Способы изменения внутренней энергии. Внутренняя энергия тела

13.10.2019

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U 2 - U 1 . Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.

Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы .

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена . Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии.

Количество теплоты

Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:

При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии в процессе теплообмена.

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны внутренней энергии. Они не характеризуют само состояние системы (как это делает внутренняя энергия), а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что

§ работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю);

§ количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

§ Теплоемкость , количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры на 1°С. Согласно более строгому определению, теплоемкость - термодинамическая величина, определяемая выражением:

§ где ΔQ - количество теплоты, сообщенное системе и вызвавшее изменение ее температуры на Delta;T. Отношение конечных разностей ΔQ /ΔТ называется средней теплоемкостю , отношение бесконечно малых величин dQ/dT - истинной теплоемкостю . Поскольку dQ не является полным дифференциалом функции состояния, то итеплоемкость зависит от пути перехода между двумя состояниями системы. Различают теплоемкость системы в целом (Дж/К), удельную теплоемкость [Дж/(г·К)], молярную теплоемкость [Дж/(моль·К)]. Во всех ниже приведенных формулах использованы молярные величины теплоемкости .

Вопрос 32:

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи.

Количество теплоты измеряется в системе СИ в джоулях.
[Q] = 1Дж.

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру единицы массы данного вещества на 1°С.
Единица удельной теплоемкости в системе СИ:
[c] = 1Дж/кг·градусС.

Вопрос 33:

33 Первое начало термодинамики количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами. dQ=dU+dA,где dQ-элементарное кол-во теплоты,dA-элементарная работа,dU-приращение внутренней энергии. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы , при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.
Изохорный процесс (V =const). Диаграмма этого процесса(изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 81), где процесс 1-2 есть изохорное нагревание, а 1 -3 - изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, Изотермический процесс (T =const). Как уже указывалось § 41, изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта
, для того чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.

Вопрос 34:

34 Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (dQ= 0)между системой и окружающей средой. К адиабатическим процессам можно отнести все быстропротекающие процессы. Например, адиабатическим процессом можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д.
Из первого начала термодинамики (dQ= dU+dA ) для адиабатического процесса следует, что
p /С V =γ , найдем

Проинтегрируя уравнение в пределах от p 1 до p 2 и соответственно от V 1 до V 2 , и потенцируя, придем к выражению

Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать

Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул. Cледовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул. Попытаемся выяснить, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул.
Для этого проделаем следующий опыт. Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 4). Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьем веревкой и начнем быстро двигать ее то в одну сторону, то в другую. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел.Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки веревкой.Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, т. е. при деформации. Внутренняя энергия тела во всех приведенных примерах увеличивается. Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается. Проделаем следующий опыт. В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней (рис. 5). Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счет своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде.Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления. Внутренняя энергия в этих случаях увеличивается, так как повышается температура тел. Но при этом работа не совершается. Значит, изменение внутренней энергии может происходить не только в результате совершения работы.
Внутреннюю энергию тел можно изменить путем теплопередачи. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. Когда температуры тел выравняются, теплопередача прекращается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей. Теплопередача в свою очередь может осуществляться тремя способами: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

развитие интересов и способностей учащихся на основе передачи им знаний и опыта познавательной и творческой деятельности;
понимание учащимися таких важных понятий как энергия, внутренняя энергия, теплопередача и ее виды: теплопроводность, излучение, конвекция;
формирование у учащихся представлений о фундаментальных законах природы на примере закона сохранения энергии.

Задачи:

приобретение учащимися знаний о внутренней энергии, способах ее изменения, знакомство с терминами: теплопередача, теплопроводность, излучение;
формирование у учащихся умения наблюдать природные явления, проводить экспериментальные исследования, делать выводы;
овладение учащимися такими общенаучными понятиями, как природное явление, эмпирически установленный факт, результат эксперимента.

Тип урока: комбинированный.

Демонстрации:

превращение механической энергии (на примере движения резинового мячика и маятника Максвелла);
превращение механической энергии во внутреннюю (на примере падения свинцового шарика на свинцовую плиту);
изменение внутренней энергии по рис 4 и 5 учебника (Перышкин А.В Физика-8), нагревание монеты в пламени свечи и при ее трении о деревянную линейку, нагревание свинца ударами молотка;
опыты по рис.6-9 в учебнике (Перышкин А. В. Физика-8);
опыты по рис 10,11 в учебнике (Перышкин А. В. Физика-8)
наблюдение конвекции в газах на примере наблюдения конвекционных потоков от горящей свечи в проекции на освещенный экран;
демонстрация светильников, в которых используется явление конвекции;
нагревание воздуха в теплоприемнике излучением;
демонстрация поглощательной способности различных веществ.

Ход урока

Примечание:

Материалы, представленные в данной презентации, включают несколько тем, важных для дальнейшего изучения тепловых явлений, рассчитаны на использование на нескольких уроках и при объяснении новой темы, и при обобщающем повторении в 8 классе и при изучении молекулярной физики в 10 классе.

Закрепление полученных знаний по теме целесообразно приводить на примерах задач, которые достаточно представлены в сборниках задач по физике:

А.В. Перышкин Сборник задач по физике 7-9 классы, изд. «Экзамен» М., 2013.
В.И. Лукашик, Е.В. Иванова Сборник задач по физике 7-9 классы, изд. «Просвещение» АО «Московские учебники», М., 2001.
и другие.

Поэтому данная презентация может быть использована частично и (или) полностью на уроке в зависимости от целей и задач данного урока. Например при изучении нового материала.

Объяснение нового материала:

Приступая к формированию понятия внутренней энергии, необходимо предложить учащимся вспомнить, что они знают о механической энергии тел.

Вопросы учащимся:

В каком случае говорят, что тела обладают энергией?
Какие виды механической энергии различают?
Какие тела обладают кинетической энергией и отчего она зависит?
От чего зависит потенциальная энергия тел?
Приведите примеры превращения механической энергии.

(Слайды 2-5)

Слайд 2

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

В основу формирования понятия внутренней энергии положена идея о кажущемся «нарушении» закона сохранения энергии при соударении свинцового шара о свинцовую плиту.

Опыт №1. Соударение свинцового шара о свинцовую плиту. На основании «нарушения» закона сохранения энергии и исследования состояния свинцового шара после удара, делают вывод о наличии у всех тел энергии, которая называется внутренней энергией (слайд 6-8).

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Далее необходимо разъяснить учащимся отличие внутренней энергии от механической энергии тел. Важно сделать вывод о том, что внутренняя энергия тел не зависит от механической энергии тела, а зависит от температуры тела и агрегатного состояния вещества. Другими словами, внутренняя энергия тела определяется скоростью движения частиц, из которых состоит тело и их взаимным расположением.

Следующий этап изучения нового материала – это изучение способов изменения внутренней энергии тела. На опытах можно наглядно продемонстрировать, что изменить внутреннюю энергию тела можно при совершении работы (над телом и самим телом) и при теплопередаче.

Это следующие опыты:

1. Изменение внутренней энергии совершением работы над телом.

Опыт №2. Потереть монетку о деревянную линейку, ладони рук друг о друга. Учащиеся делают вывод: внутренняя энергия тела увеличилась.

Опыт №3. Взять воздушное огниво. При быстром сжатии воздух нагревается столь значительно, что пары эфира, находящиеся в цилиндре под поршнем, воспламеняются. Учащиеся делают вывод: внутренняя энергия тела увеличилась.

2. Изменение внутренней энергии при совершении работы самим телом.

Опыт №4. В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачиваем воздух насосом через специальное отверстие в ней. Через некоторое время пробка вылетит из сосуда. В момент, когда пробка вылетает из сосуда, необходимо обратить внимание учащихся на образование тумана в стеклянном сосуде, что свидетельствует о понижении температуры находящихся в нем воздуха и водяного пара. Учащиеся делают вывод: внутренняя энергия тела уменьшилась.

3. Изменение внутренней энергии путем теплопередачи.

На основе опытов из повседневной жизни (ложка, опущенная в горячий чай нагревается, выключенный горячий утюг в комнате остывает).

На основе всех примеров и опытов делается общий вывод: внутренняя энергия тела может изменяться (увеличиваться или уменьшаться) со временем при теплообмене данного тела с окружающими его телами и при совершении механической работы (слайд 9).

Слайд 9

При изложении механизмов и способов теплопередачи, необходимо обратить внимание учащихся, что теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, что по существу подводить учащихся к представлению о втором законе термодинамики.

Слайд 10

Рассмотрение различных видов теплопередачи начинают с теплопроводности. Для изучения этого явления рассматривают опыт №5 с нагреванием металлического стержня (см учебник Перышкин А.В. Физика-8) На основании результатов опыта учащиеся устанавливают факт передачи теплоты от одной части тела к другой и объясняют его.

Затем вводят понятие о хороших и плохих проводниках тепла. Наглядно демонстрируют на простых опытах №6, №7, №8 , описанных в учебнике (А.В. Перышкин Физика-8) различную теплопроводность веществ и рассматривают использование в технике, быту и природе свойств тел по разному проводить тепло (слайд 11-13).

Слайд 11

Слайд 12

Слайд 13

Изучение явления конвекции начинают с постановки следующего опыта №9: пробирку, наполненную водой нагревают на спиртовке в верхней части пробирки. При этом снизу пробирки вода остается холодной, а в верхней части – кипит. Учащиеся делают вывод о том, что вода обладает плохой теплопроводностью. Но! Вопрос учащимся: Как нагревают воду, например, в чайнике? Почему?

Ответы на эти вопросы получим, если проделаем следующий опыт №10 :будем нагревать снизу на спиртовке колбу с водой, на дне которой помещен кристаллик марганцовки, окрашивающий конвекционные потоки.

Для демонстрации конвекции в газах, можно воспользоваться проектором и наблюдать конвекционные потоки, идущие от горящей свечи в проекции на экране.

В качестве примеров конвекции в природе рассматривают образование дневных и ночных бризов, а в технике – образование тяги в дымоходах, конвекцию в водяном отоплении, водяном охлаждении двигателя внутреннего сгорания (слайд 14-15).

Слайд 14

Слайд 15

Понятие об излучении как одном из способов передачи тепла можно начать с постановки вопроса: «Может ли энергия Солнца передаваться Земле теплопроводностью? Конвекцией?» Учащиеся делают вывод, что не может и, следовательно, существует другой способ передачи тепла.

Продолжить знакомство с излучением можно, поставив опыт №11 по нагреванию теплоприемника, соединенного с жидкостным манометром, и находящимся на некотором удалении сбоку от электрической плитки

Перед учащимися ставится вопрос: вследствие чего же воздух в теплоприемнике нагревается? Ведь теплопроводность и конвекция здесь исключены. Возникает проблемная ситуация, в результате обсуждения которой учащиеся приходят к заключению о том, что в данном случае имеет особый вид передачи – излучение – теплопередача с помощью невидимых лучей.

Далее на опыте №12 выясняют, что тела с различной поверхностью обладают разной способностью поглощать энергию. Для этого используют теплоприемник, у которого одна поверхность блестящая металлическая, другая черная и шершавая.

В заключении объяснения можно привести примеры излучения в природе и технике (слайд 16-17).

Слайд 16

Урок физики в 8-м классе по теме: "Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии"

Цели урока:

Формирование понятия «внутренняя энергия тела» на основе МКТ строения вещества.
Ознакомление со способами изменения внутренней энергии тела.
Формирование понятия «теплопередача» и умения применять знания МКТ строения вещества при объяснении тепловых явлений.
Развитие интереса к физике через демонстрацию интересных примеров проявления тепловых явлений в природе и технике.
Обоснование необходимости изучения тепловых явлений для применения этих знаний в быту.
Развитие информационно – коммуникативных компетенций учащихся.

Тип урока. Комбинированный урок.

Вид урока. Урок - презентация

Форма проведения урока. Интерактивная беседа, демонстрационный эксперимент, рассказ, самостоятельная работа

Формы работы учащихся. Коллективная работа, индивидуальная работа, работа в группах.

Оборудование: электронная презентация «Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии», компьютер, проектор.

Ход урока

Организационный момент. Добрый день! Сегодня на уроке мы познакомимся еще с одним видом энергии, узнаем от чего она зависит и как ее можно изменить.

Актуализация знаний.

Повторение опорных понятий: энергия, кинетическая и потенциальная энергия, механическая работа.

Изучение нового материала.

Учитель . Кроме упомянутых понятий следует вспомнить и то, что два типа механической энергии могут превращаться (переходить) друг в друга, например, при падении тела. Рассмотрим свободно падающий шарик. Очевидно, что при падении его высота над поверхностью уменьшается, а скорость увеличивается, это означает, что уменьшается его потенциальная энергия, а кинетическая увеличивается. Следует понимать, что эти два процесса не происходят отдельно, они взаимосвязаны, и говорят, что потенциальная энергия переходит в кинетическую .

Чтобы понять, что же такое внутренняя энергия тела, необходимо ответить на следующий вопрос, из чего состоят все тела?

Ученики . Тела состоят из частиц, которые непрерывно хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом.

Учитель . А если они движутся и взаимодействуют, то они обладают кинетической и потенциальной энергией, которые и составляют внутреннюю энергию.

Ученики. Получается, что у всех тел внутренняя энергия одинаковая, а значит и температура должна быть одинаковой. А это не так.

Учитель. Конечно не так. Тела обладают различной внутренней энергией, и мы постараемся выяснить, от чего зависит и от чего не зависит внутренняя энергия тела.

Определение.

Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела .

Внутреннюю энергию обозначают и измеряется она, как и все другие виды энергии, в Дж (джоулях).

Следовательно, имеем формулу для внутренней энергии тела: . Где под понимается кинетическая энергия частиц тела, а под – их потенциальная энергия.

Вспомним предыдущий урок, на нем мы говорили о том, что движение частиц тела характеризует его температура, с другой стороны, внутренняя энергия тела связана с характером (активностью) движения частиц. Следовательно, внутренняя энергия и температура – взаимосвязанные понятия. При повышении температуры тела его внутренняя энергия тоже повышается, при понижении – уменьшается.

Мы выяснили, что внутренняя энергия тела может изменяться. Рассмотрим способы изменения внутренней энергии тела.

Вы уже знакомы с понятием механическая работа тела, она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела, аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела. Это удобно изобразить на схеме:

Учитель .Сспособ увеличения внутренней энергии тела при трении был известен людям с глубокой древности. Именно таким способом люди добывали огонь. Работая в мастерских, например, обтачивая детали напильником, что можно пронаблюдать? (Детали нагревались ). Когда человеку холодно, он начинает непроизвольно дрожать. Как вы думаете, почему? (При дрожи происходят мышечные сокращения. За счет работы мышц внутренняя энергия тела увеличивается, становится теплее ). Какой можно сделать вывод из сказанного?

Ученики . Внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы. Если тело само совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.

Учитель . В технике, промышленности, повседневной практике мы постоянно встречаемся с изменением внутренней энергии тела при совершении работы: нагревание тел при ковке, при ударе; совершение работы сжатым воздухом или паром .

Давайте немного отдохнем, а заодно узнаем некоторые интересные факты из истории тепловых явлений (двое учащихся выступают с короткими сообщениями, приготовленными заранее).

Сообщение 1 . Как устраивались чудеса.

Древнегреческий механик Герон Александрийский, изобретатель фонтана, носящего его имя, оставил нам описание двух остроумных способов, с помощью которых египетские жрецы обманывали народ, внушая ему веру в чудеса.
На рисунке 1 вы видите пустотелый металлический жертвенник, а под ним скрытый в подземелье механизм, приводящий в движение двери храма. Жертвенник стоял снаружи его. Когда разводят огонь, воздух внутри жертвенника вследствие нагревания сильнее давит на воду в сосуде, скрытом под полом; из сосуда вода вытесняется по трубке и выливается в ведро, которое, опускаясь, приводит в действие механизм, вращающий двери (рис. 2). Изумленные зрители, ничего не подозревающие о скрытой под полом установке, видят перед собой “чудо”: как только на жертвеннике запылает огонь, двери храма, “внемля молитвам жреца”, растворяются словно сами собой...

Разоблачение “чуда” египетских жрецов: двери храма открываются действием жертвенного огня.

Сообщение 2. Как устраивались чудеса.

Другое мнимое чудо, устраивавшееся жрецами, изображено на рис. 3. Когда на жертвеннике запылает пламя, воздух, расширяясь, выводит масло из нижнего резервуара в трубки, скрытые внутри фигур жрецов, и тогда масло чудесным образом само подливается в огонь... Но стоило жрецу, заведующему этим жертвенником, незаметно вынуть пробку из крышки резервуара - и излияние масла прекращалось (потому что избыток воздуха свободно выходил через отверстие); к этой уловке жрецы прибегали тогда, когда приношение молящихся было слишком скудно.

Учитель. Как всем нам знакомо утреннее чаепитие! Так приятно заварить чай, насыпать в чашку сахарку и пить понемножечку, маленькой ложечкой. Только одно плохо - уж больно ложка горячая! Что же произошло с ложкой? Почему повысилась ее температура? Почему увеличилась ее внутренняя энергия? Мы работу над ней совершали?

Ученики . Нет, не совершали.

Учитель . Давайте выясним, почему произошло изменение внутренней энергии.

Вначале температура воды выше, чем температура ложки, а следовательно и скорость молекул воды больше. Это значит, что молекулы воды обладают большей кинетической энергией, чем частицы металла, из которого сделана ложка. При столкновении с частицами металла молекулы воды передают им часть своей энергии, и кинетическая энергия частиц металла увеличивается, а кинетическая энергия молекул воды уменьшается. Такой способ изменения внутренней энергии тел называется теплопередачей . В нашей повседневной жизни мы часто сталкиваемся с этим явлением. Например, в воде, при лежании на земле или в снегу организм охлаждается, что может привести к простудным заболеваниям или обморожениям. В сильный мороз утки охотно лезут в воду. Как вы думаете, почему? (В сильный мороз температура воды значительно выше температуры окружающего воздуха, поэтому в воде птица будет охлаждаться меньше, чем на воздухе ).Теплопередача осуществляется несколькими способами, но об этом мы поговорим на следующем уроке.

Таким образом, возможны два способа изменения внутренней энергии. Какие?

Ученики . Совершение работы и теплопередача.

Закрепление изученного материала. Теперь давайте посмотрим, насколько хорошо вы усвоили новый материал сегодняшнего урока . Я буду задавать вопросы, а вы попробуете на них ответить.

Вопрос 1 . В один стакан налита холодная вода, в другой – столько же кипятка. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией? (Во втором, т.к. ее температура выше) .

Вопрос 2. Два медных бруска имеют одинаковую температуру, но масса одного 1 кг, а другого – 0,5 кг. Какой из двух данных брусков обладает большей внутренней энергией? (Первый, т.к. его масса больше) .

Вопрос 3. Молоток нагревается, когда им бьют, например, по наковальне, и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях. (В первом случае совершение работы, а во втором - теплопередача) .

Вопрос 4 . В металлическую кружку налита вода. Какое из перечисленных ниже действий приводит к изменению внутренней энергии воды? (1, 3)

Нагревание воды на горячей плите.
Совершение работы над водой, приведение ее в поступательное движение вместе с кружкой.
Совершение работы над водой перемешиванием ее миксером.

Учитель . А сейчас я предлагаю вам поработать самостоятельно. (Учащиеся делятся на 6 групп, и дальнейшая работа будет осуществляться в группах). Перед вами лежит листок с тремя заданиями.

Задание 1. Что является причиной изменения внутренней энергии тел в приведенных ниже явлениях:

нагревание воды кипятильником;
охлаждение продуктов, положенных в холодильник;
возгорание спички при чирканье ею о коробок;
сильное нагревание и сгорание искусственных спутников земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы;
если быстро изгибать проволоку в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается;
приготовление пищи;
если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки;
нагревание воды в бассейне в жаркий летний день;
при забивании гвоздя его шляпка нагревается;
спичка вспыхивает при внесении ее в пламя свечи.

Для двух групп – при трении; других двух групп – при ударе и еще двух групп – при сжатии.

Рефлексия.

Что нового, интересного вы узнали сегодня на уроке?
Как вы усвоили пройденный материал?
Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?
Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

Подведение итогов урока. Сегодня мы с вами познакомились с основными понятиями раздела «Тепловые явления» внутренней энергией и теплопередачей и ознакомились со способами изменения внутренней энергии тел. Полученные знания помогут вам объяснить и предсказать протекание тепловых процессов, с которыми вы встретитесь в своей жизни.

Домашнее задание . § 2, 3. Экспериментальные задания:

Измерьте домашним термометром температуру воды, налитой в банку или бутылку.
Плотно закройте сосуд и 10–15 мин интенсивно встряхивайте его, после чего вновь измерьте температуру.
Чтобы исключить передачу тепла от рук, наденьте варежки или заверните сосуд в полотенце.
Какой способ изменения внутренней энергии вы использовали? Поясните.
Возьмите резиновую ленту, связанную кольцом, приложите ленту ко лбу и запомните ее температуру. Удерживая резину пальцами руки, несколько раз энергично растяните и в растянутом виде снова прижмите ко лбу. Сделайте вывод о температуре и причинах, вызвавших изменение.

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:

Темы кодификатора ЕГЭ : внутренняя энергия, теплопередача, виды теплопередачи.

Частицы любого тела - атомы или молекулы - совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение ). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т.е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела - это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом .

Внутренняя энергия термодинамической системы - это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему .

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества - идеального газа - для внутренней энергии можно получить явную формулу.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии). Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного (у многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул) движения его атомов. Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа на среднюю кинетическую энергию одного атома:

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма - ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

Функция состояния

Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.

Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.

Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:

Совершение механической работы;
теплопередача.

Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь:-) Рассмотрим эти способы подробнее.

Изменение внутренней энергии: совершение работы

Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.

Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура - это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.

Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.

Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы - работу совершили молоток и сила трения о доску.

Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.

Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным . Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики). В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться - его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.

Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.

Изменение внутренней энергии: теплопередача

Теплопередача - это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы . Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом .

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Сейчас мы рассмотрим их более подробно.

Теплопроводность

Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.

Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню - от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 1 )(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).

Рис. 1. Теплопроводность

Теплопроводность - это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела .

Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).

Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела - такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.

Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната?

Происходит это вследствие другого вида теплопередачи - конвекции.

Конвекция

Конвекция - это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества .

Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.

В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции - распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.

Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).

Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).

Рис. 2. Конвекция

В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.

Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать . Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет - тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.

Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.

Тепловое излучение

Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.

Здесь работает третий вид теплопередачи - тепловое излучение . Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?

Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию). В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле...

В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна -«зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой - в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет - частный случай электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.

Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет - это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше - частоты ультрафиолетового излучения.

Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называются тепловым излучением - в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.

Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.

При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна - довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока , что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.

Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 3 )(изображения с сайта beodom.com).