§ 5. Внутрішня енергія та способи її зміни. Теплообмін

 Під час перебігу теплових явищ змінюються температура і стан тіла: лід перетворюється на воду, вода - на пару та навпаки. Щоб розплавити олово, потрібно спочатку його нагріти до температури плавлення, а потім плавити, безупинно надаючи йому енергії. А які фізичні величини характеризують тепловий стан речовини і дають змогу пояснювати теплові явища?

Вам уже відомі поняття механічної енергії, види механічної енергії -потенціальна й кінетична. Наприклад м’яч, піднятий над землею, стиснута або розтягнута пружина мають потенціальну енергію. Кожне рухоме тіло має кінетичну енергію: краплі дощу, які падають на землю; автомобіль, що рухається по дорозі; птах, який летить. Ви також знаєте, що потенціальна й кінетична енергії тіла можуть змінюватися, що під час такої зміни виконується механічна робота.

Дослід 1. Піднімемо пластилінову кульку над столом і відпустимо її. Під дією сили тяжіння кулька впаде на стіл та прилипне до нього.

Проаналізуємо, як змінювалася механічна енергія кульки при цьому. Кулька, піднята над столом, мала потенціальну енергію, її кінетична енергія дорівнювала нулю, тому що вона була нерухома (мал. 27, а). Коли кульку відпустили, то під час падіння її потенціальна енергія зменшувалася, бо зменшувалася висота кульки над столом, а кінетична енергія збільшувалася, бо збільшувалася швидкість руху кульки. Перед торканням кульки до поверхні стола її потенціальна енергія відносно неї дорівнювала нулю, а значення кінетичної енергії дорівнювало значенню потенціальної енергії кульки до початку падіння (мал. 27, б). Коли кулька впала на стіл, то вона зупинилася, тобто η кінетична енергія також стала дорівнювати нулю. Отже, механічна енергія кульки відносно стола в цьому положенні дорівнює нулю.

Куди ж «зникла» механічна енергія кульки?

Можна припустити, що таке «зникнення» механічної енергії пов’язане з якимись іншими, аніж механічний рух, змінами у стані тіл. Дійсно, якщо за допомогою дуже чутливого термометра виміряти температури кульки та поверхні стола до падіння кульки й після нього, то виявиться, що їхні температури підвищилися. Отже, відбулися зміни в тепловому стані тіл під час взаємодії - збільшилася середня швидкість їхніх молекул.

Зміна енергії теплового руху молекул тіл відбулася за рахунок зміни кінетичної енергії їхнього руху внаслідок зміни середньої швидкості молекул та зміни потенціальної енергії їхньої взаємодії, яка стала іншою через деформацію кульки.

Енергію руху та взаємодії частинок, з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією тіла.

Отже, під час удару кульки об стіл відбулася зміна механічної енергії кульки на її внутрішню енергію.

Внутрішня енергія тіла залежить від його температури. Підвищується температура тіла - збільшується його внутрішня енергія та навпаки.

Внутрішня енергія тіла не залежить ні від механічного руху тіла, ні від положення цього тіла відносно інших тіл.

Отже, внутрішня енергія тіла, зокрема, пов’язана зі швидкістю руху його частинок. Вона змінюється, якщо змінюється середня швидкість руху частинок, з яких складається тіло. Як можна збільшити або зменшити цю швидкість, тобто змінити внутрішню енергію тіла?

Спостереження 1. Вам, напевно, доводилося накачувати насосом велосипедну шину або м’яч (мал. 28), і ви спостерігали, що насос при цьому нагрівається. Збільшення внутрішньої енергії повітря та насоса сталося за рахунок виконання роботи силою, що стискала повітря.

Якщо ви зігнете та розігнете кілька разів дротину з м’якого металу (мал. 29), то виявите, що місце згинання нагрілося.

Якщо ви вдарите кілька разів молотком по шматку свинцю (мал. ЗО), то цей шматок також нагріється. Коли у вас на морозі мерзнуть руки, то ви їх грієте, потираючи одна об одну.

В усіх випадках внутрішня енергія тіл збільшується за рахунок виконання роботи над ними.

Внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконуючи над ним роботу.

Дослід 2. У товстостінній скляній посудині, щільно закритій корком, міститься водяна пара. Через спеціальний отвір будемо накачувати в неї повітря. Через деякий час корок «вискочить» з посудини (мал. 31). У той момент, коли корок вискакує, у посудині з’являється туман (водяна пара перетворилася на рідину), поява якого означає, що повітря в посудині стало холоднішим. Отже, внутрішня енергія повітря в посудині зменшилася. Пояснюється це тим, що стиснуте повітря, яке виштовхнуло корок, тим самим виконало роботу.

Якщо роботу виконує саме тіло, то його внутрішня енергія зменшується.

Внутрішню енергію тіла можна змінити й іншим способом - без виконання роботи.

Спостереження 2. Каструля з водою, що стоїть на гарячій плиті (мал. 32); металева ложка, поміщена в склянку з гарячою водою; батарея водяного опалення, по якій тече гаряча вода; камін, у якому розпалено вогонь (мал. 33); Земля, яку освітлює Сонце (мал. 34), - усі вони нагріваються.

В усіх наведених прикладах температура тіл підвищується. Отже, внутрішня енергія їх збільшується.

Можна спостерігати й охолодження тіл, коли, наприклад, гарячу ложку помістити в холодну вода', чайник, що закипів, зняти з плити.

У наведених прикладах відбувалася зміна внутрішньої енергії тіл, але механічна робота при цьому не виконувалася. Такий процес зміни внутрішньої енергії тіл називають теплообміном, або теплопередачею.

Теплообмін — це процес передачі внутрішньої енергії від нагрітого тіла до холодного без виконання ними або над ними механічної роботи.

Розглянемо, як відбувається теплообмін під час контакту холодної ложки з гарячою водою. На початку середня швидкість і кінетична енергія молекул гарячої води перевищують середню швидкість і кінетичну енергію атомів металу, з якого виготовлено ложку. Але в місцях стику ложки з водою під час зіткнень швидкі молекули води передають частину своєї кінетичної енергії атомам металу, і ті починають рухатися швидше. Кінетична енергія молекул води при цьому зменшується, а кінетична енергія атомів металу збільшується. Разом з енергією змінюється і температура: вода поступово охолоджується, а ложка - нагрівається. Цей процес триватиме доти, доки температура води і ложки не стане однаковою.

Внутрішню енергію тіла можна змінити шляхом виконання роботи або теплообміну.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Які види механічної енергії ви знаєте?

2.    Яку енергію називають внутрішньою енергією тіла?

3.    Від чого залежить внутрішня енергія тіла?

4.    Як можна змінити внутрішню енергію тіла?

5.    Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла шляхом виконання роботи.

6.    Що таке теплообмін?

7.    Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла шляхом теплообміну.

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк