§ 7. Внутрішня енергія тіла і способи її змінення

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

Механічна енергія тіла характеризується його координатою і швидкістю руху (механічним станом). Тіло, яке має енергію, може виконувати роботу. Внаслідок виконання роботи енергія тіла змінюється. Кількісною мірою зміни енергії є робота.

► 1. Які процеси супроводжують зміни механічної енергії тіл? При вивченні фізики у 7-му класі ви ознайомилися з поняттями повної механічної енергії тіла • ···· · · ·· · · і двох її видів: кінетичної і потенціальної енергій, які можуть перетворюватись одна на одну. Але виникає запитання: які ще зміни стану тіла, крім зміни його механічного стану, відбуваються при таких перетвореннях? З’ясуємо це на прикладі.

Піднімемо свинцеву кулю на деяку висоту над поверхнею Землі - куля набуває потенціальної енергії (рис. 46, а). Відпустимо кулю. Під час падіння зменшується висота, а, отже, потенціальна енергія свинцевої кулі перетворюється на кінетичну енергію. Після падіння кулі на плиту, її механічна енергія стає рівною нулю. Але за законом збереження повна механічна енергія кулі не може зникнути безслідно! На що ж перетворилася механічна енергія кулі? Торкнемося кулі і плити у місті падіння кулі - вони нагрілися. Отже, змінилися теплові станисвинцевої кулі і свинцевої плити. А тепловий стан тіла, як ви вже знаєте, визначається швидкістю руху атомів і молекул.При цьому слід зауважити, що, оскільки частинки речовини рухаються і взаємодіють між собою, то,

відповідно, кожна з них теж має кінетичнуі потенціальнуенергію.

З цього випливає важливий висновок: при падінні свинцевої кулі на свинцеву плиту одночасно із зміною механічної енергії відбуваються й зміни енергій частинок, які утворюють внутрішню структуру тіл. Отже, змінюється енергія всерединітіла. З’ясуємо, що це за енергія.

► 2. Внутрішня енергія тіла.

Енергія тіла, яка залежить від характеру руху і взаємодії його частинок і визначається лише його тепловим станом, називається внутрішньою енергією.

Внутрішню енергію позначають літерою U. Одиницею внутрішньої енергії в CI є 1 джоуль(1 Дж).

Внутрішня енергія тіла не залежить від того, як тіло опинилося у даному стані. Наприклад, вода в посудині при 20°С має певне значення внутрішньої енергії. При цьому воно буде однаковим незалежно від того, як вода була доведена до такої температури - у процесі нагрівання чи охолодження.

Внутрішня енергія тіла також не залежить від його положення відносно інших тіл. Так, за незмінної температури, металева гиря має однакову внутрішню енергію у випадках, коли вона підвішена до штатива або покладена на поверхню столу.

Внутрішня енергія тіл, які співударя-ються або труться, завжди збільшуєть-

ся. У досліді, наведеному на рис. 47, а в момент удару свинцевої кулі об свинцеву плиту механічна енергія кулі (її кінетична енергія) перетворюється на внутрішню енергію кулі та плити, про що свідчить їх нагрівання. Таким чином, механічна енергія, яку мала куля на початку досліду, не зникла, а перетворилась на внутрішню енергію кулі та плити. На рис. 47, б, в зображено приклади взаємодій між тілами, які супроводжуються їх нагріванням, а, отже, перетворенням механічної енергії тіл на внутрішню.

У більшості реальних процесів, які відбуваються в природі і техніці, внутрішня енергія тіл змінюється. Розглянемо два способи зміни внутрішньої енергії тіл - виконання роботи та теплообмін.

► 3. Змінення внутрішньої енергії тіл при виконанні роботи. З’ясуємо питання: внаслідок чого відбувається перетворення механічної енергії тіл на їх внутрішню енергію у прикладах, зображених на рис. 47? Так, при ударі свинцевої кулі об свинцеву плиту (рис. 47, а) відбувається непружня деформація кулі та плити. При цьому за рахунок механічної енергії кулі виконується робота проти сил пружності та сил тертя. При розпилюванні колоди (рис. 47, в) механічна енергія пили теж витрачається на виконання роботипроти сил пружності та сил тертя. З розглянутих прикладів випливає важливий висновок: внутріш-

ня енергія тіла збільшується при виконанні над ним роботи.

Відповідно, робота є кількісною мірою зміни внутрішньої енергії тіла.

А = AU,

де А - робота, AU - зміна внутрішньої енергії тіла.

Виникає запитання: якщо при виконанні над тілом роботи збільшується його внутрішня енергія, то чи не можна виконувати механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії тіла?

Перевіримо це на досліді. Нехай товстостінна посудина щільно закрита пробкою і з’єднана шлангом з повітряним насосом (рис. 48, а). У посудину до початку досліду вливають невелику кількість води з тим, щоб там утворилася водяна пара.

Після цього у посудину за допомогою повітряного насосу повільно накачують повітря доти, поки з посудини не вилетить пробка (рис.48, б). У момент вилітання пробки в посудині виникає туман, а це означає, що повітря в посудині у цей час стало значно холоднішим, ніж було на початку досліду, тобто його внутрішня енергія зменшилася.

Як ви думаєте, на що була витрачена внутрішня енергія стисненого повітря? Звичайно, на виконання роботи проти сили тертя пробки об скло горловини посудини та надання пробці кінетичної енергії.

Отже, у наведеному досліді за рахунок зменшення внутрішньої енергії стисне-

ного повітря відбулося виконання механічної роботи, тобто перетворення внутрішньої енергії стисненого повітря у механічну енергію пробки.

Висловіть свою думку

Малі тіла Сонячної системи - метеорити - рухаються в атмосфері з великою швидкістю. Чому під час польоту вони починають світитися?

► 4. Теплообмін. Внутрішню енергію тіла можна змінити і без виконання роботи. Із власного досвіду ви знаєте, що при опусканні ложки у склянку з окропом вона через деякий час стає дуже гарячою. Підвищення температури ложки свідчить про збільшення її внутрішньої енергії, хоча робота над ложкою у даному випадку не виконувалася. Якщо ж ви

хочете, наприклад, швидко охолодити

····

ложку, то опускаєте п у холодну воду.

Отже, під час контакту двох тіл із різною температурою відбувається передача енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. У результаті встановлюється теплова рівновага.

Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи над тілом або виконання роботи самим тілом називається теплообміном (теплопередачею).

Є й інші приклади зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи: сонячні промені нагрівають поверхню Землі та всі тіла, які на ній знаходяться, тобто збільшують їх внутрішню енергію;

батареї водяного опалення у будинках нагрівають повітря, стіни, стелі, підлоги та предмети у приміщеннях, а отже, збільшують їх внутрішню енергію.

Можливі випадки, коли одночасно мають місце і виконання роботи, і теплообмін.

Поглибте свої знання

Чи завжди у процесі теплообміну має місце зміна теплового стану тіла?

У процесі теплообміну не завжди змінюється тепловий стан тіла, тобто його температура. Наприклад, за рахунок теплопередачі під час танення льоду змінюється агрегатний стан речовини (лід із твердого стану переходить у рідкий), але температура при цьому залишається сталою.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Які стані тіл, крім механічного, можуть змінитися при зміні механічної енергії тіл? Наведіть приклади.

2.    З чого складається внутрішня енергія тіла? Який стан тіла визначає внутрішню енергію?

3.    Чи залежить внутрішня енергія від розташування тіла відносно інших тіл?

4.    Що відбувається із внутрішньою енергією тіл, які співударяються або труться?

5.    Як змінюється внутрішня енергія тіла у випадках: над тілом здійснюють роботу? тіло здійснює роботу.

6.    Якими двома способами можна змінити внутрішню енергію тіла?

7.    Що називають теплообміном або теплопередачею? У якому напрямі відбувається теплообмін під час контакту двох тіл з різними температурами?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати Вправа 7.

1.    У Криму на горі Ай-Петрі розташований найбільш високий в Європі водоспад - Учан-Су (в перекладі з кримськотатарської мови - душа, що летить). Цей водоспад вдвічі перебільшує висоту Ніагарського водоспаду і має висоту 98, 5 м. Визначте, на скільки градусів нагрівається вода після падіння у підніжжя водоспаду, якщо на нагрівання води витрачається 60% роботи сили тяжіння.

2.    На рисунку 47, а проілюстровано падіння свинцевої кулі на свинцеву плиту з деякої висоти. В момент удару кулі об плиту її механічна (кінетична) енергія перетворюється на внутрішню. Поясніть механізм цього перетворення. Проти яких сил при цьому виконується робота?

3.    На рис. 47, б, в наведено процеси, у яких внутрішня енергія тіл змінюється за рахунок зміни механічної енергії. Поясніть, як саме змінюється внутрішня енергія - збільшується чи зменшується? За рахунок чого ці зміни відбуваються?

4.    При роботі на токарному верстаті у місце контакту різця токарного верстата з деталлю, що обробляється, подають мастильно-охолоджувальну рідину. Чому це необхідно робити? Які зміни внутрішньої енергії різця та деталі при цьому мають місце?

5.    Наведіть і опишіть власні приклади перетворення внутрішньої енергії тіла на механічну енергію. Як при цьому змінюється температура тіла?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут