§ 6. Два способи

ЗМІНИ ВНУТРІШНЬОЇ ЕНЕРГІЇ ТІЛА

Про зміну внутрішньої енергії тіла свідчить зміна його температури. Якщо температура підвищується, ми кажемо, що тіло нагрівається. При цьому його внутрішня енергія збільшується, адже ми знаємо, що з підвищенням температури швидкість руху частинок, з яких складаються тіла, збільшується.

Зниження температури тіла свідчить про його охолодження і зменшення внутрішньої енергії.

Коли у вас замерзли руки, ви можете двома способами їх зігріти, тобто збільшити їхню внутрішню енергію: піднести до більш нагрітого тіла чи занурити у теплу воду або потерти руку об руку. У першому випадку відбувається теплообмін: тепло передається від гарячого тіла до холодного. У другому випадку ви виконуєте роботу з подолання сили тертя і переміщення однієї руки відносно іншої.

Є два способи зміни внутрішньої енергїі (нагрівання) тіл: виконання роботи і теплообмін.

Наприклад, щоб запалити сірник, ми чиркаємо покритим сіркою кінцем по спеціальній смужці, нанесеній на поверхню сірникової коробки. Сірка нагрівається, і сірник спалахує. Переміщуючи його, ми долаємо тертя і виконуємо роботу. Отже, внутрішня енергія голівки сірника збільшується унаслідок виконаної нами роботи. Спосіб добування вогню тертям був винайдений ще давніми людьми. Вони не мали в своєму розпорядженні таких легкозаймистих матеріалів, які сьогодні використовуються при виготовленні сірників. Тому, тручи палицю об палицю, щоб одержати вогонь, їм доводилося виконувати досить важку роботу.

Унаслідок виконання роботи нагріваються різці токарних верстатів, свердла і деталі, що обробляються, інструменти, які заточують на точилі, полотна пилок, коли ними пиляють деревину чи метал. Якщо кілька разів зігнути й розігнути дротину, вона теж нагріється.

Накачуючи шини велосипеда, ви, певно, помітили, що корпус насоса помітно нагрівається. У разі нагнітання повітря насосом ви виконуєте роботу зі стиснення повітря — повітря нагрівається. Якщо трубка насоса не з’єднана з камерою і її отвір відкритий, то для переміщення поршня потрібно прикладати значно меншу силу. Тоді виконувана робота є незначною і повітря майже не нагрівається. Швидко стиснувши повітря, його можна нагріти до температури, достатньої для запалювання легкозаймистих речовин. Це можна продемонструвати за допомогою приладу, що називається “повітряне кресало”. Прилад являє собою товстостінний циліндр із дном, виготовлений із прозорого пластику. Всередині циліндра може переміщуватися

поршень. У циліндр поміщають клаптик гігроскопічної вати або кілька крапель сірчистого ефіру. Якщо, натиснувши на ручку, з’єднану з поршнем, швидко стиснути повітря в циліндрі, то вата або ефір спалахують (мал. 1.19). Проведені досліди й спостереження свідчать, що внутрішню енергію тіла можна збільшувати, виконуючи над ним роботу.

Якщо спочатку повільно стиснути повітря в циліндрі під поршнем, а потім, відпустивши поршень, дати можливість стисненому повітрю швидко розширитися (можна швидко витягнути поршень із циліндра за ручку), то у циліндрі утвориться туман. Це відбулося внаслідок охолодження повітря, яке, розширюючись, виконало роботу із переміщення поршня.

Якщо тіло виконує роботу проти зовнішніх сил, то його внутрішня енергія зменшується.

Зменшення внутрішньої енергії (і температури) внаслідок виконання газом роботи застосовують, зокрема, у вуглекислотних вогнегасниках, а також для одержання штучного снігу й льоду. У вогнегасниках вуглекислий газ, вириваючись із розтруба назовні, розширюється, його температура знижується до -60 °С. Унаслідок такого охолодження з вуглекислого газу утворюються кристалики снігу, які охолоджують джерело займання (мал. 1.20). Вуглекислий газ, що утворюється з них при нагріванні, не підтримує горіння. Тому такі вогнегасники є дуже ефективними. Проте, використовуючи вуглекислотний вогнегасник, слід пам’ятати, що його розтруб дуже сильно охолоджується. Доторкнувшись до нього незахищеною рукою, її можна обморозити.

За відсутності снігу під час проведення лижних змагань використовують снігові гармати, за допомогою яких і створюють сніговий покрив (мал. 1.21). Стиснене повітря, вириваючись із сопел такої гармати, розширюється, і його температура стає нижчою, ніж температура замерзання води. Тому крапельки води, яка підводиться до гармати і розпилюється цим повіт-

рям, замерзають, утворюючи дрібні кристалики льоду — сніжинки, навіть якщо температура довкілля перевищує 0 °С.

Якщо два тіла з різною температурою контактують, то температура і внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшуються, а менш нагрітого — зростають.

Спосіб зміни внутрішньої енергії, за якого внутрішня енергія збільшується внаслідок передачі тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого або від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої, називають теплообміном або теплопередачею.

Щоб нагріти, наприклад, воду для чаю, ми вмикаємо в мережу електричний чайник з водою. Температура нагрівального елемента чайника підвищується і стає більшою за температуру води. Оскільки нагрівальний елемент контактує з водою, тепло передається воді. Температура, а отже, і внутрішня енергія води зростають — вода нагрівається. Завдяки теплообміну від батареї опалення нагрівається повітря в кімнаті, Сонце зігріває Землю, нагрівається чайна ложка, занурена у склянку з окропом. ²

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Як можна змінити внутрішню енергію тіла?

2.    Який спосіб зміни внутрішньої енергії називають теплообміном?

3.    Наведіть приклади, які підтверджують, що внаслідок виконання роботи над тілом його внутрішня енергія збільшується?

4.    Після обробки на гострильному крузі зубило стало гарячим. Чому змінилася його внутрішня енергія?

5.    Чому нагрівається пилка, якщо нею тривалий час пиляють дрова?

6.    Чому, якщо швидко зісковзувати по канату, можна опекти руки?

7.    Чому кульковий підшипник у машині нагрівається менше, ніж підшипник ковзання?

8.    Чому більшість невеликих метеоритів згорають в атмосфері Землі й не долітають до її поверхні?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко