Vnitřní energie. Práce a přenos tepla jako způsoby změny vnitřní energie tělesa

Témata kodifikátoru jednotné státní zkoušky: vnitřní energie, přenos tepla, druhy přenosu tepla.

Částice jakéhokoli tělesa - atomy nebo molekuly - vykonávají chaotický nepřetržitý pohyb (tzv tepelný pohyb). Každá částice má tedy určitou kinetickou energii.

Navíc částice hmoty na sebe vzájemně působí prostřednictvím sil elektrické přitažlivosti a odpuzování, stejně jako prostřednictvím jaderných sil. Potenciální energii má tedy i celý systém částic daného tělesa.

Kinetická energie tepelného pohybu částic a potenciální energie jejich vzájemného působení spolu tvoří nový typ energie, která není redukována na mechanickou energii tělesa (tj. kinetická energie pohybu tělesa jako celku a potenciální energie jeho interakce s jinými tělesy). Tento typ energie se nazývá vnitřní energie.

Vnitřní energie tělesa je celková kinetická energie tepelného pohybu jeho částic plus potenciální energie jejich vzájemné interakce..

Vnitřní energie termodynamického systému je součtem vnitřních energií těles obsažených v systému.

Vnitřní energie těla je tedy tvořena následujícími pojmy.

1. Kinetická energie nepřetržitého chaotického pohybu tělesných částic.
2. Potenciální energie molekul (atomů) v důsledku sil mezimolekulární interakce.
3. Energie elektronů v atomech.
4. Vnitrojaderná energie.

V případě nejjednoduššího modelu hmoty - ideálního plynu - lze získat explicitní vzorec pro vnitřní energii.

Vnitřní energie monoatomického ideálního plynu

Potenciální energie interakce mezi částicemi ideálního plynu je nulová (připomeňme, že v modelu ideálního plynu zanedbáváme interakci částic na dálku). Vnitřní energie monoatomického ideálního plynu je proto redukována na celkovou kinetickou energii translačního (u víceatomového plynu je třeba vzít v úvahu i rotaci molekul a vibrace atomů v molekulách) pohybu jeho atomů. Tuto energii lze nalézt vynásobením počtu atomů plynu průměrnou kinetickou energií jednoho atomu:

Vidíme, že vnitřní energie ideálního plynu (jehož hmotnost a chemické složení se nemění) je funkcí pouze jeho teploty. U reálného plynu, kapaliny nebo pevné látky bude vnitřní energie záviset i na objemu - při změně objemu se totiž mění i vzájemné uspořádání částic a v důsledku toho i potenciální energie jejich interakce.

Stavová funkce

Nejdůležitější vlastností vnitřní energie je, že je státní funkce termodynamický systém. Vnitřní energie je totiž jednoznačně určena souborem makroskopických parametrů charakterizujících systém a nezávisí na „prehistorii“ systému, tzn. na tom, v jakém stavu byl systém předtím a jak konkrétně v tomto stavu skončil.

Když tedy systém přechází z jednoho stavu do druhého, změna jeho vnitřní energie je určena pouze počátečním a konečným stavem systému a nezávisí z cesty přechodu z výchozího stavu do konečného stavu. Pokud se systém vrátí do původního stavu, pak je změna jeho vnitřní energie nulová.

Zkušenosti ukazují, že existují pouze dva způsoby, jak změnit vnitřní energii těla:

Provádění mechanických prací;
přenos tepla.

Jednoduše řečeno, konvici můžete ohřívat pouze dvěma zásadně odlišnými způsoby: potírat ji něčím nebo ji zapálit :-) Pojďme se na tyto metody podívat podrobněji.

Změna vnitřní energie: vykonaná práce

Pokud je práce hotová výše těla, pak se zvyšuje vnitřní energie těla.

Například po úderu kladivem se hřebík zahřeje a mírně zdeformuje. Ale teplota je mírou průměrné kinetické energie částic v tělese. Zahřívání hřebíku ukazuje na zvýšení kinetické energie jeho částic: ve skutečnosti jsou částice urychlovány nárazem kladiva a třením hřebíku o desku.

Deformace není nic jiného než posunutí částic vůči sobě navzájem; Po nárazu dochází u hřebu k tlakové deformaci, jeho částice se k sobě přibližují, odpudivé síly mezi nimi se zvyšují, což vede ke zvýšení potenciální energie částic hřebu.

Vnitřní energie nehtu se tedy zvýšila. To byl výsledek práce, která se na něm dělala – práci odvedlo kladivo a třecí síla na desce.

Pokud je práce hotová sebe těla, pak vnitřní energie těla klesá.

Nechte např. stlačený vzduch v tepelně izolované nádobě pod pístem expandovat a zvedat určitou zátěž, čímž vykonává práci (proces v tepelně izolované nádobě se nazývá tzv. adiabatické. Budeme studovat adiabatický proces uvažováním prvního zákona termodynamiky). Během tohoto procesu se vzduch ochladí - jeho molekuly, narážející na pohybující se píst, mu dávají část své kinetické energie. (Stejně tak fotbalista, který nohou zastaví rychle letící míč, s ním udělá pohyb z míček a tlumí jeho rychlost.) Proto se vnitřní energie vzduchu zmenšuje.

Vzduch tedy pracuje na úkor své vnitřní energie: protože nádoba je tepelně izolována, nedochází k proudění energie do vzduchu z žádných vnějších zdrojů a vzduch může čerpat energii k práci pouze ze svých vlastních zásob. .

Změna vnitřní energie: přenos tepla

Přenos tepla je proces přenosu vnitřní energie z teplejšího tělesa na chladnější, který není spojen s výkonem mechanické práce.. K přenosu tepla může dojít buď přímým kontaktem těles, nebo přes mezilehlé médium (a dokonce i přes vakuum). Přenos tepla se také nazývá výměna tepla.

Existují tři typy přenosu tepla: vedení, proudění a tepelné záření.

Nyní se na ně podíváme podrobněji.

Tepelná vodivost

Pokud vložíte jeden konec železné tyče do ohně, pak, jak víme, nebudete ji držet v ruce dlouho. Jakmile jsou v oblasti vysoké teploty, atomy železa začnou vibrovat intenzivněji (tj. získávají další kinetickou energii) a způsobují silnější dopady na své sousedy.

Kinetická energie sousedních atomů se také zvyšuje a nyní tyto atomy předávají další kinetickou energii svým sousedům. Takže od sekce k sekci se teplo postupně šíří podél tyče - od konce položeného v ohni k naší ruce. Jedná se o tepelnou vodivost (obr. 1) (obrázek z educationelectronicsusa.com).

Rýže. 1. Tepelná vodivost

Tepelná vodivost je přenos vnitřní energie z více zahřátých oblastí těla do méně zahřátých v důsledku tepelného pohybu a interakce částic těla.

Tepelná vodivost různých látek je různá. Kovy mají vysokou tepelnou vodivost: nejlepšími vodiči tepla jsou stříbro, měď a zlato. Tepelná vodivost kapalin je mnohem menší. Plyny vedou teplo tak špatně, že jsou považovány za tepelné izolátory: molekuly plynu, kvůli velkým vzdálenostem mezi nimi, spolu slabě interagují. To je důvod, proč například okna mají dvojité rámy: vrstva vzduchu brání úniku tepla).

Porézní tělesa jako cihla, vata nebo kožešina jsou proto špatnými vodiči tepla. Obsahují vzduch ve svých pórech. Ne nadarmo jsou cihlové domy považovány za nejteplejší a v chladném počasí lidé nosí kožichy a bundy s vrstvou prachového peří nebo syntetické výplně.

Ale když vzduch tak špatně vede teplo, tak proč se místnost zahřívá od radiátoru?

To se děje kvůli jinému typu přenosu tepla - konvekci.

Proudění

Konvekce je přenos vnitřní energie v kapalinách nebo plynech v důsledku cirkulace toků a míšení hmoty.

Vzduch v blízkosti baterie se zahřívá a expanduje. Gravitační síla působící na tento vzduch zůstává stejná, ale vztlaková síla z okolního vzduchu se zvětšuje, takže ohřátý vzduch začne plout ke stropu. Na jeho místo přichází studený vzduch (stejný proces, ale v mnohem větším měřítku, se v přírodě neustále vyskytuje: takto vzniká vítr), s nímž se opakuje totéž.

V důsledku toho je zajištěna cirkulace vzduchu, která slouží jako příklad konvekce - šíření tepla v místnosti je prováděno proudy vzduchu.

Zcela podobný proces lze pozorovat v kapalinách. Když na sporák postavíte konvici nebo pánev s vodou, voda se ohřívá především konvekcí (příspěvek tepelné vodivosti vody je velmi nevýznamný).

Konvekční proudy ve vzduchu a kapalině jsou znázorněny na Obr. 2 (obrázky z fyziky.arizona.edu).

Rýže. 2. Konvekce

V pevných látkách nedochází k žádné konvekci: interakční síly mezi částicemi jsou velké, částice oscilují v blízkosti pevných prostorových bodů (uzlů krystalové mřížky) a za takových podmínek se nemohou tvořit žádné toky hmoty.

Pro cirkulaci konvekčních proudů při vytápění místnosti je nutné, aby ohřátý vzduch byl prostor se vynořit. Pokud je radiátor instalován pod stropem, pak nedojde k cirkulaci - teplý vzduch zůstane pod stropem. Proto jsou umístěna topná zařízení dole pokoje. Ze stejného důvodu se nasazuje konvice na oheň, v jehož důsledku zahřáté vrstvy vody, stoupající, ustupují chladnějším.

Naopak, klimatizace by měla být umístěna co nejvýše: pak začne ochlazený vzduch klesat a na jeho místo nastoupí teplejší vzduch. Cirkulace půjde v opačném směru než pohyb proudění při vytápění místnosti.

Tepelné záření

Jak Země přijímá energii ze Slunce? Tepelné vedení a konvekce jsou vyloučeny: dělí nás 150 milionů kilometrů bezvzduchového prostoru.

Funguje zde třetí typ přenosu tepla - tepelné záření. Záření se může šířit jak v hmotě, tak ve vakuu. Jak vzniká?

Ukazuje se, že elektrická a magnetická pole spolu úzce souvisí a mají jednu pozoruhodnou vlastnost. Mění-li se elektrické pole s časem, pak generuje magnetické pole, které se, obecně řečeno, s časem také mění (podrobněji o tom bude pojednáno v listu o elektromagnetické indukci). Střídavé magnetické pole zase generuje střídavé elektrické pole, které opět generuje střídavé magnetické pole, které opět generuje střídavé elektrické pole...

V důsledku vývoje tohoto procesu elektromagnetická vlna- elektrická a magnetická pole „zapojená“ do sebe. Elektromagnetické vlnění má stejně jako zvuk rychlost šíření a frekvenci – v tomto případě je to frekvence, se kterou ve vlně kolísá velikost a směr polí. Viditelné světlo je speciální případ elektromagnetických vln.

Rychlost šíření elektromagnetických vln ve vakuu je obrovská: km/s. Světlo tedy cestuje ze Země na Měsíc za něco málo přes sekundu.

Frekvenční rozsah elektromagnetických vln je velmi široký. O měřítku elektromagnetických vln si povíme více v příslušném letáku. Zde si jen všimneme, že viditelné světlo je nepatrný rozsah tohoto rozsahu. Pod ním jsou frekvence infračerveného záření, nad ním jsou frekvence ultrafialového záření.

Připomeňme si nyní, že atomy, i když jsou obecně elektricky neutrální, obsahují kladně nabité protony a záporně nabité elektrony. Tyto nabité částice, vykonávající chaotický pohyb společně s atomy, vytvářejí střídající se elektrická pole a tím vyzařují elektromagnetické vlny. Tyto vlny se nazývají tepelné záření- jako připomínka, že jejich zdrojem je tepelný pohyb částic hmoty.

Zdrojem tepelného záření je jakékoli těleso. V tomto případě záření unáší část své vnitřní energie. Po setkání s atomy jiného tělesa je záření urychluje svým oscilujícím elektrickým polem a vnitřní energie tohoto tělesa se zvyšuje. Takhle se vyhříváme na slunečních paprscích.

Za normálních teplot leží frekvence tepelného záření v infračervené oblasti, takže ho oko nevnímá (nevidíme, jak „záříme“). Když se těleso zahřeje, jeho atomy začnou vysílat vlny vyšších frekvencí. Železný hřebík lze rozžhavit do ruda – přivést na takovou teplotu, aby jeho tepelné záření dosáhlo spodní (červené) části viditelného rozsahu. A Slunce se nám jeví jako žlutobílé: teplota na povrchu Slunce je tak vysoká, že jeho spektrum záření obsahuje všechny frekvence viditelného světla, a dokonce i ultrafialového, díky kterému se opalujeme.

Podívejme se znovu na tři typy přenosu tepla (obrázek 3) (obrázky z beodom.com).

Rýže. 3. Tři typy přenosu tepla: vedení, proudění a sálání

Energie vnitřního těla nemůže být konstantní hodnotou. Může se změnit v každém těle. Pokud zvýšíte tělesnou teplotu, pak se jeho vnitřní energie zvýší, protože průměrná rychlost molekulárního pohybu se zvýší. Zvyšuje se tak kinetická energie molekul těla. A naopak s klesající teplotou klesá vnitřní energie těla.

Můžeme uzavřít: Vnitřní energie tělesa se mění, pokud se mění rychlost pohybu molekul. Pokusme se určit, jakou metodou lze zvýšit nebo snížit rychlost pohybu molekul. Zvažte následující experiment. Na stojan připevníme mosaznou trubku s tenkými stěnami. Zkumavku naplňte éterem a uzavřete zátkou. Poté kolem něj uvážeme lano a začneme lanem intenzivně pohybovat různými směry. Po určité době se éter uvaří a síla páry vytlačí zátku. Zkušenost ukazuje, že vnitřní energie látky (éteru) se zvýšila: koneckonců změnila svou teplotu a zároveň se vaří.

Ke zvýšení vnitřní energie došlo v důsledku práce vykonané při tření trubky lanem.

Jak víme, k zahřívání těles může dojít i při nárazech, ohybu či extenzi, nebo jednodušeji při deformaci. Ve všech uvedených příkladech se zvyšuje vnitřní energie těla.

Vnitřní energii těla lze tedy zvýšit vykonáváním práce na těle.

Pokud práci vykonává tělo samo, jeho vnitřní energie klesá.

Zvažme další experiment.

Speciálně vyrobeným otvorem napumpujeme vzduch do skleněné nádoby, která má silné stěny a je uzavřena zátkou.

Po nějaké době korek vyletí z nádoby. Ve chvíli, kdy zátka vyletí z plavidla, budeme moci vidět tvorbu mlhy. V důsledku toho jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobě se ochladil. Stlačený vzduch, který je v nádobě, vykonává určitou práci při vytlačování zátky. Tuto práci vykonává díky své vnitřní energii, která se snižuje. Závěry o poklesu vnitřní energie lze vyvodit na základě ochlazování vzduchu v nádobě. Tím pádem, Vnitřní energii těla lze změnit provedením určité práce.

Vnitřní energie se však dá změnit i jinak, bez práce. Vezměme si příklad: voda v konvici, která stojí na sporáku, se vaří. Vzduch, stejně jako ostatní předměty v místnosti, jsou ohřívány centrálním radiátorem. V takových případech se zvyšuje vnitřní energie, protože tělesná teplota se zvyšuje. Ale práce není hotová. Takže jsme uzavřeli ke změně vnitřní energie nemusí dojít vlivem výkonu konkrétní práce.

Podívejme se na další příklad.

Vložte kovovou pletací jehlici do sklenice s vodou. Kinetická energie molekul horké vody je větší než kinetická energie studených kovových částic. Molekuly horké vody přenesou část své kinetické energie na částice studeného kovu. Energie molekul vody se tedy určitým způsobem sníží, zatímco energie kovových částic se zvýší. Teplota vody klesne a teplota pletací jehlice se bude pomalu snižovat se zvýší. V budoucnu rozdíl mezi teplotou pletací jehly a vody zmizí. Díky této zkušenosti jsme viděli změnu vnitřní energie různých těles. Došli jsme k závěru: Vnitřní energie různých těles se mění v důsledku přenosu tepla.

Proces přeměny vnitřní energie bez provádění specifické práce na těle nebo na těle samotném se nazývá přenos tepla.

Stále máte otázky? Nevíte, jak si udělat domácí úkol?
Chcete-li získat pomoc od lektora -.
První lekce je zdarma!

blog.site, při kopírování celého materiálu nebo jeho části je vyžadován odkaz na původní zdroj.

Energie vnitřního těla nemůže být konstantní hodnotou. Může se změnit v každém těle. Pokud zvýšíte tělesnou teplotu, pak se jeho vnitřní energie zvýší, protože průměrná rychlost molekulárního pohybu se zvýší. Zvyšuje se tak kinetická energie molekul těla. A naopak s klesající teplotou klesá vnitřní energie těla.

Můžeme uzavřít: Vnitřní energie tělesa se mění, pokud se mění rychlost pohybu molekul. Pokusme se určit, jakou metodou lze zvýšit nebo snížit rychlost pohybu molekul. Zvažte následující experiment. Na stojan připevníme mosaznou trubku s tenkými stěnami. Zkumavku naplňte éterem a uzavřete zátkou. Poté kolem něj uvážeme lano a začneme lanem intenzivně pohybovat různými směry. Po určité době se éter uvaří a síla páry vytlačí zátku. Zkušenost ukazuje, že vnitřní energie látky (éteru) se zvýšila: koneckonců změnila svou teplotu a zároveň se vaří.

Ke zvýšení vnitřní energie došlo v důsledku práce vykonané při tření trubky lanem.

Jak víme, k zahřívání těles může dojít i při nárazech, ohybu či extenzi, nebo jednodušeji při deformaci. Ve všech uvedených příkladech se zvyšuje vnitřní energie těla.

Vnitřní energii těla lze tedy zvýšit vykonáváním práce na těle.

Pokud práci vykonává tělo samo, jeho vnitřní energie klesá.

Zvažme další experiment.

Speciálně vyrobeným otvorem napumpujeme vzduch do skleněné nádoby, která má silné stěny a je uzavřena zátkou.

Po nějaké době korek vyletí z nádoby. Ve chvíli, kdy zátka vyletí z plavidla, budeme moci vidět tvorbu mlhy. V důsledku toho jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobě se ochladil. Stlačený vzduch, který je v nádobě, vykonává určitou práci při vytlačování zátky. Tuto práci vykonává díky své vnitřní energii, která se snižuje. Závěry o poklesu vnitřní energie lze vyvodit na základě ochlazování vzduchu v nádobě. Tím pádem, Vnitřní energii těla lze změnit provedením určité práce.

Vnitřní energie se však dá změnit i jinak, bez práce. Vezměme si příklad: voda v konvici, která stojí na sporáku, se vaří. Vzduch, stejně jako ostatní předměty v místnosti, jsou ohřívány centrálním radiátorem. V takových případech se zvyšuje vnitřní energie, protože tělesná teplota se zvyšuje. Ale práce není hotová. Takže jsme uzavřeli ke změně vnitřní energie nemusí dojít vlivem výkonu konkrétní práce.

Podívejme se na další příklad.

Vložte kovovou pletací jehlici do sklenice s vodou. Kinetická energie molekul horké vody je větší než kinetická energie studených kovových částic. Molekuly horké vody přenesou část své kinetické energie na částice studeného kovu. Energie molekul vody se tedy určitým způsobem sníží, zatímco energie kovových částic se zvýší. Teplota vody klesne a teplota pletací jehlice se bude pomalu snižovat se zvýší. V budoucnu rozdíl mezi teplotou pletací jehly a vody zmizí. Díky této zkušenosti jsme viděli změnu vnitřní energie různých těles. Došli jsme k závěru: Vnitřní energie různých těles se mění v důsledku přenosu tepla.

Proces přeměny vnitřní energie bez provádění specifické práce na těle nebo na těle samotném se nazývá přenos tepla.

Stále máte otázky? Nevíte, jak si udělat domácí úkol?
Chcete-li získat pomoc od lektora, zaregistrujte se.
První lekce je zdarma!

webové stránky, při kopírování celého materiálu nebo jeho části je vyžadován odkaz na zdroj.