Народна Освіта » Фізика » § 5. Внутрішня енергія тіла та способи її зміни

НАРОДНА ОСВІТА

§ 5. Внутрішня енергія тіла та способи її зміни

Внутрішня енергія тіла

Способи зміни внутрішньої енергії тіла

ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. З курсу фізики сьомого класу вам відомі два види енергії, що характеризують механічні явища: кінетична та потенціальна енергія (рис. 5.1).

Опис енергетичних характеристик механічних явищ ґрунтується на так званому макроскопічному підході, коли визначальними є зовнішні або загальні властивості та характеристики (наприклад, маса, швидкість) і не беруться до уваги особливості внутрішньої структури тіл.

Як ви вже знаєте, теплові явища безпосередньо пов’язані з тепловим рухом мікрочастинок речовини. Саме їх рухом і взаємодією визначається характер теплових процесів. Такий науковий підхід до вивчення теплових явищ отримав назву мікроскопічного. Мікрочастинки будь-якого тіла здійснюють тепловий хаотичний рух, що характеризується середньою кінетичною енергією. Крім кінетичної енергії хаотичного руху мікрочастинки кожного тіла характеризуються енергією постійних взаємодій (рис. 5.2).

У твердих тілах та рідинах атоми та молекули постійно взаємодіють між собою, здійснюючи коливання відносно стабільних

положень рівноваги. У газах відстань між молекулами значно більша, ніж у рідинах і твердих тілах. Енергію, яка залежить від взаємного розміщення атомів та молекул, називають потенціальною енергією взаємодії мікрочастинок.

Якщо ви спостерігали різке гальмування автомобіля, то помітили, що на дорожньому покритті залишаються сліди гуми, а шини нагріваються настільки, що «димлять» (рис. 5.3).

 

За законом збереження енергії, кінетична енергія руху автомобіля переходить у інші види енергії. Підвищення температури вказує на збільшення швидкості, а отже, й кінетичної енергії хаотичного руху мікрочастинок покриття дороги та шин. Крім того, змінюється потенціальна енергія взаємодії мікрочастинок (виникають деформації поверхонь, унаслідок яких змінюється взаємне розміщення молекул). Отже, хоч автомобіль і зупинився, проте його кінетична енергія не зникла, а перейшла у внутрішню енергію покриття дороги та шин.

Таким чином, внутрішня енергія тіла визначається кінетичною енергією хаотичного руху його мікрочастинок і потенціальною енергією їх взаємодії (рис. 5.4).

 

Внутрішня енергія тіла є сумою кінетичної енергії хаотичного руху всіх його мікрочастинок та потенціальної енергії їх взаємодії.

Внутрішня енергія тіла, як і інші види енергії, вимірюється в джоулях (Дж) і позначається латинською літерою U.

Спробуємо з’ясувати, від чого залежить внутрішня енергія тіла. Ви вже знаєте, що температура є фізичною характеристикою теплового стану речовини, з якої складається тіло, і визначається середньою кінетичною енергією хаотичного PirXy його частинок. Тому зміна температури означатиме зміну сумарної кінетичної енергії всіх частинок. Крім того, при зміні температури тіл відбувається їх теплове розширення або стискання, змінюються відстані між частинками, і, відповідно, змінюється енергія взаємодії між ними. Отже, внутрішня енергія тіла залежить від його температури. Зміна будь-яких зовнішніх характеристик тіла (наприклад, швидкості) не зумовлює зміни його внутрішньої енергії.

Таким чином, внутрішня енергія тіла не залежить від його механічного руху та положення відносно інших тіл. Вона залежить лише від процесів, які відбуваються всередині тіла й визначається його внутрішнім станом.

СПОСОБИ ЗМІНИ ВНУТРІШНЬОЇ ЕНЕРГІЇ ТІЛА. За відсутності зовнішніх впливів на тіло його внутрішня енергія залишатиметься сталою. При цьому всередині тіла між його мікрочастинками відбувається постійний обмін енергією: кінетична енергія їх хаотичного руху під час зіткнень перетворюється в потенціальну енергію їх взаємодії. Щоб змінити внутрішню енергію тіла, потрібно змінити його температуру. Проте внутрішня енергія тіла змінюється й під час плавлення кристалів та кипіння рідин, хоча ці процеси відбуваються при сталій температурі. Зміна внутрішньої енергії відбувається за рахунок зміни енергії взаємодії між частинками речовини під час її переходу з одного агрегатного стану в інший.

Внутрішня енергія тіла змінюється тільки при зміні температури тіла та переході речовини з одного агрегатного стану в інший.

Отже, внутрішня енергія тіл змінюється під час теплових процесів, пов’язаних зі змінами температури та агрегатних станів. Тобто будь-які теплові процеси супроводжуються змінами внутрішньої енергії тіла. Оскільки тіла постійно беруть участь у теплових процесах, то важливою є саме зміна їх внутрішньої енергії, яку позначать AU.

Зміни внутрішньої енергії тіла пов'язані зі змінами кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії мікрочастинок, з яких воно складається.

 

Зміни внутрішньої енергії тіл можливі під час хімічних реакцій, у результаті яких відбуваються перетворення одних речовин в інші (наприклад, процес горіння палива, коли відбувається сполучення вуглецю з киснем та утворення вуглекислого газу). Відповідно, змінюються кінетична і потенціальна енергія взаємодії атомів у складі молекул та енергія взаємодії електронів з ядрами, що й визначає зміну внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія може також змінюватися в процесі ядерних перетворень, коли змінюється сумарна кінетична і потенціальна енергія внутрішніх частинок ядра — нейтронів та протонів.

Таким чином, внутрішня енергія змінюється при теплових процесах, хімічних та ядерних реакціях.

Одним зі способів зміни внутрішньої енергії є виконання механічної роботи. З давніх часів людству відомий спосіб добування вогню натиранням одного шматка сухої деревини іншим (рис. δ.δ).

Нагрівання деревини та поява вогню свідчать про нагрівання тіл, які взаємодіють, тобто збільшення їхньої внутрішньої енергії. Кінетична енергія руху палички переходить у внутрішню енергію деревини.

Змінити внутрішню енергію тіла можна за рахунок виконання механічної роботи: AU = А.

Таким чином, одним зі способів зміни внутрішньої енергії тіла є механічна робота, яка характеризує зміни внутрішньої енергії тіла при перетворенні механічної енергії у внутрішню або внутрішньої енергії в механічну.

Перетворення внутрішньої енергії в механічну роботу можна спостерігати під час досліду (рис. δ.6).

Якщо пусту металеву пробірку, закриту корком, нагрівати в полум’ї спиртівки, за деякий час корок вилетить. Під час нагрівання пробірки внутрішня енергія повітря збільшується, і воно виконує механічну роботу з виштовхування корка. Тобто в результаті зміни внутрішньої енергії тіла може виконуватися механічна робота.

Для того щоб змінити температуру тіла, а отже, і його внутрішню енергію, не обов’язково виконувати роботу. Якщо взяти в руки склянку з холодною водою й потримати її певний час, щільно охопивши долонями, вода нагріється до температури долонь. Продукти з морозильної камери холодильника перед використанням опускають у воду кімнатної температури. Поступово вони розморожуються (нагріваються), а температура води зменшується. Як у першому, так і в другому прикладі, температури двох тіл, що перебувають у контакті, вирівнюються, тобто встановлюється теплова рівновага.

Нагріта металева кулька буде занурюватися в лід, поступово охолоджуючись (рис. 5.7).

При цьому температура кульки, а отже, і її внутрішня енергія, зменшується. Лід буде танути, його внутрішня енергія збільшуватиметься. Більш нагріте тіло передає частину теплоти, а відповідно, й внутрішньої енергії, менш нагрітому тілу. Такий процес називають теплообміном.

Теплообмін — це процес обміну внутрішньою енергією між тілами чи їх частинами без виконання роботи.

Під час контакту двох тіл із різною температурою при теплообміні відбувається передача енергії від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

Таким чином, будь-які зміни внутрішньої енергії тіла пов’язані з виконанням механічної роботи або теплообміном. Тобто змінити внутрішню енергію можна шляхом виконання механічної роботи або теплообміну.

Процес теплообміну є незворот-ним. Енергія завжди передається від гарячого тіла до холодного.

 

Самочинно зворотний процес передачі енергії не відбувається.

Є теплові процеси, під час яких відбувається зміна внутрішньої енергії двома способами одночасно. Наприклад, у досліді з моделлю парової турбіни скляну колбу з трубкою заповнюють водою і нагрівають спиртівкою (рис. 5.8).

Між полум’ям спиртівки та колбою з водою відбувається теплообмін, внаслідок якого внутрішня енергія води зростає і вона закипає. Пара виконує роботу за рахунок своєї внутрішньої енергії, і турбіна обертається. Тобто одночасно відбувається теплообмін та виконується механічна робота. Теплові процеси, в яких використовуються різні способи зміни внутрішньої енергії, є предметом вивчення теплофізики з метою конструювання промислових турбін, з якими ви ознайомитися в наступних параграфах.

Головне в цьому параграфі

Внутрішня енергія тіла є сумою кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії всіх його мікрочастинок. Внутрішня енергія тіла, як і інші види енергії, вимірюється в джоулях (Дж) і позначається латинською літерою U.

Внутрішня енергія тіла залежить не від його механічного руху та положення відносно інших тіл, а лише від процесів, які відбуваються всередині тіла, й визначається його внутрішнім станом. Внутрішня енергія тіла змінюється тільки при зміні температури тіла та переході речовини з одного агрегатного стану в інший. Внутрішня енергія змінюється при теплових процесах, хімічних і ядерних реакціях.

Внутрішню енергію тіла можна змінити, виконавши механічну роботу:

AU = A.

Теплообмін є процесом обміну внутрішньою енергією між тілами, їхніми частинами та навколишнім середовищем без виконання роботи.

Процес теплообміну є незворотним. Енергія завжди передається від гарячого тіла до холодного. Самочинно зворотний процес передачі енергії не відбувається.

Запитання для самоперевірки

1.    Що називають внутрішньою енергією тіла? Від яких чинників вона залежить?

2.    Поясніть, як впливають зміни температури на внутрішню енергію тіла.

3.    Поясніть, чи відбувається зміна внутрішньої енергії води в процесі кипіння при сталій температурі.

4.    Як зміниться внутрішня енергія води під час її кристалізації?

5.    Наведіть приклади процесів зміни внутрішньої енергії в природі.

6.    Наведіть приклади збільшення внутрішньої енергії тіл внаслідок виконання роботи сили тертя.

7.    Наведіть приклади виконання тілами роботи за рахунок зменшення їх внутрішньої енергії.

8.    Чому вологі дрова тріщать у багатті, а мокре каміння може руйнуватися на дрібненькі шматочки?

9.    У чому полягає відмінність процесів зміни внутрішньої енергії через виконання роботи та теплообміном?

Домашній експеримент

Металеву, пластикову, а за наявності й дерев’яну, ложки покладіть на декілька годин у холодильник. Вийміть їх і порівняйте

їхню температуру на дотик. Зробіть висновок про їхню внутрішню енергію та поясніть його.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 14:22, Переглядів: 24998