Verandering in interne energie. SA

13.10.2019

Om praktische problemen op te lossen, speelt niet de interne energie zelf een belangrijke rol, maar de verandering ervan Δ u = u 2 - u een . De verandering in interne energie wordt berekend op basis van de wetten van behoud van energie.

De interne energie van een lichaam kan op twee manieren veranderen:

1. Bij het maken mechanisch werk.

a) Als een externe kracht vervorming van het lichaam veroorzaakt, dan veranderen de afstanden tussen de deeltjes waaruit het bestaat, en bijgevolg verandert de potentiële energie van de interactie van deeltjes. Bij niet-elastische vervormingen verandert bovendien de temperatuur van het lichaam, d.w.z. de kinetische energie van de thermische beweging van deeltjes verandert. Maar wanneer het lichaam vervormd is, wordt er gewerkt, wat een maat is voor de verandering in de interne energie van het lichaam.

b) De interne energie van een lichaam verandert ook tijdens zijn inelastische botsing met een ander lichaam. Zoals we eerder zagen, neemt tijdens inelastische botsingen van lichamen hun kinetische energie af, het verandert in interne energie (als je bijvoorbeeld meerdere keren met een hamer op een draad liggend op een aambeeld slaat, zal de draad opwarmen). De mate van verandering in de kinetische energie van een lichaam is, volgens de stelling van de kinetische energie, het werk van de werkende krachten. Dit werk kan ook dienen als een maatstaf voor veranderingen in interne energie.

c) De verandering in de interne energie van het lichaam vindt plaats onder invloed van de wrijvingskracht, aangezien, zoals uit ervaring bekend is, wrijving altijd gepaard gaat met een verandering in de temperatuur van wrijvende lichamen. De arbeid van de wrijvingskracht kan dienen als een maat voor de verandering in interne energie.

2. Met behulp van warmteoverdracht. Als een lichaam bijvoorbeeld in een brandervlam wordt geplaatst, verandert de temperatuur en daarmee ook de interne energie. Er werd hier echter niet gewerkt, omdat er geen zichtbare beweging was van het lichaam zelf of zijn delen.

De verandering in de interne energie van een systeem zonder arbeid te verrichten heet warmte uitwisseling(warmteoverdracht).

Er zijn drie soorten warmteoverdracht: geleiding, convectie en straling.

a) warmtegeleiding is het proces van warmte-uitwisseling tussen lichamen (of lichaamsdelen) in hun direct contact, als gevolg van de thermische chaotische beweging van lichaamsdeeltjes. De amplitude van oscillaties van de moleculen van een vast lichaam is groter naarmate de temperatuur hoger is. De thermische geleidbaarheid van gassen is te wijten aan de uitwisseling van energie tussen gasmoleculen tijdens hun botsingen. Bij vloeistoffen werken beide mechanismen. De thermische geleidbaarheid van een stof is maximaal in de vaste toestand en minimaal in de gasvormige toestand.

b) Convectie is de overdracht van warmte door verwarmde vloeistof- of gasstromen van het ene deel van het volume dat ze innemen naar het andere.

c) Warmteoverdracht bij straling uitgevoerd op afstand door middel van elektromagnetische golven.

Laten we in meer detail bekijken hoe we de interne energie kunnen veranderen.

Hoeveelheid warmte

Zoals u weet, is er tijdens verschillende mechanische processen een verandering in mechanische energie W. De mate van verandering in mechanische energie is het werk van krachten die op het systeem worden uitgeoefend:

Tijdens warmteoverdracht vindt er een verandering plaats in de interne energie van het lichaam. De mate van verandering in interne energie tijdens warmteoverdracht is de hoeveelheid warmte.

Hoeveelheid warmte is een maat voor de verandering in interne energie tijdens warmteoverdracht.

Dus zowel arbeid als de hoeveelheid warmte karakteriseren de verandering in energie, maar zijn niet identiek aan interne energie. Ze karakteriseren niet de toestand van het systeem zelf (zoals interne energie doet), maar bepalen het proces van energietransitie van de ene vorm naar de andere (van het ene lichaam naar het andere) wanneer de toestand verandert en zijn in wezen afhankelijk van de aard van het proces.

Het belangrijkste verschil tussen werk en warmte is dat:

§ werk kenmerkt het proces van verandering van de interne energie van het systeem, vergezeld van de transformatie van energie van het ene type naar het andere (van mechanisch naar intern);

§ de hoeveelheid warmte kenmerkt het proces van overdracht van interne energie van het ene lichaam naar het andere (van heter naar minder heet), niet gepaard gaand met energietransformaties.

§ Warmte capaciteit, de hoeveelheid warmte die wordt verbruikt om de temperatuur met 1 ° C te veranderen. Volgens een striktere definitie warmte capaciteit- thermodynamische grootheid, bepaald door de uitdrukking:

§ waar Δ Q- de hoeveelheid warmte die naar het systeem is gecommuniceerd en een temperatuurverandering heeft veroorzaakt door Delta;T. Eindige verschilverhouding Δ Q/ΔT wordt het gemiddelde genoemd warmte capaciteit, de verhouding van oneindig kleine waarden d Q/dT- WAAR warmte capaciteit. omdat d Q is geen totaal verschil van de toestandsfunctie, dan warmte capaciteit hangt af van het overgangspad tussen twee toestanden van het systeem. Onderscheiden warmte capaciteit systeem als geheel (J/K), specifiek warmte capaciteit[J/(gK)], molair warmte capaciteit[J/(molK)]. Alle onderstaande formules gebruiken molaire waarden warmte capaciteit.

Vraag 32:

Interne energie kan op twee manieren worden veranderd.

De hoeveelheid warmte (Q) is de verandering in de interne energie van het lichaam die optreedt als gevolg van warmteoverdracht.

De hoeveelheid warmte wordt gemeten in het SI-systeem in joules.
[V] = 1J.

De soortelijke warmtecapaciteit van een stof geeft aan hoeveel warmte er nodig is om de temperatuur van een eenheidsmassa van een bepaalde stof met 1°C te veranderen.
Eenheid specifieke hitte in het SI-systeem:
[c] = 1J/kg graden C.

Vraag 33:

33 De eerste wet van de thermodynamica, de hoeveelheid warmte die door het systeem wordt ontvangen, gaat naar het veranderen van zijn interne energie en het doen van werk aan externe lichamen. dQ=dU+dA, waarbij dQ de elementaire hoeveelheid warmte is, dA de elementaire arbeid, dU de toename van interne energie. Toepassing van de eerste wet van de thermodynamica op isoprocessen
Onder de evenwichtsprocessen die optreden bij thermodynamische systemen, zijn er: isoprocessen, waarbij een van de belangrijkste toestandsparameters constant wordt gehouden.
isochoor proces (V= const). Schema van dit proces (isochoor) in coördinaten R, V wordt weergegeven als een rechte lijn evenwijdig aan de y-as (Fig. 81), waarbij het proces 1-2 is isochore verwarming, en 1 -3 - isochore koeling. Bij een isochoor proces werkt het gas niet op externe lichamen, isotherm proces (T= const). Zoals reeds vermeld § 41, wordt het isotherme proces beschreven door de wet van Boyle-Mariotte
Om ervoor te zorgen dat de temperatuur niet daalt tijdens de expansie van het gas, is het noodzakelijk om het gas te voorzien van een hoeveelheid warmte die gelijk is aan extern werk uitbreidingen.

Vraag 34:

34 Adiabatisch heet een proces waarbij er geen warmte-uitwisseling is ( dQ= 0) tussen het systeem en de omgeving. Adiabatische processen omvatten alle snelle processen. Het voortplantingsproces van geluid in een medium kan bijvoorbeeld worden beschouwd als een adiabatisch proces, omdat de voortplantingssnelheid van een geluidsgolf zo hoog is dat de uitwisseling van energie tussen de golf en het medium geen tijd heeft om plaats te vinden. Adiabatische processen worden toegepast in verbrandingsmotoren (expansie en compressie van het brandbare mengsel in cilinders), in koelunits enz.
Uit de eerste wet van de thermodynamica ( dQ= d U+dA) voor een adiabatisch proces volgt dat:
p /С V =γ , we vinden

Door de vergelijking in het bereik van p 1 tot p 2 en dienovereenkomstig van V 1 tot V 2 te integreren en te versterken, komen we tot de uitdrukking

Aangezien toestanden 1 en 2 willekeurig worden gekozen, kunnen we schrijven

Interne energie kan op twee manieren worden veranderd.

Als er aan een lichaam wordt gewerkt, neemt de interne energie ervan toe.

Als het werk door het lichaam zelf wordt gedaan, neemt zijn interne energie af.

In totaal zijn er drie eenvoudige (elementaire) vormen van warmteoverdracht:

Warmtegeleiding

· Convectie

Convectie is het fenomeen van warmteoverdracht in vloeistoffen of gassen, of korrelige media door stromen van materie. Er is een zgn. natuurlijke convectie, die spontaan optreedt in een stof wanneer deze ongelijkmatig wordt verwarmd in een zwaartekrachtveld. Bij een dergelijke convectie warmen de onderste lagen van de materie op, worden lichter en drijven, terwijl de bovenste lagen juist afkoelen, zwaarder worden en naar beneden zakken, waarna het proces zich keer op keer herhaalt.

Thermische straling of straling is de overdracht van energie van het ene lichaam naar het andere in de vorm van elektromagnetische golven vanwege hun thermische energie.

Interne energie van een ideaal gas

Op basis van de definitie van een ideaal gas, zit er geen potentiële component van interne energie in (er zijn geen krachten van interactie van moleculen, behalve schok). Dus de interne energie Ideaal gas vertegenwoordigt alleen de kinetische energie van de beweging van zijn moleculen. Eerder (vergelijking 2.10) werd aangetoond dat de kinetische energie van de translatiebeweging van gasmoleculen recht evenredig is met de absolute temperatuur ervan.

Met behulp van de uitdrukking voor de universele gasconstante (4.6) kan men de waarde van de constante α bepalen.

Zo zal de kinetische energie van de translatiebeweging van één molecuul van een ideaal gas worden bepaald door de uitdrukking.

Volgens de kinetische theorie is de verdeling van energie over vrijheidsgraden uniform. Translationele beweging heeft 3 vrijheidsgraden. Daarom is één graad bewegingsvrijheid van een gasmolecuul goed voor 1/3 van zijn kinetische energie.

Voor twee, drie en polyatomaire gasmoleculen zijn er naast de vrijheidsgraden van translatiebeweging ook vrijheidsgraden van rotatiebeweging van het molecuul. Voor diatomische gasmoleculen is het aantal vrijheidsgraden van rotatiebeweging 2, voor drie en polyatomaire moleculen - 3.

Aangezien de verdeling van de bewegingsenergie van een molecuul over alle vrijheidsgraden uniform is, en het aantal moleculen in één kilomol van een gas Nμ is, kan de interne energie van één kilomol van een ideaal gas worden verkregen door uitdrukking te vermenigvuldigen ( 4.11) door het aantal moleculen in één kilomol en door het aantal vrijheidsgraden van beweging van een molecuul van een bepaald gas.

waarbij Uμ de interne energie is van een kilomol gas in J/kmol, i is het aantal vrijheidsgraden van beweging van een gasmolecuul.

Voor 1 - atomair gas i = 3, voor 2 - atomair gas i = 5, voor 3 - atomaire en polyatomaire gassen i = 6.

Elektriciteit. Voorwaarden voor het bestaan van een elektrische stroom. EMV. Wet van Ohm voor een compleet circuit. Werk en stroom. Wet van Joule-Lenz.

Onder de voorwaarden die nodig zijn voor het bestaan van een elektrische stroom, zijn er: de aanwezigheid van gratis elektrische ladingen in de omgeving en het creëren van een elektrisch veld in de omgeving. Het elektrische veld in het medium is nodig om een gerichte beweging van vrije ladingen te creëren. Zoals bekend wordt een lading q in een elektrisch veld van sterkte E beïnvloed door een kracht F = qE, die de vrije ladingen dwingt in de richting van het elektrische veld te bewegen. Een teken van het bestaan van een elektrisch veld in de geleider is de aanwezigheid van een potentiaalverschil dat niet nul is tussen twee willekeurige punten van de geleider.

Echter, elektrische krachten kan niet lange tijd elektriciteit onderhouden. De gerichte beweging van elektrische ladingen leidt na verloop van tijd tot vereffening van de potentialen aan de uiteinden van de geleider en bijgevolg tot het verdwijnen van het elektrische veld daarin. Om de stroom in het elektrische circuit te behouden, moeten de ladingen, naast de Coulomb-krachten, worden beïnvloed door niet-elektrische krachten (externe krachten). Een apparaat dat externe krachten creëert, een potentiaalverschil in het circuit handhaaft en omzet verschillende soorten energie in elektrische energie heet een stroombron.

Voorwaarden voor het bestaan van een elektrische stroom:

De aanwezigheid van gratis vervoerders

de aanwezigheid van een potentiaalverschil. dit zijn de voorwaarden voor het optreden van stroom. om de huidige te laten bestaan

een gesloten circuit

een bron van externe krachten die een potentiaalverschil in stand houdt.

Alle krachten die op elektrisch geladen deeltjes inwerken, met uitzondering van elektrostatische (Coulomb) krachten, worden externe krachten genoemd.

Elektromotorische kracht.

Elektromotorische kracht (EMF) is een scalaire fysieke grootheid die het werk van externe (niet-potentiële) krachten kenmerkt in bronnen van constante of wisselstroom. In een gesloten geleidend circuit is de EMF gelijk aan het werk van deze krachten bij het verplaatsen van een enkele positieve lading langs het circuit.

De eenheid van EMF is, net als spanning, de volt. We kunnen praten over de elektromotorische kracht in elk deel van het circuit. De elektromotorische kracht van een galvanische cel is numeriek gelijk aan het werk van externe krachten bij het verplaatsen van een enkele positieve lading in de cel van de negatieve pool naar de positieve. Het teken van de EMF wordt bepaald afhankelijk van de willekeurig gekozen richting van het omzeilen van dat gedeelte van het circuit waarop de gegeven stroombron is ingeschakeld.

Wet van Ohm voor een compleet circuit.

Beschouw het eenvoudigste complete circuit, bestaande uit een stroombron en een weerstand met een weerstand R. Een stroombron met een EMF ε heeft een weerstand r, dit wordt de interne weerstand van de stroombron genoemd. Om de wet van Ohm voor een compleet circuit te verkrijgen, gebruiken we de wet van behoud van energie.

Laat een lading q in de tijd Δt door de doorsnede van de geleider gaan. Dan, volgens de formule, is het werk van externe krachten bij het verplaatsen van de lading q gelijk aan . Uit de definitie van stroomsterkte hebben we: q = IΔt. Vervolgens, .

Door het werk van externe krachten tijdens het passeren van stroom in het circuit, komt er een hoeveelheid warmte vrij op de externe en interne secties van het circuit, volgens de wet van Joule-Lenz gelijk aan:

Volgens de wet van behoud van energie A st \u003d Q, daarom is dus de EMF van de stroombron gelijk aan de som van de spanningsdalingen in de externe en interne secties van het circuit.

TEMPERATUUR EN HAAR METING.

[V]=J. Q=DU.

THERMISCHE PROCESSEN.

smelten en kristalliseren.

Dezelfde stof kan zich onder bepaalde omstandigheden in vaste, vloeibare en gasvormige toestand bevinden, aggregaat genoemd.

DE OVERGANG VAN VASTE NAAR VLOEIBARE STAAT WORDT Smelten genoemd. Smelten vindt plaats bij een temperatuur die het smeltpunt wordt genoemd. De smeltpunten van stoffen zijn verschillend, omdat hun structuur is anders. Smeltpunt - tabelwaarde. Tijdens het smeltproces verandert de temperatuur niet, omdat: de toegevoerde warmte wordt besteed aan de vernietiging van het kristalrooster van de vaste stof.

DE HOEVEELHEID WARMTE DIE NODIG IS OM 1 KG VAN EEN VASTE STOF, OPGENOMEN BIJ DE Smelttemperatuur, IN EEN VLOEISTOF VAN DEZELFDE TEMPERATUUR TE TRANSFORMEREN, WORDT DE SPECIFIEKE HITTE VAN HET SMELTEN GENOEMD. [l]=J/kg.

KRISTALLISERING IS HET PROCES VAN OVERGANG VAN EEN STOF VAN EEN VLOEIBARE STAAT NAAR EEN VASTE STOF. Het smeltpunt van een stof is gelijk aan de kristallisatietemperatuur. Net als bij het smeltproces verandert de temperatuur niet tijdens de kristallisatie, omdat: tijdens kristallisatie komt de warmte vrij die ooit werd besteed aan het smelten van het lichaam. Het houdt de temperatuur van het kristalliserende lichaam constant. In overeenstemming met de wet van behoud van energie, wordt bij het berekenen van de hoeveelheid warmte die vrijkomt tijdens kristallisatie dezelfde formule gebruikt als tijdens het smelten. Om de richting van de warmteoverdracht aan te geven, wordt er een minteken in geïntroduceerd.

Verdamping en condensatie.

VERDAMPING IS HET PROCES VAN DE OVERGANG VAN EEN STOF VAN EEN VLOEISTOF NAAR EEN GASTAAT. Vloeibare moleculen trekken elkaar aan, dus alleen de snelste moleculen met hoge kinetische energie kunnen uit de vloeistof vliegen. Als er geen warmtetoevoer is, neemt de temperatuur van de verdampende vloeistof af. De verdampingssnelheid is afhankelijk van de temperatuur van de vloeistof, het oppervlak, het type vloeistof en de aanwezigheid van wind over het oppervlak.

CONDENSATIE IS DE TRANSFORMATIE VAN EEN VLOEISTOF IN DAMP. In een open vat is de verdampingssnelheid groter dan de condensatiesnelheid. In een gesloten vat zijn de verdampings- en condensatiesnelheden gelijk.

Wanneer de vloeistof aan de onderkant en de wanden van het vat wordt verwarmd, begint de afgifte van in de vloeistof opgeloste lucht. In deze bubbels verdampt de vloeistof. Onder invloed van de Archimedische kracht breken de bellen los van de wanden van het vat en drijven ze omhoog. Ze vallen in de nog onverwarmde vloeistof, de damp condenseert. De bubbels vallen in elkaar. Tegelijkertijd is een karakteristiek geluid te horen.

Wanneer de vloeistof wordt verwarmd, stopt de condensatie van damp in de bellen. En de dampbel, die groter wordt door voortdurende verdamping, bereikt het oppervlak van de vloeistof, barst open en laat de daarin aanwezige damp in de atmosfeer vrij. De vloeistof kookt. KOKEN IS EEN VERDAMPING DIE OPtrad OVER HET GEHELE VOLUME VAN DE VLOEISTOF . Koken vindt plaats bij een temperatuur die het kookpunt wordt genoemd en die afhangt van het type vloeistof en de druk boven het oppervlak. Wanneer de externe druk afneemt, neemt het kookpunt van een vloeistof af. Tijdens het kookproces blijft de temperatuur van de vloeistof namelijk constant. de input-energie wordt besteed aan het overwinnen van de wederzijdse aantrekkingskracht van vloeibare moleculen.

DE HOEVEELHEID WARMTE DIE NODIG IS OM 1 KG VLOEISTOF IN STOOM VAN DEZELFDE TEMPERATUUR TE TRANSFORMEREN, WORDT DE SPECIFIEKE WARMTE VAN VERDAMPEN genoemd. [L] = J/kg. De soortelijke verdampingswarmte voor verschillende vloeistoffen is verschillend en de numerieke waarde is een tabelwaarde. Om de hoeveelheid warmte te berekenen die nodig is voor het verdampen van een vloeistof, is het noodzakelijk om de soortelijke verdampingswarmte van deze vloeistof te vermenigvuldigen met de massa van de verdampte vloeistof.

Wanneer stoom condenseert, komt dezelfde hoeveelheid warmte vrij die werd besteed aan de verdamping ervan. Intensieve condensatie van stoom vindt plaats bij een condensatietemperatuur gelijk aan het kookpunt.

Verbranding van de brandstof.

Tijdens de verbranding van brandstof worden koolstofdioxidemoleculen gevormd uit de koolstofatomen van de brandstof- en zuurstofatomen. atmosferische lucht. Dit oxidatieproces gaat gepaard met het vrijkomen van een grote hoeveelheid warmte. Karakteriseren verschillende soorten brandstof wordt geïntroduceerd SPECIFIEKE WARMTE VAN BRANDSTOFVERBRANDING - DE HOEVEELHEID WARMTE DIE ONTSTAAN BIJ VOLLEDIGE VERBRANDING VAN 1 KG BRANDSTOF . [q]=J/kg. Net als alle andere specifieke waarden is de soortelijke verbrandingswarmte van brandstof een tabelwaarde. Om de hoeveelheid warmte te berekenen die vrijkomt bij volledige verbranding van de brandstof, is het noodzakelijk om de soortelijke verbrandingswarmte van de brandstof te vermenigvuldigen met de massa van de brandstof.

Brandstofverbranding is een onomkeerbaar proces, d.w.z. het stroomt maar in één richting.

Wet van Coulomb.

Een puntlading is een lading die zich op een lichaam bevindt en waarvan de grootte en vorm onder bepaalde omstandigheden kunnen worden verwaarloosd. De wet van interactie van onbeweeglijke puntladingen werd experimenteel gevonden met behulp van torsiebalansen door Sh. Coulomb in 1785.

De torsiebalans is een licht isolerende balk met kleine geleidende balletjes aan de uiteinden, waarvan er één niet deelneemt aan het experiment, maar alleen als tegengewicht dient. De rocker is opgehangen aan een dunne elastische draad. Door het deksel van het apparaat wordt een derde identieke geladen bal naar binnen gelaten. Een van de rockerballen wordt aangetrokken door de ingebrachte bal. In dit geval wordt de lading tussen hen in tweeën gedeeld, d.w.z. op de ballen staan ladingen met dezelfde naam van dezelfde grootte. De ballen zullen van elkaar afketsen. De kracht van interactie tussen de ballen wordt gemeten door de draaihoek van de draad. De grootte van de lading kan worden gewijzigd door de derde bal van het apparaat te verwijderen en de lading ervan te verwijderen. Na introductie in het apparaat en een nieuwe scheiding van ladingen, blijft de helft van de initiële lading op de ballen. Door de grootte van de ladingen en de afstand ertussen te veranderen, ontdekte Coulomb dat: DE KRACHT VAN INTERACTIE VAN PUNTSLADEN IS RECHTSTREEKS EVENREDIG AAN DE LAADMODULES EN IS EVENREDIG EVENREDIG AAN HET VIERKANTE VAN DE AFSTAND TUSSEN HEN . Puntladingen zijn ladingen die zich bevinden op lichamen waarvan de grootte en vorm in deze specifieke situatie kunnen worden verwaarloosd.

F ~ q 1 , F~q 2 , F~1/r 2 Þ F~½q 1 ½½q 2 ½/r 2 .

Bovendien werd gevonden dat de kracht van interactie tussen ladingen in vacuüm groter is dan in welk diëlektrisch medium dan ook. De waarde die aangeeft hoe vaak de interactiekracht van ladingen in een vacuüm groter is dan in een bepaald medium, wordt de permittiviteit van het medium genoemd. De diëlektrische constante van het medium is een tabelwaarde.

e = F in /F. [e] = 1.

Er is experimenteel vastgesteld dat de evenredigheidscoëfficiënt in de wet van Coulomb k \u003d 9 * 1O 9 Nm 2 /C 2 de kracht is waarmee twee puntladingen van elk 1 C op een afstand van 1 m in vacuüm zouden interageren.

F = k |q 1 | |q 2 |/ er 2 .

De wet van Coulomb is ook geldig voor geladen ballen. In dit geval wordt r opgevat als de afstand tussen hun middelpunten.

WET VAN OHM VOOR EEN KETENSECTIE.

Een toename van het potentiaalverschil aan de uiteinden van de geleider veroorzaakt een toename van de stroom erin. Ohm heeft experimenteel bewezen dat de stroomsterkte in een geleider recht evenredig is met het potentiaalverschil erover.

Wanneer verschillende verbruikers op hetzelfde elektrische circuit zijn aangesloten, is de stroomsterkte daarin verschillend. Dit betekent dat verschillende verbruikers op verschillende manieren de doorgang van elektrische stroom door hen verhinderen. EEN FYSIEKE HOEVEELHEID DIE HET VERMOGEN VAN EEN GELEIDER KENMERKT OM TE VOORKOMEN DAT DE ELEKTRISCHE STROOM DOOR HAAR DOORGAAT, WORDT ELEKTRISCHE WEERSTAND GENOEMD . De weerstand van een gegeven geleider is een constante waarde bij een constante temperatuur. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de weerstand van metalen toe, terwijl die van vloeistoffen afneemt. [R] = Ohm. 1 Ohm is de weerstand van zo'n geleider, waardoor een stroom van 1 A vloeit met aan de uiteinden een potentiaalverschil van 1 V. De meest gebruikte metalen geleiders. De stroomdragers daarin zijn vrije elektronen. Wanneer ze langs een geleider bewegen, interageren ze met de positieve ionen van het kristalrooster, waardoor ze een deel van hun energie krijgen en snelheid verliezen. Gebruik de weerstandsbox om de gewenste weerstand te verkrijgen. Een weerstandsdoos is een set draadspoelen met bekende weerstanden die in de gewenste combinatie in de schakeling kunnen worden opgenomen.

Ohm heeft dat experimenteel gevonden DE HUIDIGE STERKTE IN EEN HOMOGEEN GEDEELTE VAN HET CIRCUIT IS RECHTSTREEKS EVENREDIG AAN HET POTENTILE VERSCHIL AAN DE EINDEN VAN DEZE SECTIE EN IS OEGERE EVENREDIG AAN DE WEERSTAND VAN DEZE SECTIE.

Een homogeen gedeelte van een circuit is een gedeelte waarin zich geen stroombronnen bevinden. Dit is de wet van Ohm voor een homogeen deel van het circuit - de basis van alle elektrische berekeningen.

Inclusief geleiders van verschillende lengtes, verschillende doorsneden, gemaakt van verschillende materialen, was gevonden: DE WEERSTAND VAN EEN GELEIDER IS RECHTSTREEKS EVENREDIG AAN DE LENGTE VAN DE GELEIDER EN IS EVENREDIG OMKEER MET HET DOORSNEDEN VAN DE DRUIS. DE WEERSTAND VAN EEN KUBUS MET EEN RAND VAN 1 METER, GEMAAKT VAN EEN STOF, INDIEN DE STROOM SCHORT OP DE TEGENOVERGESTELDE GEZICHTEN, WORDT DE SPECIFIEKE WEERSTAND VAN DEZE STOF GENOEMD . [r] \u003d Ohm m. Vaak wordt een niet-systemische eenheid van soortelijke weerstand gebruikt - de weerstand van een geleider met een dwarsdoorsnede van 1 mm 2 en een lengte van 1 m. [r] \ u003d Ohm mm 2 / m.

Weerstand stoffen - tabelwaarde. De weerstand van een geleider is evenredig met zijn soortelijke weerstand.

De werking van schuif- en stapreostaten is gebaseerd op de afhankelijkheid van de geleiderweerstand van zijn lengte. De schuifregelaar is een keramische cilinder met een nikkeldraad eromheen gewikkeld. De verbinding van de regelweerstand met het circuit wordt uitgevoerd met behulp van een schuifregelaar, die een grotere of kleinere lengte van de wikkeling in het circuit omvat. De draad is bedekt met een schaallaag, die de windingen van elkaar isoleert.

A) SERIE EN PARALLELLE VERBINDING VAN CONSUMENTEN.

Vaak zijn er meerdere stroomverbruikers in het elektrische circuit opgenomen. Dit komt doordat het niet rationeel is om elke consument zijn eigen stroombron te laten hebben. Er zijn twee manieren om consumenten aan te zetten: serie en parallel, en hun combinaties in de vorm van een gemengde verbinding.

a) Seriële aansluiting van verbruikers.

Bij serieschakeling vormen verbruikers een doorlopende keten waarin verbruikers na elkaar worden geschakeld. Bij een serieschakeling zijn er geen aftakkingen van de aansluitdraden. Beschouw voor de eenvoud een keten van twee in serie geschakelde verbruikers. Een elektrische lading die door een van de verbruikers is gegaan, gaat ook door de tweede, want. in de geleider die consumenten verbindt, kan er geen verdwijning, optreden en accumulatie van ladingen zijn. q=q1 =q2 . Door de verkregen vergelijking te delen door de tijd van stroomdoorgang door het circuit, krijgen we een relatie tussen de stroom die door de gehele verbinding vloeit en de stromen die door de secties ervan vloeien.

Het is duidelijk dat het werk van het verplaatsen van een enkele positieve lading door de verbinding bestaat uit het verplaatsen van deze lading door al zijn secties. Die. V \u003d V 1 + V 2 (2).

Het totale potentiaalverschil over in serie geschakelde verbruikers is gelijk aan de som van de potentiaalverschillen over verbruikers.

Deel beide delen van vergelijking (2) door de stroom in het circuit, we krijgen: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Die. de weerstand van het gehele in serie geschakelde gedeelte is gelijk aan de som van de weerstanden van de verbruikers van zijn componenten.

B) Parallelschakeling van verbruikers.

Dit is de meest gebruikelijke manier om consumenten in staat te stellen. Met deze aansluiting zijn alle verbruikers aangesloten op twee gemeenschappelijke punten voor alle verbruikers.

Bij het passeren van een parallelle verbinding, wordt de elektrische lading die door het circuit gaat, verdeeld in verschillende delen die door individuele consumenten gaan. Volgens de wet van behoud van lading q=q 1 +q 2 . Door deze vergelijking te delen door de looptijd van de lading, krijgen we de relatie tussen de totale stroom die door het circuit vloeit en de stromen die door individuele consumenten stromen.

Overeenkomstig de definitie van potentiaalverschil V=V 1 =V 2 (2).

Volgens de wet van Ohm voor een deel van het circuit, vervangen we de stroomsterkten in vergelijking (1) door de verhouding van het potentiaalverschil tot de weerstand. We krijgen: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. Na reductie: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,

die. de reciproke van de weerstand van een parallelle verbinding is gelijk aan de som van de reciproke van de weerstanden van de afzonderlijke takken.

KIRCHHOFF'S REGELS.

Voor de berekening van vertakte elektrische circuits worden de regels van Kirchhoff gebruikt.

Het punt in een circuit waar drie of meer draden elkaar kruisen, wordt een knoop genoemd. Volgens de wet van behoud van lading is de som van de stromen die het knooppunt binnenkomen en verlaten gelijk aan nul. I = O. (eerste regel van Kirchhoff). DE ALGEBRASCHE SOM VAN DE STROMINGEN DIE DOOR DE KNOOP GAAN IS NUL.

De stroom die het knooppunt binnenkomt, wordt als positief beschouwd en verlaat het knooppunt negatief. De richtingen van de stromen in de secties van het circuit kunnen willekeurig worden gekozen.

Vergelijking (2) houdt in dat BIJ HET OVERLEGGEN VAN EEN GESLOTEN CIRCUIT, IS DE ALGEBRASCHE SOM VAN DE SPANNING DALINGEN GELIJK AAN DE ALGEBRASCHE SOM VAN EMV IN DIT CIRCUIT , - (Kirchhoff's tweede regel).

De richting van de contouromleiding wordt willekeurig gekozen. De spanning in een gedeelte van het circuit wordt als positief beschouwd als de richting van de stroom in dit gedeelte samenvalt met de richting van het omzeilen van het circuit. EMF wordt als positief beschouwd als tijdens de bypass langs het circuit de bron van de negatieve naar de positieve pool gaat.

Als de keten m-knopen bevat, kan m - 1 vergelijking worden gemaakt volgens de eerste regel. Elke nieuwe vergelijking moet ten minste één . bevatten nieuw element. Het totale aantal vergelijkingen dat is samengesteld volgens de Kirchhoff-regels moet overeenkomen met het aantal segmenten tussen de knooppunten, d.w.z. met het aantal stromen.

PERMANENTE MAGNETEN.

De versterking van het magnetische veld van de solenoïde wanneer er een ijzeren kern in wordt geïntroduceerd, is te wijten aan het feit dat het ijzer in het magnetische veld wordt gemagnetiseerd en het magnetische veld, gesuperponeerd op het magnetische veld van de spoel, het versterkt. IJzer behoort tot sterk magnetische materialen, waaronder ook nikkel, kobalt, gadolinium en hun verbindingen. De magnetisatie van de ijzeren kern blijft behouden, zelfs nadat deze van de spoel is verwijderd. Het lichaam dat houdt magnetische eigenschappen wordt een permanente magneet genoemd. Elke permanente magneet heeft twee polen - noord en zuid. Dit zijn de plaatsen op de magneet waar het magnetische veld het grootst is. Zoals polen van magneten afstoten, trekken tegengestelde polen elkaar aan. De configuratie van het veld van permanente magneten is gemakkelijk te bestuderen met behulp van ijzervijlsel.

Natuurlijk gemagnetiseerde stukken ijzer of ijzererts werden al in het oude China gebruikt voor oriëntatie op de aarde, die zelf een enorme permanente magneet is. De magnetische zuidpool van de aarde bevindt zich in het gebied van de geografische noordpool, maar valt er niet mee samen, de magnetische noordpool bevindt zich in het gebied van de geografische zuidpool. De positie van de magnetische polen is niet constant. Bovendien suggereert de analyse van de sedimentaire gesteenten van de aarde dat het magnetische veld van de aarde herhaaldelijk van polariteit is veranderd. Het magnetisch veld van de aarde speelt een grote rol voor al het leven erop, omdat. het beschermt ons tegen een stroom van snelle deeltjes die vanuit de ruimte naar de aarde vliegen, voornamelijk van de zon. Wanneer deze flux verandert, observeert de aarde magnetische stormen- veranderingen op korte termijn in het magnetisch veld van de aarde, waardoor radiocommunicatie wordt verstoord, afwijkingen in de positie van magnetische naalden.

MAGNETISCH GEBIED VAN DE STROOM.

In 1820 ontdekte Oersted dat een magnetische naald naast een geleider die een elektrische stroom voert, roteert zodat zijn as samenvalt met de raaklijn aan de cirkel die deze geleider omringt.

In hetzelfde jaar ontdekte Ampere de interactie van geleiders met stroom en vond de wet waaraan deze interactie gehoorzaamt. De werking van een stroomvoerende geleider op een magnetische naald en de interactie van stroomvoerende geleiders kan worden verklaard door het feit dat een stroomvoerende geleider een magnetisch veld in zijn omgeving creëert, dat wordt gedetecteerd door een magnetische naald of een andere stroom. -dragende geleider.

Magnetisch veld - een speciaal soort materie gecreëerd door bewegende elektrische ladingen (stroom) en gedetecteerd door de actie op bewegende elektrische ladingen (stroom). Het magnetische veld plant zich voort in de ruimte met de snelheid van het licht. Het neemt af met toenemende afstand tot de stroom die het creëert. Het magnetische veld heeft energie.

Om magnetische velden te bestuderen, worden kleine magnetische naalden gebruikt, waarmee het werd gevonden handige manier grafische weergave van magnetische velden met behulp van magnetische lijnen. Een magnetische lijn is een lijn waarlangs de assen van kleine magnetische pijlen zich in een magnetisch veld bevinden. Het type magnetische lijnen wordt eenvoudig vastgesteld met behulp van kleine ijzervijlsel, gegoten op karton en in een magnetisch veld gebracht. In dit geval wordt het zaagsel, dat in het veld wordt gemagnetiseerd, in kettingen langs de magnetische lijnen gerangschikt. De richting van deze lijnen wordt genomen als de richting die de noordpool van de magnetische naald zou aangeven.

De magnetische lijnen van een rechtlijnige stroomvoerende geleider zijn cirkels, waarvan het middelpunt de stroomvoerende geleider is. De richting van de lijnen wordt bepaald door de gimlet-regel: als de translatiebeweging van de gimlet (rechterschroef) samenvalt met de richting van de stroom in de geleider, dan valt de draairichting van de gimlet-hendel samen met de richting van de magnetische lijnen.

De magnetische lijnen van een spoel met stroom (solenoïde) zijn gesloten krommen die de windingen van de spoel bedekken. De richting van deze lijnen is eenvoudig te bepalen door de volgende regel: als je de spoel neemt rechter hand zodat de gebogen vingers langs de stroom erin worden gericht, dan zal de gebogen duim de richting van de magnetische lijnen langs de as van de spoel aangeven.

Een spoel met stroom is een elektromagneet vergelijkbaar met een strip permanente magneet. Het magnetische veld van de spoel neemt toe met de toename van het aantal windingen en de stroomsterkte erin. Om het magnetische veld te versterken, wordt een ijzeren kern in de spoel gestoken. De plaats waar de magnetische lijnen de spoel verlaten is de noordpool van de elektromagneet, waar ze binnenkomen - de zuidpool.

Elektromagneten worden veel gebruikt in de techniek, zowel voor het verplaatsen van zware ijzeren onderdelen, ijzerschroot, als in veel elektrische en radiotechnische apparaten.

Een magnetisch veld werkt met een bepaalde kracht op een stroomvoerende geleider die zich daarin bevindt. Deze kracht wordt de ampèrekracht genoemd en is recht evenredig met de lengte van de geleider, de stroomsterkte erin. Het hangt ook af van de grootte van het veld en van de locatie van de geleider. De richting van de kracht van Ampère wordt bepaald door de linkerhandregel: als linkerhand geplaatst in een magnetisch veld zodat de magnetische lijnen de palm van je hand binnenkomen en vier uitgestrekte vingers de richting van de stroom aangeven, dan zal de gebogen duim de richting van de kracht aangeven.

De werking van een magnetisch veld op een stroomvoerende geleider wordt gebruikt in elektromotoren. elektrische motor Gelijkstroom bestaat uit een vast deel - de stator en een beweegbaar deel - de rotor. In de groeven van de stator wordt een spoel geplaatst, die een magnetisch veld creëert. De rotor is een spoel met vele windingen, waaraan de stroom wordt geleverd met behulp van sleepcontacten - borstels. Om het magnetische veld te vergroten, zijn de rotor en stator gemaakt van platen transformatorstaal, geïsoleerd van elkaar. De rotor wordt aangedreven door de Ampere-kracht. Om een constante rotatie te behouden, wordt de richting van de stroom in de rotorwikkeling periodiek gewijzigd met behulp van een collector, in het eenvoudigste geval twee halve ringen die in contact staan met de borstels. Wanneer de rotor beweegt, beweegt de borstel van de ene halve ring naar de andere, waardoor de richting van de stroom in de rotorspoel verandert. Dit geeft haar de mogelijkheid om nog een halve slag te draaien als de stroom weer van richting verandert.

Omdat Het rendement van elektromotoren (tot 98%) is veel hoger dan dat van thermische motoren, dan worden elektromotoren veel gebruikt in transport, fabrieken en fabrieken, enz. Elektromotoren zijn compact, vervuilen niet omgeving, gemakkelijk hanteerbaar.

OPTISCHE INSTRUMENTEN.

Camera.

De camera bestaat uit twee hoofdonderdelen: een lichtdichte camera en een lens. In het eenvoudigste geval kan een convergerende lens als objectief dienen. Om ervoor te zorgen dat het beeld over het hele fotoveld van hoge kwaliteit is, zijn de lenzen van moderne camera's complex Systeem lenzen, die over het algemeen de rol van een convergerende lens spelen. De lens van een camera geeft op een fotografische film bedekt met een lichtgevoelige laag een reëel, omgekeerd en in de regel een verkleind beeld van het te fotograferen object. De camera werkt op een dunne lensformule. Om een duidelijk (scherp) beeld van het object te krijgen, is de cameralens beweegbaar gemaakt. Door de lens te bewegen wordt de nodige scherpte van het beeld bereikt. De te fotograferen objecten kunnen tegelijkertijd aan staan verschillende afstanden van de camera. Scherptediepte wordt bereikt doordat het lensvenster gedeeltelijk kan worden geblokkeerd door het diafragma. Hoe kleiner raam de lens, hoe duidelijker de objecten die zich op verschillende afstanden van de camera bevinden in beeld komen.

Bij het fotograferen wordt de cameralens automatisch voor een korte tijd geopend, de belichtingstijd genoemd. Om het beeld zichtbaar te maken wordt de film in een speciale oplossing ontwikkeld en gefixeerd. Het resulterende beeld wordt een negatief genoemd, omdat. het heeft een achteruitrijlichttransmissie. Die plaatsen op de film die vielen meer licht, donkerder en vice versa. Om een fotokaart (positief) te verkrijgen, wordt het resulterende beeld met een fotovergroter op fotopapier geprojecteerd. Het papier wordt vervolgens ontwikkeld en gefixeerd.

Moderne camera's kunnen kleuren en zelfs driedimensionale beelden produceren. Sommige toestellen maken meteen een kant-en-klare foto. De ontwikkeling van de fotografie was film.

Fotografie wordt veel gebruikt in wetenschappelijke doeleinden, in technologie, forensisch onderzoek, enz. Het kan ons getuigen maken van historische gebeurtenissen. Artistieke fotografie is wijdverbreid.

projectie apparaat.

Het projectieapparaat wordt gebruikt om een reëel, vergroot, omgekeerd beeld van lichamen op het scherm te krijgen. Als een beeld wordt verkregen in doorvallend licht (foto en film, een beeld op glas), dan wordt het apparaat een diascoop genoemd, in gereflecteerd licht - een episcoop. Een combinatie van deze apparaten wordt vaak gebruikt - een epidiascoop. De diascoop bestaat uit een lichtbron, een condensor en een objectief. Om de verlichting van het scherm te vergroten, worden vaak één of meerdere spiegels achter de lichtbron geplaatst. De condensor (twee plano-convexe lenzen) stuurt het licht dat van de bron divergeert naar de lens. Het eenvoudigste objectief is een convergerende lens. Het op het scherm af te beelden object wordt tussen de condensor en de lens geplaatst. Beeldhelderheid wordt bereikt door de lens te bewegen.

Fotovergroters, filmoscopen, filmcamera's, overheadprojectoren zijn projectietoestellen.

Oog. Bril.

De structuur van het oog lijkt op een camera. Het bestaat uit: sclera - het buitenste deel van het oog dat het oog beschermt tegen mechanische schade; hoornvlies - voorste transparante deel van de sclera; de iris met een gat met variabele diameter erin - de pupil; lens - biconvexe lens; glasachtig lichaam dat het oogvolume vult; netvlies - zenuwuiteinden die informatie doorgeven aan de hersenen. De ruimte tussen het hoornvlies en de lens is gevuld met een waterige vloeistof, die voornamelijk licht breekt. Het oog werkt op een dunne lensformule. Omdat objecten kunnen zich op verschillende afstanden van het oog bevinden, om vervolgens een duidelijk beeld te krijgen, kan de kromming van de lens worden veranderd met behulp van de oogspieren. Het vermogen van het oog om een duidelijk beeld te geven van objecten op verschillende afstanden ervan, wordt accommodatie genoemd. De afstand waarop het oog het mogelijk maakt om zonder veel moeite kleine details van objecten te zien, wordt de afstand van het beste zicht genoemd. Voor een gezond oog is dit 25 cm. De dichtstbijzijnde limiet van accommodatie is ongeveer 12 cm. De scherptediepte wordt bepaald door het gebied van de pupil. Het netvlies bestaat uit staafjes voor zwart-witbeelden en kegels voor kleurenbeelden. Het beeld op het netvlies is echt, verkleind, omgekeerd. Driedimensionaal zicht geeft twee ogen.

Als het door het oog gecreëerde beeld voor het netvlies ligt, wordt het oog bijziend genoemd. Om een voorwerp te onderzoeken, brengt een bijziend persoon het dicht bij de ogen en spant hij de oogspieren sterk aan. Bijziendheid wordt gecorrigeerd door het dragen van een bril met divergerende glazen. Het verziende oog creëert een beeld achter het netvlies. Verziendheid wordt gecorrigeerd door het dragen van een bril met convergerende glazen. Opgemerkt moet worden dat zowel bijziendheid als verziendheid zullen toenemen als u geen bril gebruikt, omdat. tijdens het werken zullen de oogspieren overbelast raken.

TEMPERATUUR EN HAAR METING.

De studie van thermische verschijnselen moest onvermijdelijk een waarde geven die de mate van verwarming van lichamen kenmerkt - temperatuur. Wanneer lichamen in contact komen, als gevolg van de interactie van moleculen, wordt hun gemiddelde kinetische energie gelijk gemaakt. Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van moleculen. Het toont de richting van thermische processen, omdat. energie wordt spontaan overgedragen van meer verwarmde lichamen naar minder verwarmde, d.w.z. van lichamen met een hogere temperatuur tot lichamen met een lagere temperatuur. De temperatuur wordt gemeten met thermometers. Temperatuurmeting is gebaseerd op het tot stand brengen van thermisch evenwicht tussen lichamen die met elkaar in contact worden gebracht. In de praktijk worden vloeistofthermometers het meest gebruikt, die bij verhitting gebruik maken van een verandering in het volume van een vloeistof (kwik of alcohol). Uitzettend, de vloeistof stijgt door een glazen buis, waaronder zich een schaal bevindt. De referentiepunten (d.w.z. de punten waarop de temperatuurschaal is gebaseerd) in het door Celsius voorgestelde internationale praktische temperatuursysteem zijn het smeltpunt van ijs (O 0 C) en het kookpunt van water (1OOS0oTC). De afstand tussen deze punten op de schaal is verdeeld in 100 gelijke delen. Omdat Omdat de uitzetting van een vloeistof in verschillende temperatuurbereiken anders is, garandeert een vloeistofthermometer de juiste meting van alleen referentietemperaturen. Gasthermometers, die de afhankelijkheid van het gasvolume van de temperatuur bij constante druk of de afhankelijkheid van de gasdruk van de temperatuur bij constant volume gebruiken, zijn nauwkeuriger. Thermometers kunnen ook de afhankelijkheid gebruiken elektrische weerstand geleiders en halfgeleiders op temperatuur.

INTERNE ENERGIE EN MANIEREN VAN HAAR VERANDERING.

Elk lichaam is opgebouwd uit een enorm aantal moleculen. De moleculen van lichamen zijn constant in beweging, daarom hebben ze kinetische energie. Moleculen van vaste en vloeibare lichamen interageren met elkaar, wat betekent dat ze ook potentiële energie hebben. DE SOM VAN DE KINETISCHE EN POTENTILE ENERGIE VAN DE MOLECULEN DIE HET LICHAAM SAMENSTELLEN, WORDT DE INTERNE ENERGIE genoemd. [U]=J. De interne energie omvat ook de energie van de deeltjes waaruit de atomen bestaan.

De interne energie van een lichaam kan veranderen tijdens verschillende thermische processen. Dus bij verhitting neemt bijvoorbeeld de bewegingssnelheid van moleculen toe, en daarmee hun kinetische energie. Wanneer een lichaam wordt verwarmd, neemt het volume toe, veranderen de afstanden tussen moleculen en daardoor verandert ook de potentiële energie van hun interactie. Veranderingen in interne energie kunnen worden beoordeeld aan de hand van veranderingen in lichaamstemperatuur. Naarmate de temperatuur van een lichaam stijgt, neemt de interne energie toe.

Interne energie kan op twee fundamenteel verschillende manieren worden veranderd.

1. Als er aan het lichaam wordt gewerkt, warmt het op, d.w.z. zijn innerlijke energie neemt toe. Als het lichaam zelf op externe lichamen werkt, neemt zijn interne energie af. A=DU.

2. Interne energie kan ook worden veranderd door warmteoverdracht. WARMTE-OVERDRACHT, OF WARMTE-OVERDRACHT, IS HET PROCES VAN HET VERANDEREN VAN DE INTERNE ENERGIE ZONDER WERK TE DOEN. Een waterkoker die op een heet fornuis staat, krijgt dus energie door warmteoverdracht.

Er zijn drie soorten warmteoverdracht: thermische geleidbaarheid - de overdracht van energie door deze uit te wisselen met moleculen tijdens hun interactie; convectie - de overdracht van energie door stromen van verwarmde vloeistof of gas; straling - de overdracht van energie door elektromagnetische golven. Bovendien vereist het laatste type warmteoverdracht geen direct contact van de lichamen of de aanwezigheid van enige stof daartussen.

De maat voor de overgedragen thermische energie tijdens warmteoverdracht is DE HOEVEELHEID WARMTE - DAT DEEL VAN DE INTERNE ENERGIE DAT HET LICHAAM ONTVANGT OF AFgeeft TIJDENS DE WARMTEOVERDRACHT. [V]=J. Q=DU.

THERMISCHE PROCESSEN.

Onderwerpen van de USE-codeerder Trefwoorden: interne energie, warmteoverdracht, soorten warmteoverdracht.

De deeltjes van elk lichaam - atomen of moleculen - voeren een chaotische onophoudelijke beweging uit (de zogenaamde thermische beweging). Daarom heeft elk deeltje enige kinetische energie.

Bovendien werken de materiedeeltjes met elkaar in wisselwerking door de krachten van elektrische aantrekking en afstoting, evenals door kernkrachten. Daarom heeft het hele systeem van deeltjes van een bepaald lichaam ook potentiële energie.

De kinetische energie van de thermische beweging van deeltjes en de potentiële energie van hun interactie vormen samen een nieuw type energie die niet wordt gereduceerd tot de mechanische energie van het lichaam (d.w.z. de kinetische energie van de beweging van het lichaam als geheel en de potentiële energie van zijn interactie met andere lichamen). Dit type energie wordt interne energie genoemd.

De interne energie van een lichaam is de totale kinetische energie van de thermische beweging van zijn deeltjes plus de potentiële energie van hun interactie met elkaar.

De interne energie van een thermodynamisch systeem is de som van de interne energieën van de lichamen in het systeem.

De interne energie van het lichaam wordt dus gevormd door de volgende termen.

1. Kinetische energie van continue chaotische beweging van lichaamsdeeltjes.
2. Potentiële energie van moleculen (atomen), door de krachten van intermoleculaire interactie.
3. Energie van elektronen in atomen.
4. Intranucleaire energie.

Wanneer het eenvoudigste model stof - een ideaal gas - voor de interne energie kun je een expliciete formule krijgen.

Interne energie van een monoatomisch ideaal gas

De potentiële energie van interactie tussen deeltjes van een ideaal gas is nul (herinner je dat we in het ideale gasmodel de interactie van deeltjes op afstand verwaarlozen). Daarom wordt de interne energie van een monoatomair ideaal gas gereduceerd tot de totale kinetische energie van de translatie (voor een polyatomisch gas moet men ook rekening houden met de rotatie van moleculen en trillingen van atomen binnen moleculen) van zijn atomen. Deze energie kan worden gevonden door het aantal gasatomen te vermenigvuldigen met de gemiddelde kinetische energie van één atoom:

We zien dat de interne energie van een ideaal gas (massa en chemische samenstelling die onveranderd zijn) is alleen een functie van de temperatuur. Voor een echt gas, vloeistof of vaste stof, zal de interne energie ook afhangen van het volume - immers, wanneer het volume verandert, verandert de relatieve positie van de deeltjes en als gevolg daarvan de potentiële energie van hun interactie.

Statusfunctie

De belangrijkste eigenschap van interne energie is dat het staatfunctie thermodynamisch systeem. De interne energie wordt namelijk op unieke wijze bepaald door een reeks macroscopische parameters die het systeem karakteriseren en is niet afhankelijk van de "prehistorie" van het systeem, d.w.z. over de staat waarin het systeem zich voorheen bevond en hoe specifiek het in deze staat terecht is gekomen.

Dus tijdens de overgang van een systeem van de ene toestand naar de andere, wordt de verandering in zijn interne energie alleen bepaald door de begin- en eindtoestand van het systeem en hangt niet af van het overgangspad van de begintoestand naar de eindtoestand. Als het systeem terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, is de verandering in zijn interne energie nul.

De ervaring leert dat er maar twee manieren zijn om de interne energie van het lichaam te veranderen:

Mechanische werkzaamheden uitvoeren;
warmte overdracht.

Simpel gezegd, je kunt de waterkoker in principe met slechts twee verwarmen verschillende manieren: wrijf het ergens mee of steek het in brand :-) Laten we deze methoden in meer detail bekijken.

Verandering in interne energie: werk doen

Als het werk gedaan is bovenstaande lichaam, neemt de interne energie van het lichaam toe.

Een spijker wordt bijvoorbeeld nadat hij met een hamer is geraakt, warm en vervormt een beetje. Maar temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes van een lichaam. Het verwarmen van een spijker duidt op een toename van de kinetische energie van zijn deeltjes: in feite worden de deeltjes versneld door een hamerslag en door wrijving van de spijker tegen de plank.

Vervorming is niets anders dan de verplaatsing van deeltjes ten opzichte van elkaar; Na de impact ondergaat de nagel compressievervorming, de deeltjes naderen elkaar, de afstotende krachten ertussen nemen toe, en dit leidt tot een toename van de potentiële energie van de nageldeeltjes.

De interne energie van de nagel is dus toegenomen. Dit was het resultaat van het werk dat eraan werd gedaan - het werk werd gedaan door de hamer en de wrijvingskracht op het bord.

Als het werk gedaan is door onszelf lichaam, dan neemt de interne energie van het lichaam af.

Laat bijvoorbeeld perslucht in een thermisch geïsoleerd vat onder een zuiger uitzetten en een bepaalde last optillen en daarbij arbeid verrichten (het proces in een thermisch geïsoleerd vat heet adiabatisch. We zullen het adiabatische proces bestuderen aan de hand van de eerste wet van de thermodynamica). Tijdens zo'n proces wordt de lucht gekoeld - de moleculen, die achter de bewegende zuiger aan slaan, geven het een deel van hun kinetische energie. (Op dezelfde manier maakt een voetballer, die een snel vliegende bal stopt met zijn voet, een beweging met zijn voet van bal en dooft zijn snelheid.) Daarom neemt de interne energie van de lucht af.

Lucht werkt dus vanwege zijn interne energie: aangezien het vat thermisch is geïsoleerd, is er geen energie-instroom naar lucht van externe bronnen, en lucht kan alleen energie uit zijn eigen reserves halen om werk te doen.

Verandering in interne energie: warmteoverdracht

Warmteoverdracht is het proces van overdracht van interne energie van een heter lichaam naar een kouder lichaam, niet geassocieerd met de uitvoering van mechanisch werk.. Warmteoverdracht kan worden uitgevoerd door direct contact van de lichamen of door een tussenmedium (en zelfs door vacuüm). Warmteoverdracht wordt ook wel warmte uitwisseling.

Er zijn drie soorten warmteoverdracht: geleiding, convectie en warmtestraling.

Nu zullen we ze in meer detail bekijken.

Warmtegeleiding

Als je een ijzeren staaf met één uiteinde in het vuur steekt, dan kun je hem, zoals we weten, niet lang in je hand houden. In de omgeving komen hoge temperatuur, beginnen ijzeratomen intenser te trillen (d.w.z. verwerven extra kinetische energie) en brengen hun buren sterkere klappen toe.

De kinetische energie van naburige atomen neemt ook toe, en nu geven deze atomen extra kinetische energie aan hun buren. Dus, van sectie tot sectie, verspreidt de warmte zich geleidelijk langs de staaf - van het uiteinde dat in het vuur wordt geplaatst tot onze hand. Dit is thermische geleidbaarheid (Fig. 1) (Afbeelding van educationelectronicsusa.com).

Rijst. 1. Thermische geleidbaarheid:

Thermische geleidbaarheid is de overdracht van interne energie van meer verwarmde delen van het lichaam naar minder verwarmde delen als gevolg van thermische beweging en de interactie van lichaamsdeeltjes..

Warmtegeleiding verschillende stoffen verschillend. Metalen hebben een hoge thermische geleidbaarheid: zilver, koper en goud zijn de beste warmtegeleiders. De thermische geleidbaarheid van vloeistoffen is veel minder. Gassen geleiden de warmte zo slecht dat ze al tot warmte-isolatoren behoren: door de grote afstanden ertussen gaan gasmoleculen zwak met elkaar om. Daarom worden bij ramen bijvoorbeeld dubbele kozijnen gemaakt: een luchtlaagje voorkomt dat warmte ontsnapt).

Daarom zijn poreuze lichamen, zoals baksteen, wol of bont, slechte warmtegeleiders. Ze bevatten lucht in hun poriën. niet zonder reden bakstenen huizen worden als de warmste beschouwd en bij koud weer dragen mensen bontjassen en jacks met een laag dons of synthetische winterjas.

Maar als de lucht de warmte zo slecht geleidt, waarom warmt de kamer dan op van de batterij?

Dit gebeurt door een ander type warmteoverdracht - convectie.

Convectie

Convectie is de overdracht van interne energie in vloeistoffen of gassen als gevolg van circulatie van stromen en vermenging van materie.

De lucht in de buurt van de batterij warmt op en zet uit. De zwaartekracht die op deze lucht inwerkt, blijft hetzelfde, maar de opwaartse kracht van de omringende lucht neemt toe, zodat de verwarmde lucht naar het plafond begint te drijven. In zijn plaats komt koude lucht(hetzelfde proces, maar op veel grotere schaal, gebeurt constant in de natuur: zo ontstaat de wind), waarmee hetzelfde wordt herhaald.

Als gevolg hiervan wordt luchtcirculatie tot stand gebracht, wat dient als een voorbeeld van convectie - de verdeling van warmte in de kamer wordt uitgevoerd door luchtstromen.

Een volledig analoog proces kan worden waargenomen in een vloeistof. Wanneer je een waterkoker of een pan water op het fornuis zet, wordt het water voornamelijk verwarmd door convectie (de bijdrage van de thermische geleidbaarheid van water is hier zeer onbeduidend).

Convectiestromen in lucht en vloeistof worden getoond in Fig. 2 (afbeeldingen van physics.arizona.edu).

Rijst. 2. Convectie

BIJ vaste stoffen er is geen convectie: de interactiekrachten van deeltjes zijn groot, deeltjes oscilleren nabij vaste ruimtelijke punten (knooppunten kristalrooster), en onder dergelijke omstandigheden kunnen zich geen stromen van materie vormen.

Voor de circulatie van convectiestromen bij het verwarmen van een ruimte is het noodzakelijk dat de verwarmde lucht er was ruimte om te drijven. Als de radiator onder het plafond wordt geïnstalleerd, vindt er geen circulatie plaats - warme lucht dus onder het plafond en zal blijven. Daarom worden er verwarmingstoestellen geplaatst aan de onderkant kamers. Om dezelfde reden zetten ze de waterkoker aan op de vuur, waardoor de verwarmde waterlagen, opstijgend, plaatsmaken voor koudere.

Integendeel, de airconditioner moet zo hoog mogelijk worden geplaatst: dan begint de gekoelde lucht te zakken en komt er warmere lucht voor in de plaats. De circulatie zal in de tegenovergestelde richting gaan in vergelijking met de beweging van stromen bij het verwarmen van de kamer.

thermische straling

Hoe krijgt de aarde energie van de zon? Warmtegeleiding en convectie zijn uitgesloten: we zijn gescheiden door 150 miljoen kilometer luchtloze ruimte.

Hier is het derde type warmteoverdracht - thermische straling. Straling kan zich zowel in materie als in vacuüm voortplanten. Hoe ontstaat het?

Het blijkt dat elektrische magnetisch veld nauw verwant aan elkaar en hebben één opmerkelijke eigenschap. Als een elektrisch veld verandert met de tijd, dan genereert het een magnetisch veld, dat over het algemeen ook verandert met de tijd (meer hierover wordt besproken in de folder over elektromagnetische inductie). Op zijn beurt genereert een wisselend magnetisch veld een wisselend elektrisch veld, dat weer een wisselend magnetisch veld genereert, dat weer een elektrisch wisselend veld genereert ...

Als gevolg van de ontwikkeling van dit proces, elektromagnetische golf- "aan elkaar verslaafd" elektrische en magnetische velden. Vind het geluid leuk elektromagnetische golven een voortplantingssnelheid en -frequentie hebben - in dit geval is dit de frequentie waarmee de grootte en richting van de velden in de golf fluctueren. zichtbaar licht - speciaal geval elektromagnetische golven.

De voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven in vacuüm is enorm: km/s. Dus, van de aarde naar de maan, reist het licht iets meer dan een seconde.

Het frequentiebereik van elektromagnetische golven is erg breed. We zullen meer praten over de omvang van elektromagnetische golven in het bijbehorende blad. Hier merken we alleen op dat zichtbaar licht een klein bereik van deze schaal is. Daaronder liggen de frequenties van infraroodstraling, daarboven de frequenties van ultraviolette straling.

Bedenk nu dat atomen, die over het algemeen elektrisch neutraal zijn, positief geladen protonen en negatief geladen elektronen bevatten. Deze geladen deeltjes, die samen met atomen een chaotische beweging maken, creëren afwisselende elektrische velden en stralen daardoor elektromagnetische golven uit. Deze golven heten thermische straling- als een herinnering dat hun bron de thermische beweging van materiedeeltjes is.

Elk lichaam is een bron van thermische straling. In dit geval voert de straling een deel van zijn interne energie weg. Nadat ze de atomen van een ander lichaam hebben ontmoet, versnelt de straling ze met zijn oscillerende elektrisch veld en de interne energie van dit lichaam neemt toe. Zo koesteren we ons in de zon.

Bij gewone temperaturen liggen de frequenties van thermische straling in het infraroodbereik, zodat het oog het niet waarneemt (we zien niet hoe we "gloeien"). Wanneer een lichaam wordt verwarmd, beginnen de atomen golven met hogere frequenties uit te zenden. Een ijzeren spijker kan roodgloeiend zijn - op een zodanige temperatuur gebracht dat de thermische straling in het onderste (rode) deel van het zichtbare bereik gaat. En de zon lijkt ons geelwit: de temperatuur op het oppervlak van de zon is zo hoog dat er in het spectrum van zijn straling alle frequenties van zichtbaar licht zijn, en zelfs ultraviolet, waardoor we zonnebaden.

Laten we nog eens kijken naar de drie soorten warmteoverdracht (Figuur 3) (afbeeldingen van beodom.com).

Rijst. 3. Drie soorten warmteoverdracht: geleiding, convectie en straling

1. Er zijn twee soorten mechanische energie: kinetische en potentiële. Elk bewegend lichaam heeft kinetische energie; het is recht evenredig met de massa van het lichaam en het kwadraat van zijn snelheid. Potentiële energie wordt bezeten door lichamen die met elkaar in wisselwerking staan. De potentiële energie van een lichaam dat in wisselwerking staat met de aarde is recht evenredig met zijn massa en de afstand tussen
hem en het aardoppervlak.

De som van de kinetische en potentiële energie van een lichaam wordt de totale mechanische energie genoemd.. De totale mechanische energie hangt dus af van de snelheid van het lichaam en van zijn positie ten opzichte van het lichaam waarmee het in wisselwerking staat.

Als het lichaam energie heeft, kan het werk doen. Wanneer het werk is gedaan, verandert de energie van het lichaam. De waarde van werk is gelijk aan de verandering in energie.

2. Als lucht in een dikwandige pot wordt gepompt die is afgesloten met een kurk, waarvan de bodem bedekt is met water (afb. 67), dan zal na enige tijd de kurk uit de pot vliegen en zal er mist in de pot ontstaan.

Dit komt door het feit dat er in de lucht in de pot waterdamp is, die wordt gevormd tijdens de verdamping van water. Het verschijnen van mist betekent dat de stoom in water is veranderd, d.w.z. gecondenseerd, en dit kan gebeuren als de temperatuur daalt. Daardoor is de temperatuur van de lucht in de bank gedaald.

De reden hiervoor is de volgende. De kurk vloog uit het blik, omdat de lucht daar met een bepaalde kracht op inwerkte. De lucht bij de uitgang van de kurk deed het werk. Het is bekend dat een lichaam arbeid kan verrichten als het energie heeft. Daarom heeft de lucht in de pot energie.

Toen de lucht werkte, daalde de temperatuur en veranderde de toestand. Tegelijkertijd veranderde de mechanische energie van de lucht niet: noch de snelheid, noch de positie ten opzichte van de aarde veranderde. Daarom werd het werk niet gedaan vanwege mechanische, maar vanwege andere energie. Deze energie is interne energie de lucht in het blik.

3. De interne energie van een lichaam is de som van de kinetische energie van de beweging van zijn moleculen en de potentiële energie van hun interactie.

Moleculen hebben kinetische energie \((E_k) \) omdat ze in beweging zijn, en potentiële energie \((E_p) \) omdat ze op elkaar inwerken.

Interne energie wordt aangegeven met de letter \ (U \) . De eenheid van interne energie is 1 joule (1 J).

\[ U=E_k+E_p \]

4. Hoe groter de bewegingssnelheid van moleculen, hoe hoger de temperatuur van het lichaam. interne energie hangt af van lichaamstemperatuur. Om een stof van een vaste toestand naar een vloeibare toestand over te brengen, bijvoorbeeld om ijs in water te veranderen, moet je er energie aan toevoegen. Daarom zal water meer interne energie hebben dan ijs met dezelfde massa, en daarom interne energie hangt af van de aggregatietoestand van het lichaam.

De interne energie van een lichaam is niet afhankelijk van zijn beweging als geheel en van zijn interactie met andere lichamen. Dus de interne energie van een bal die op een tafel en op de vloer ligt, is hetzelfde, evenals een bal die stilstaat en op de vloer rolt (als we natuurlijk de weerstand tegen zijn beweging verwaarlozen).

De verandering in interne energie kan worden beoordeeld aan de hand van de waarde van het verrichte werk. Bovendien, aangezien de interne energie van een lichaam afhangt van zijn temperatuur, kan de verandering in lichaamstemperatuur worden gebruikt om de verandering in zijn interne energie te beoordelen.

5. Interne energie kan worden veranderd door te werken. Dus in het beschreven experiment nam de interne energie van lucht en waterdamp in de pot af toen ze het werk deden om de kurk eruit te duwen. Tegelijkertijd daalde de temperatuur van lucht en waterdamp, zoals blijkt uit het verschijnen van mist.

Als een stuk lood meerdere keren met een hamer wordt geraakt, kan zelfs door aanraking worden vastgesteld dat het stuk lood zal opwarmen. Dientengevolge nam zijn interne energie, evenals de interne energie van de hamer, toe. Dit gebeurde omdat er aan een stuk lood was gewerkt.

Als het lichaam zelf werkt, neemt de interne energie af, en als er aan wordt gewerkt, neemt de interne energie toe.

Als in een glas koud water gieten heet water, dan zal de temperatuur van het warme water dalen en de temperatuur van het koude water stijgen. In dit geval wordt er geen werk gedaan, maar neemt de interne energie van warm water af, zoals blijkt uit de verlaging van de temperatuur.

Omdat in het begin de temperatuur van warm water hoger was dan de temperatuur van koud water, is de interne energie van warm water groter. Dit betekent dat heetwatermoleculen meer kinetische energie hebben dan koudwatermoleculen. Deze energie wordt tijdens botsingen door heetwatermoleculen overgedragen op koudwatermoleculen, en de kinetische energie van koudwatermoleculen neemt toe. De kinetische energie van heetwatermoleculen neemt in dit geval af.

In het beschouwde voorbeeld mechanisch werk niet plaatsvindt, verandert de interne energie van lichamen door warmteoverdracht.

Warmteoverdracht is een methode om de interne energie van een lichaam te veranderen wanneer energie wordt overgedragen van het ene deel van het lichaam naar het andere of van het ene lichaam naar het andere zonder werk te doen.

Deel 1

1. De interne energie van een gas in een afgesloten vat met constant volume wordt bepaald door:

1) chaotische beweging van gasmoleculen
2) de beweging van het hele vat met gas
3) de interactie van het vat met gas en de aarde
4) de actie op het schip met het gas van externe krachten

2. De interne energie van een lichaam hangt af van:

A) lichaamsgewicht:
B) de positie van het lichaam ten opzichte van het aardoppervlak
B) de snelheid van het lichaam (bij afwezigheid van wrijving)

Goed antwoord

1) alleen A
2) alleen B
3) alleen B
4) alleen B en C

3. De interne energie van een lichaam is niet afhankelijk van

A) lichaamstemperatuur
B) lichaamsgewicht:
B) de positie van het lichaam ten opzichte van het aardoppervlak

Goed antwoord

1) alleen A
2) alleen B
3) alleen B
4) alleen A en B

4. Hoe verandert de interne energie van een lichaam als het wordt verwarmd?

1) neemt toe
2) neemt af
3) stijgt voor gassen, verandert niet voor vaste stoffen en vloeistoffen
4) verandert niet voor gassen, verhogingen voor vaste stoffen en vloeistoffen

5. De interne energie van een munt neemt toe als deze

1) verwarmen in heet water
2) onderdompelen in water van dezelfde temperatuur
3) laat het met een bepaalde snelheid bewegen
4) stijg boven het aardoppervlak uit

6. Een glas water staat op een tafel in de kamer en een ander glas water van dezelfde massa en dezelfde temperatuur staat op een plank die op een hoogte van 80 cm ten opzichte van de tafel hangt. De interne energie van een glas water op een tafel is:

1) interne energie van water op de plank
2) meer interne energie van water op de plank
3) minder interne energie van water op de plank
4) gelijk aan nul

7. Nadat het hete deel is neergelaten in koud water, interne energie

1) beide delen en water zullen toenemen
2) beide delen en water zullen afnemen
3) Delen zullen afnemen terwijl het water zal toenemen
4) Details zullen toenemen terwijl water zal afnemen

8. Een glas water staat op tafel in de kamer en een ander glas water van dezelfde massa en dezelfde temperatuur bevindt zich in een vliegtuig dat met een snelheid van 800 km/u vliegt. De interne energie van water in een vliegtuig

1) gelijk aan de interne energie van het water in de kamer
2) meer interne energie van water in de kamer
3) minder interne energie van water in de kamer
4) gelijk aan nul

9. Nadat heet water in een kopje op tafel is gegoten, interne energie

1) kopjes en water verhoogd
2) kopjes en water verminderd
3) kopjes verminderd terwijl het water toenam
4) kopjes namen toe terwijl het water afnam

10. Lichaamstemperatuur kan worden verhoogd als:

A. Werk eraan.
B. Geef hem wat warmte.

Goed antwoord

1) alleen A
2) alleen B
3) zowel A als B
4) noch A noch B

11. De loden bal wordt gekoeld in de koelkast. Hoe verandert de interne energie van de bal, zijn massa en de dichtheid van de substantie van de bal in dit geval? voor elk fysieke hoeveelheid bepalen van de juiste aard van de wijziging. Schrijf in de tabel de geselecteerde nummers voor elke fysieke hoeveelheid. Cijfers in het antwoord mogen worden herhaald.

FYSIEKE HOEVEELHEID
A) interne energie
B) massa
B) Dichtheid

AARD VAN DE VERANDERING
1) neemt toe
2) neemt af
3) verandert niet

12. Lucht wordt in de fles gepompt, goed afgesloten met een stop. Op een gegeven moment vliegt de kurk uit de fles. Wat gebeurt er met het luchtvolume, de interne energie en de temperatuur? Bepaal voor elke fysieke grootheid de aard van de verandering. Schrijf in de tabel de geselecteerde nummers voor elke fysieke hoeveelheid. Cijfers in het antwoord mogen worden herhaald.

FYSIEKE HOEVEELHEID
A) volume
B) interne energie
B) temperatuur

AARD VAN DE VERANDERING
1) neemt toe
2) neemt af
3) verandert niet