§ 6. Способи зміни внутрішньої енергії тіла. Теплообмін

Думки вголос

Я вивчу способи зміни внутрішньої енергії тіла. Ці знання допоможуть мені пояснити важливі життєві ситуації, пов’язані зі зміною температури середовища.

•    Чому мені буває холодно? Чому я при цьому надягаю теплий одяг?

•    Чому мені буває жарко? Чому я при цьому надягаю «легкий» одяг?

•    Як фізика теплових явищ допомагає відповісти на ці запитання?

Усі знають, що середня нормальна температура людського тіла дорівнює 36,6 °С (з невеликими коливаннями протягом доби). Тривале підвищення або зниження температури людського тіла на 4-5 °С може призвести до загибелі людини. Робимо висновок: за рахунок обмінних процесів та механізмів терморегуляції в організмі підтримується стала «нормальна» температура нашого тіла, а отже, й відповідна їй частина внутрішньої енергії.

Ми мерзнемо тоді, коли температура навколишнього середовища значно нижча, ніж температура нашого тіла. При цьому тіло віддає багато тепла на «обігрівання» середовища (пригадуємо: тепло завжди перетікає від більш нагрітого тіла до холоднішого), терморегуляції організму не вистачає на підтримання нормальної температури тіла — ми відчуваємо холод. Тут у пригоді буде теплий одяг: він уповільнює відтік тепла від тіла, тобто протидіє зменшенню його внутрішньої енергії — ми зігріваємося.

Увага! Спробуй самостійно пояснити, чому буває жарко. Пригадай і про «легкий» одяг, і про зміну внутрішньої енергії.

А що ми робимо взимку, коли в кімнаті прохолодно і треба підвищити температуру повітря?

Вмикаємо обігрівач — поступово внутрішня енергія повітря і всіх тіл у кімнаті підвищується. Розуміємо, що мікрочастинки повітря в кімнаті починають рухатися швидше. Із пониженням температури внутрішня енергія тіл зменшується, швидкість руху мікрочастинок теж зменшується. При цьому тепло переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих, тобто відбувається теплопередача, або теплообмін. На малюнку ЗО наведено приклади зміни внутрішньої енергії тіл.

Чи можна, окрім передачі теплоти, змінити внутрішню енергію тіла?

Відповідь на це запитання спробуємо знайти дослідним шляхом.

Дослід 1. Для цього тонкостінну латунну трубку закріплюють на підставці. Наливають в неї невелику кількість ефіру і щільно закривають трубку пробкою. Обкручують трубку мотузкою, а потім швидко рухають її в різні боки, натираючи трубку (мал. 31).

Відомо, що тертям можна навіть здобути вогонь. Тому не дивно, що упродовж натирання трубки її температура підвищується і зростає внутрішня енергія ефіру. Через деякий час ефір закипає, і його пара виштовхує пробку.

Цей дослід доводить, що, виконуючи механічну роботу над тілом, можна збільшити його внутрішню енергію.

L

Дослід 2. Беруть товстостінну скляну посудину, на дні якої налито трохи води, щільно закривають горловину пробкою і крізь отвір у ній насосом накачують повітря. Через деякий час пробка із посудини вилітає, і в посудині утворюється туман (мал. 32).

Його поява свідчить про те, що температура повітря і пари в посудині знизилася, тобто зменшилася їх внутрішня енергія. З результату цього досліду випливає, що за рахунок зменшення внутрішньої енергії тіла ним може бути виконана механічна робота.

Тепер, коли ти ознайомився зі способами зміни внутрішньої енергії тіла, можна дати таке означення теплопередачі.

Теплообміном, або теплопередачею називають самовільний необернений процес передачі енергії без виконання роботи від більш нагрітих тіл (або частин тіла) до менш нагрітих.

Це означає, що теплообмін завжди відбувається за наявності різниці температур між тілами в напрямі від тіла з високою температурою до тіла з низькою температурою і ніколи навпаки. За цим законом природи енергія ніколи не передається самовільно від холодного тіла до гарячого. Чайник з водою ніколи не нагріється сам по собі через охолодження повітря в кімнаті.

Теплообмін припиняється, коли настає стан теплової рівноваги, тобто коли температури всіх тіл, між якими відбувався обмін енергією, стають однаковими.

Узагальнення результатів спостережень і дослідів. Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: теплопередачею і виконанням роботи. Теплопередача може здійснюватись у такі способи (схема 2, мал. 33):

•    теплопровідність;

•    конвекція;

•    випромінювання.

Ці способи теплопередачі розглянемо у наступних параграфах.

А ти знаєш?

Зміну внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи над тілом можна спостерегти в багатьох життєвих ситуаціях:

•    під час роботи металорізальних станків (токарних, фрезерних, шліфувальних) нагріваються різальні пристрої, деталі, ошурки, що підтверджує збільшення їх внутрішньої енергії;

•    у сучасних швидкорізальних станках нагрівання інструментів таке велике, що для його охолодження струмені рідини або газу спрямовують в зону різання;

•    у теплових двигунах під час тертя між окремими деталями може відбутися сильне нагрівання, що може призвести навіть до роз-плавлення металів (тому такі деталі в місцях великого тертя змащують мастилом).

•    Як пояснити такий факт? Тепле повітря піднімається вгору. Чому ж на висоті 10 км тримається температура -50 °С?

Пояснення: Тиск повітря з висотою зменшується, тому при піднятті вгору воно виконує роботу, витрачає частину своєї внутрішньої енергії. Це і є головною причиною охолодження повітря.

Підсумки

•    Внутрішню енергію тіла можна змінити теплопередачею і виконанням роботи.

•    Теплообмін завжди відбувається за наявності різниці температур між тілами в напрямі від тіла з високою температурою до тіла з низькою температурою і ніколи навпаки.

Перевір свої знання

1*. Поясни дослід.

Візьми в руки термометр і потримай його в руці 20-30 с, торкаючись колбочки з рідиною (мал. 34).

Дай відповіді на запитання:

а)    Що відбувається із стовпчиком спирту в термометрі? Чому?

б)    Що відбувається із внутрішньою енергією деталей термометра? 2*. Чому під час ударів молотком по цвяху його шляпка нагрівається? З*. Яким способом можна змінити внутрішню енергію металевої

дротини?

4*. Як можна на морозі зігріти руки?

5**. 1) Сірник загоряється через тертя з коробкою.

2) Спалахує, якщо внести його в полум’я.

Чим подібні і відмінні причини, що призвели до загоряння сірника в обох випадках?

6***. У спекотний день термометр показує ЗО °С. Чи зміняться покази термометра, якщо поруч працюватиме вентилятор? Розглянь два випадки: а) термометр знаходиться в тіні; б) термометр освітлений сонцем.

7***. Проведи дослідження.

Налий в колбу міксера воду, виміряй її температуру. Ввімкни міксер на декілька хвилин в мережу і знову виміряй температуру води. Воду не нагрівали, а вона стала теплою. Чому підвищилась температура води?

Для тих, хто хоче знати більше

Зміну внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання механічної роботи застосовують у техніці. Один із таких прикладів — це зварювання тертям (мал. 35).

Зварювані деталі щільно притискають одна до одної і потім швидко обертають одну відносно іншої. У результаті відбувається сильне нагрівання деталей, і під час їх стискання вони зварюються. Такий спосіб зварювання застосовують для з’єднання частин валів, штоків з поршнями, виготовлення різальних інструментів.

Переглянь описаний процес за допомогою QR-коду.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко