody klesá a teplota lyžice sa zvyšuje - ich teploty sa postupne vyrovnávajú. S poklesom kinetickej energie molekúl vody klesá a vnútorná energia celku voda v pohári a vnútorná energia lyžice sa zvyšuje.
Proces zmeny vnútornej energie, pri ktorom sa na tele nevykonáva žiadna práca a energia sa prenáša z jednej častice na druhú, sa nazýva prenos tepla. Takže vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi: mechanická práca alebo prenos tepla.
Keď je telo už zahriate, nevieme uviesť, ktorým z dvoch spôsobov sa tak stalo. Keď teda držíme v rukách nahriatu oceľovú ihlu, nevieme povedať, akým spôsobom bola zahriata – trením alebo umiestnením do plameňa.
Otázky. jeden. Uveďte príklady, ktoré ukazujú, že vnútorná energia tela sa zvyšuje, keď sa na tele pracuje. 2. Opíšte experiment, ktorý ukazuje, že teleso môže pracovať vďaka vnútornej energii. 3. Uveďte príklady zvyšovania vnútornej energie telesa prenosom tepla. 4. Vysvetlite prenos tepla na základe molekulárnej štruktúry hmoty. 5. Akými dvoma spôsobmi možno zmeniť vnútornú energiu telesa?
Úloha.
Položte päťkopecnú mincu na kus preglejky alebo drevenú dosku. Pritlačte mincu na dosku a rýchlo ňou pohybujte, najskôr jedným smerom, potom druhým. Všimnite si, koľkokrát musíte posunúť mincu tak, aby sa zahriala, horúce. Urobte záver o súvislosti medzi vykonanou prácou a zvýšením vnútornej energie tela.
Akékoľvek makroskopické teleso má energie vďaka svojmu mikrostavu. Toto energie volal interné(označené U). Rovná sa energii pohybu a interakcii mikročastíc, ktoré tvoria telo. takže, vnútornej energie ideálny plyn pozostáva z kinetickej energie všetkých jeho molekúl, pretože ich interakciu v tomto prípade možno zanedbať. Preto to vnútornej energie závisí len od teploty plynu ( u~T).
Ideálny model plynu predpokladá, že molekuly sú od seba vzdialené niekoľko priemerov. Preto je energia ich interakcie oveľa menšia ako energia pohybu a možno ju ignorovať.
V reálnych plynoch, kvapalinách a tuhých látkach nemožno opomenúť interakciu mikročastíc (atómov, molekúl, iónov atď.), pretože výrazne ovplyvňuje ich vlastnosti. Preto ich vnútornej energie pozostáva z kinetickej energie tepelného pohybu mikročastíc a potenciálnej energie ich interakcie. Ich vnútorná energia, okrem teploty T, bude závisieť aj od objemu V, pretože zmena objemu ovplyvňuje vzdialenosť medzi atómami a molekulami a následne aj potenciálnu energiu ich vzájomnej interakcie.
Vnútorná energia je funkciou stavu tela, ktorý je určený jeho teplotouTa zväzok V.
Vnútorná energia jednoznačne určená teplotouT a telesný objem V charakterizujúci jeho stav:U=U(T, V)
Komu zmeniť vnútornú energiu telies, je potrebné skutočne meniť buď kinetickú energiu tepelného pohybu mikročastíc, alebo potenciálnu energiu ich interakcie (alebo oboje). Ako viete, možno to urobiť dvoma spôsobmi - prenosom tepla alebo v dôsledku vykonávania práce. V prvom prípade sa to stane v dôsledku prenosu určitého množstva tepla Q; v druhom - z dôvodu výkonu práce A.
teda množstvo tepla a vykonaná práca sú miera zmeny vnútornej energie tela:
Δ U=Q+A.
K zmene vnútornej energie dochádza v dôsledku určitého množstva tepla odovzdaného alebo prijatého telom alebo v dôsledku výkonu práce.
Ak dôjde iba k prenosu tepla, potom k zmene vnútornej energie vzniká prijímaním alebo vydávaním určitého množstva tepla: Δ U=Q. Pri zahrievaní alebo ochladzovaní telesa sa rovná:
Δ U=Q = cm(T2 - T1) =cmΔT.
Pri tavení alebo kryštalizácii pevných látok vnútornej energie zmeny v dôsledku zmeny potenciálnej energie interakcie mikročastíc, pretože dochádza k štrukturálnym zmenám v štruktúre hmoty. V tomto prípade sa zmena vnútornej energie rovná teplu topenia (kryštalizácie) telesa: Δ U-Q pl \u003dλ m, kde λ - špecifické teplo topenia (kryštalizácie) tuhého telesa.
Zmenu spôsobuje aj odparovanie kvapalín alebo kondenzácia pár vnútornej energie, čo sa rovná teplu vyparovania: Δ U=Q p =rm, kde r- merné skupenské teplo vyparovania (kondenzácie) kvapaliny.
Zmena vnútornej energie telesa v dôsledku výkonu mechanickej práce (bez prenosu tepla) sa číselne rovná hodnote tejto práce: Δ U=A.
Ak dôjde k zmene vnútornej energie v dôsledku prenosu tepla, potomΔ U=Q=cm(T2 —T1),aleboΔ U= Q pl = λ m,aleboΔ U=Qn =rm.
Preto z hľadiska molekulovej fyziky: materiál zo stránky
Vnútorná energia tela je súčet kinetickej energie tepelného pohybu atómov, molekúl alebo iných častíc, z ktorých pozostáva, a potenciálnej energie vzájomného pôsobenia medzi nimi; z termodynamického hľadiska je funkciou stavu telesa (sústavy telies), ktorý je jednoznačne určený jeho makroparametrami - teplotouTa zväzok V.
teda vnútornej energie je energia systému, ktorá závisí od jeho vnútorného stavu. Pozostáva z energie tepelného pohybu všetkých mikročastíc systému (molekuly, atómy, ióny, elektróny atď.) a energie ich interakcie. Je prakticky nemožné určiť plnú hodnotu vnútornej energie, preto sa počíta zmena vnútornej energie Δ ty ku ktorému dochádza v dôsledku prenosu tepla a výkonu práce.
Vnútorná energia telesa sa rovná súčtu kinetickej energie tepelného pohybu a potenciálnej energie interakcie mikročastíc, ktoré ho tvoria.
Na tejto stránke sú materiály k témam:
Je možné jednoznačne určiť vnútornú energiu telesa?
Telo má energiu
Fyzika podáva správu o vnútornej energii
Od akých makroparametrov závisí vnútorná energia ideálneho plynu
-
Späť dopredu
Pozor! Ukážka snímky slúži len na informačné účely a nemusí predstavovať celý rozsah prezentácie. Ak vás táto práca zaujala, stiahnite si plnú verziu.
Ciele lekcie:
- rozvoj záujmov a schopností žiakov na základe odovzdávania vedomostí a skúseností z poznávacej a tvorivej činnosti k nim;
- pochopenie študentov takých dôležitých pojmov ako energia, vnútorná energia, prenos tepla a jej druhy: tepelná vodivosť, sálanie, prúdenie;
- formovanie predstáv žiakov o základných zákonoch prírody na príklade zákona zachovania energie.
Úlohy:
- osvojenie si vedomostí študentov o vnútornej energii, spôsoboch jej zmeny, oboznámenie sa s pojmami: prestup tepla, tepelná vodivosť, žiarenie;
- formovanie schopnosti študentov pozorovať prírodné javy, vykonávať experimentálny výskum, vyvodzovať závery;
- zvládnutie takých všeobecných vedeckých pojmov študentmi, ako je prírodný jav, empiricky zistená skutočnosť, výsledok experimentu.
Typ lekcie: kombinované.
Ukážky:
- transformácia mechanickej energie (na príklade pohybu gumovej gule a Maxwellovho kyvadla);
- premena mechanickej energie na vnútornú energiu (napríklad pád olovenej gule na olovenú dosku);
- zmena vnútornej energie podľa obrázkov 4 a 5 učebnice (Peryshkin A.V. Physics-8), zahrievanie mince v plameni sviečky a pri jej trení o drevené pravítko zahrievanie olova údermi kladiva;
- pokusy podľa obr. 6-9 v učebnici (A. V. Peryshkin, Physics-8);
- pokusy na obr. 10.11 v učebnici (Peryshkin A. V. Physics-8)
- pozorovanie konvekcie v plynoch na príklade pozorovania konvekčných tokov z horiacej sviečky v projekcii na osvetlenú obrazovku;
- demonštrácia svietidiel, ktoré využívajú fenomén konvekcie;
- ohrev vzduchu v chladiči sálaním;
- demonštrácia absorpčnej schopnosti rôznych látok.
Počas vyučovania
Poznámka:
Materiály prezentované v tejto prezentácii obsahujú niekoľko tém, ktoré sú dôležité pre ďalšie štúdium tepelných javov, sú určené na použitie na viacerých vyučovacích hodinách a pri výklade novej témy a so všeobecným opakovaním v 8. ročníku a pri štúdiu molekulovej fyziky v ročníku 10.
Je vhodné upevniť nadobudnuté vedomosti o téme na príkladoch problémov, ktoré sú dostatočne zastúpené v zbierkach úloh z fyziky:
- A.V. Peryshkin Zbierka úloh vo fyzike ročníkov 7-9, ed. "Skúška" M., 2013.
- IN AND. Lukashik, E.V. Ivanova Zbierka úloh z fyziky ročníkov 7-9, ed. "Osvietenie" JSC "Moskvaské učebnice", M., 2001.
- iné.
Preto toto prezentácia môžu byť použité čiastočne a (alebo) úplne v lekcii, v závislosti od cieľov a cieľov tejto lekcie. Napríklad pri učení sa nového materiálu.
Vysvetlenie nového materiálu:
Na začiatku formovania pojmu vnútornej energie je potrebné vyzvať študentov, aby si zapamätali, čo vedia o mechanickej energii telies.
Otázky pre študentov:
- Kedy sa hovorí, že telá majú energiu?
- Aké sú druhy mechanickej energie?
- Ktoré telesá majú kinetickú energiu a od čoho závisí?
- Od čoho závisí potenciálna energia telesa?
- Uveďte príklady premeny mechanickej energie.
(Snímky 2-5)
snímka 2
snímka 3
snímka 4
snímka 5
Formovanie konceptu vnútornej energie je založené na myšlienke zjavného „porušenia“ zákona o zachovaní energie, keď sa olovená guľa zrazí s olovenou doskou.
Skúsenosť číslo 1. Zrážka olovenej gule o olovenú dosku. Na základe „porušenia“ zákona o zachovaní energie a štúdia stavu olovenej gule po dopade usudzujú, že všetky telesá majú energiu, ktorá sa nazýva vnútorná energia (snímka 6-8).
snímka 6
Snímka 7
Snímka 8
Ďalej je potrebné žiakom vysvetliť rozdiel medzi vnútornou energiou a mechanickou energiou telies. Je dôležité dospieť k záveru, že vnútorná energia telies nezávisí od mechanickej energie telesa, ale závisí od teploty telesa a stavu agregácie látky. Inými slovami, vnútorná energia telesa je určená rýchlosťou pohybu častíc, ktoré tvoria teleso, a ich vzájomnou polohou.
Ďalšou etapou štúdia nového materiálu je štúdium spôsobov, ako zmeniť vnútornú energiu tela. Experimenty môžu jasne preukázať, že je možné meniť vnútornú energiu telesa pri vykonávaní práce (na tele a tele samotnom) a pri prenose tepla.
Ide o nasledujúce skúsenosti:
1. Zmena vnútornej energie vykonaním práce na tele.
Skúsenosť číslo 2. Trieť mincou na drevenom pravítku dlaňami o seba. Študenti na záver: vnútorná energia tela sa zvýšila.
Skúsenosť číslo 3. Vezmi si vzduchový kremeň. Pri rýchlom stlačení sa vzduch tak výrazne zohreje, že sa éterové pary vo valci pod piestom zapália. Študenti na záver: vnútorná energia tela sa zvýšila.
2. Zmena vnútornej energie pri vykonávaní práce samotným telom.
Skúsenosť číslo 4. V hrubostennej sklenenej nádobe, uzavretej korkom, pumpujeme vzduch pumpou cez špeciálny otvor v nej. Po chvíli korok vyletí z nádoby. V momente, keď korok vyletí z nádoby, je potrebné upozorniť žiakov na tvorbu hmly v sklenenej nádobe, čo naznačuje pokles teploty vzduchu a vodnej pary v nej. Študenti na záver: vnútorná energia tela sa znížila.
3. Zmena vnútornej energie prestupom tepla.
Na základe skúseností z bežného života (lyžica ponorená do horúceho čaju zahrieva, horúca žehlička vypnutá v miestnosti chladí).
Na základe všetkých príkladov a experimentov sa robí všeobecný záver: vnútorná energia telesa sa môže časom meniť (zvyšovať alebo znižovať) počas výmeny tepla tohto telesa s okolitými telesami a počas vykonávania mechanickej práce (sklz 9).
Snímka 9
Pri popise mechanizmov a spôsobov prenosu tepla je potrebné upozorniť študentov na skutočnosť, že prenos tepla prebieha vždy určitým smerom: od telesa s vyššou teplotou k telesu s nižšou teplotou, čo študentov v podstate vedie k myšlienke druhého termodynamického zákona.
Snímka 10
Zváženie rôznych typov prenosu tepla začína tepelnou vodivosťou. Ak chcete študovať tento jav, zvážte skúsenosť číslo 5 s ohrevom kovovej tyče (pozri učebnicu Peryshkin A.V. Fyzika-8) Na základe výsledkov experimentu študenti stanovia skutočnosť prenosu tepla z jednej časti tela do druhej a vysvetlia ju.
Potom sa zavedie pojem dobrých a zlých vodičov tepla. Vizuálne demonštrovať na jednoduchom pokusy č.6, č.7, č.8, popísané v učebnici (A.V. Peryshkin Physics-8), rôznu tepelnú vodivosť látok a zvážiť využitie v technike, každodennom živote a povahe vlastností telies rôznymi spôsobmi vedenia tepla (snímka 11-13).
snímka 11
snímka 12
snímka 13
Štúdium fenoménu konvekcie začína formuláciou nasledujúceho skúsenosť číslo 9: na liehovej lampe v hornej časti skúmavky sa zahrieva skúmavka naplnená vodou. Voda zároveň zostáva na dne skúmavky studená a na vrchu vrie. Žiaci dospeli k záveru, že voda je zlý vodič tepla. Ale! Otázka pre žiakov: Ako sa ohrieva voda napríklad v rýchlovarnej kanvici? prečo?
Odpovede na tieto otázky dostaneme, ak urobíme nasledovné skúsenosť číslo 10: na liehovej lampe zospodu zohrejeme banku s vodou, na dne ktorej je umiestnený kryštál manganistanu draselného, ktorý farbí konvekčné prúdy.
Na demonštráciu konvekcie v plynoch môžete použiť projektor a pozorovať prúdenie prúdenia z horiacej sviečky v projekcii na plátne.
Ako príklady konvekcie v prírode sa uvažuje tvorba denných a nočných vánkov a v technológii - tvorba ťahu v komínoch, konvekcia pri ohreve vody, vodné chladenie spaľovacieho motora (snímka 14-15).
Snímka 14
snímka 15
Koncept žiarenia ako jedného zo spôsobov prenosu tepla možno začať otázkou: „Dá sa energia Slnka preniesť na Zem tepelnou vodivosťou? Konvekcia? Žiaci skonštatujú, že nemôže, a preto existuje aj iný spôsob prenosu tepla.
Môžete pokračovať v zoznámení so žiarením kladením skúsenosť číslo 11 na ohrev chladiča pripojeného k kvapalinovému manometru a umiestneného v určitej vzdialenosti od boku elektrického sporáka
Študentom sa kladie otázka: Prečo sa vzduch v chladiči ohrieva? Koniec koncov, vedenie tepla a konvekcia sú tu vylúčené. Nastáva problematická situácia, v dôsledku ktorej diskusie študenti dospejú k záveru, že v tomto prípade má špeciálny druh prenosu - sálanie - prenos tepla pomocou neviditeľných lúčov.
Ďalej skúsenosť číslo 12 zistiť, že telesá s rôznym povrchom majú rôznu schopnosť absorbovať energiu. Na to slúži chladič, v ktorom je jeden povrch lesklý kov, druhý čierny a drsný.
Na konci výkladu možno uviesť príklady žiarenia v prírode a technológii (snímka 16-17).
snímka 16
Vnútorné energetické a plynárenské práce
Základy termodynamiky
Opakovanie. Zákon zachovania celkovej mechanickej energie: zachová sa celková mechanická energia uzavretého systému, v ktorom nepôsobia trecie (odporové) sily.
Systém je tzv ZATVORENÉ ak všetky jeho zložky interagujú iba medzi sebou.
Výkon práce a uvoľňovanie energie počas termodynamických procesov naznačuje, že termodynamické systémy majú rezervu vnútornej energie.
Pod vnútornej energie systémov U v termodynamike rozumieť súčtu kinetickej energie pohybu všetky mikročastice systému(atómy alebo molekuly) a potenciálnu energiu ich vzájomnej interakcie. Zdôrazňujeme, že mechanická energia (potenciálna energia telesa zdvihnutého pod povrchom Zeme a kinetická energia jeho pohybu ako celku) sa do vnútornej energie nezapočítava.
Skúsenosti ukazujú, že existujú dva spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu systému - urobiť mechanickú práca nad systémom a výmena tepla s inými systémami.
Prvým spôsobom, ako zmeniť vnútornú energiu, je vykonať mechanickú prácu AND" vonkajšie sily nad systémom alebo samotný systém nad vonkajšími telesami A (A = -A"). Keď sa práca vykonáva, vnútorná energia systému sa mení v dôsledku energie vonkajšieho zdroja. Takže pri nafukovaní kolesa bicykla sa systém zahrieva v dôsledku činnosti pumpy, pomocou trenia naši predkovia dokázali zapáliť atď.
Druhý spôsob zmeny vnútornej energie systému (bez vykonania práce) je tzv výmena tepla (prenos tepla). Množstvo energie prijatej alebo odovzdanej telom pri takomto procese sa nazýva množstvo tepla a označené ∆Q.
Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, konvekcia, tepelné žiarenie.
O tepelná vodivosť teplo sa prenáša z teplejšieho telesa na menej zahriate teleso tepelným kontaktom medzi nimi. Výmena tepla môže nastať aj medzi časťami tela: z viac zohriatej časti do jeho menej zohriatej bez prenosu častíc, ktoré tvoria telo.
Konvekcia- prenos tepla prúdmi pohybujúcej sa kvapaliny alebo plynu z jednej oblasti objemu, ktorý zaberajú, do druhej. Pri ohrievaní kanvice na sporáku tepelná vodivosť zabezpečuje tok tepla cez dno kanvice do spodných (hraničných) vrstiev vody, avšak ohrievanie vnútorných vrstiev vody je práve výsledkom konvekcie, ktorá vedie k miešaniu ohriatej a studenej vody.
tepelné žiarenie- prenos tepla pomocou elektromagnetických vĺn. V tomto prípade nie je žiadny mechanický kontakt medzi ohrievačom a prijímačom tepla. Keď napríklad priblížite ruku na krátku vzdialenosť k žiarovke, pocítite jej tepelné vyžarovanie. Zem prijíma energiu zo Slnka aj vďaka tepelnému žiareniu.
Od vnútornej energie U je jednoznačne určená termodynamickými parametrami sústavy, potom ide o stavovú funkciu. V súlade s tým zmena vnútornej energie ΔU kedy sa mení stav sústavy (zmena teploty, objemu, tlaku, prechod z kvapalného skupenstva do tuhého skupenstva a pod.) zistíme podľa vzorca
ΔU=U2 - U1
kde U 1 a U 2- vnútorná energia v prvom a druhom stave. Zmena vnútornej energie ΔU nezávisí od medzistavov systému počas takéhoto prechodu, ale je určený iba počiatočnými a konečnými hodnotami energie.
Vnútorná energia 1. termodynamický zákon. Súčet kinetických energií chaotického pohybu všetkých častíc telesa voči ťažisku telesa (molekuly, atómy) a potenciálnych energií ich vzájomnej interakcie sa nazýva vnútorná energia. Kinetický energia častíc je určená rýchlosťou, čo znamená - teplota telo. Potenciál- vzdialenosť medzi časticami, čo znamená - objem. V dôsledku toho: U=U (T,V) - vnútorná energia závisí od objemu a teploty. U=U(T,V) Pre ideálny plyn: U=U (T) , pretože zanedbávame interakciu na diaľku. je vnútorná energia ideálneho monatomického plynu. Vnútorná energia je jednohodnotová stavová funkcia (až do ľubovoľnej konštanty) a zachováva sa v uzavretom systéme. Opak nie je pravdou(!) - rôzne stavy môžu zodpovedať rovnakej energii. U - vnútorná energia N - počet atómov - priemerná kinetická energia K - Boltzmannova konštanta m - hmotnosť M - molárna hmotnosť R - univerzálna plynová konštanta Ρ hustota v - množstvo hmoty Ideálny plyn: Jouleove pokusy dokázali ekvivalenciu práce a množstva tepla, t.j. obe veličiny sú mierou zmeny energie, možno ich merať v rovnakých jednotkách: 1 cal = 4,1868 J ≈ 4,2 J. Táto hodnota je tzv. mechanický ekvivalent tepla.
