Способы изменения внутренней энергии тела
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей. В уроке разберём оба способа на опытах и научимся отличать их друг от друга.
аудио-обзор «Способы изменения внутренней энергии тела»05:33- Два входа для одной энергии
- Первый способ: работа
- Второй способ: теплопередача
Из банки с накачанным воздухом вылетает пробка, и внутри банки вдруг появляется туман. Никто банку не охлаждал и не открывал холодильник. Откуда взялся холод?
Назвать два способа изменения внутренней энергии тела и привести пример каждого
Объяснить по опыту, почему тело нагрелось или охладилось: работой или теплопередачей
Указать направление теплопередачи и условие, при котором она вообще происходит
Способы изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение работы
Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
Два входа для одной энергии
Представь копилку. Деньги в неё можно положить двумя разными путями: принести и опустить самому или получить перевод. А результат один: денег стало больше. Достать деньги тоже можно двумя путями.
С внутренней энергией тела так же. Её запас может вырасти или уменьшиться, и это происходит не одним, а двумя способами. Как именно, мы сейчас и выясним.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
Внутренняя энергия тела — как копилка. Один вход у неё «работа», другой «теплопередача». Через любой из них энергия и приходит, и уходит. Внутри не важно, каким путём она попала: запас один.
Способ запомнить: когда видишь, что тело нагрелось или остыло, спроси себя: «Через какой вход?» Либо над телом совершили работу (или оно само её совершило), либо ему передали энергию при разности температур. Третьего входа нет.
Сколько существует способов изменить внутреннюю энергию тела и как они называются?
показать
Сколько существует способов изменить внутреннюю энергию тела и как они называются?
Два: совершение работы и теплопередача.
Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Первый способ: работа
Начнём с опытов, где никакого огня нет. Бьём молотком по металлическому стержню: стержень деформируется и нагревается. Мы ничего не грели, мы только совершили над ним работу. Его внутренняя энергия выросла.
Второй опыт: верёвку быстро трут о латунную трубку с эфиром. Совершается механическая работа, трубка нагревается, эфир закипает, и пар выбивает пробку.
Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершив над телом работу (при этом кинетическая энергия движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия изменяются). За счёт уменьшения внутренней энергии тело может совершить работу (когда работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается).
Образ: молекулы в стержне — толпа. Удар и трение раскачивают эту толпу: молекулы начинают двигаться и толкаться быстрее. Скорость молекул выросла, значит вырос и нагрев тела.
В обратную сторону работает то же самое. Пробка вылетает из банки с накачанным воздухом: воздух расширяется и сам совершает работу, выталкивая пробку. Энергию на эту работу он берёт из собственного запаса, и его внутренняя энергия уменьшается. Воздух остывает. Водяной пар в нём конденсируется, и появляется туман.
Аналогия: совершил работу над телом — «положил» в копилку, тело само совершило работу — «потратил» из копилки. Над телом работают — энергия растёт, тело работает само — энергия падает.
Правило самопроверки для опыта с накачанным воздухом: если воздух расширяется и за счёт своей внутренней энергии выталкивает пробку, то при отсутствии компенсирующего подвода энергии он остывает. Если что-то толкают, трут или бьют его, оно нагревается.
Что происходит? Воздух в банке расширяется и выталкивает пробку.
Кто совершает работу? Сам воздух, и работу он совершает над пробкой.
Что тогда с внутренней энергией воздуха? Когда работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
Что следует из этого? Воздух охлаждается, пар в нём конденсируется, и появляется туман.
Тело нагрелось, значит, его нагревали на огне.
Тело можно нагреть и совершением работы: ударом, трением. Огня в опыте с молотком нет, а стержень горячий.
Что происходит с внутренней энергией газа, когда он сам совершает работу?
показать
Что происходит с внутренней энергией газа, когда он сам совершает работу?
Уменьшается: газ охлаждается.
Что происходит с внутренней энергией металлического стержня при ударе по нему молотком?
Второй способ: теплопередача
Теперь опыты, где никакой работы нет. Держим металлический стержень одним концом в пламени спиртовки, и он нагревается. Ничто не бьёт и не трётся: энергия просто пришла от пламени.
Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы называют теплопередачей. Теплопередача (теплообмен) происходит только при наличии разности температур, причём энергия всегда передаётся от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
Обратный опыт: раскалённый стержень опускаем в холодную воду. Он отдаёт энергию, а вода получает. Работы нет, есть только разность температур. Когда температуры сравняются, передача прекратится.
Аналогия: вода сама течёт только вниз по склону. Энергия при теплопередаче тоже «скатывается» с высокой температуры на низкую. Когда обе стороны на одном уровне, течения нет.
Правило самопроверки: нет разности температур — нет теплопередачи. Энергия идёт от тёплого к холодному, никогда наоборот.
Кусок льда отдаёт холод руке.
Энергия идёт от более тёплой руки ко льду. Рука теряет энергию и остывает, лёд получает её.
| Признак | Совершение работы | Теплопередача |
|---|---|---|
Что нужно | Сила и перемещение: удар, трение, расширение | Разность температур |
Работа совершается | Да | Нет |
Пример | Молоток по стержню | Стержень в пламени спиртовки |
Направление | Работа над телом — энергия растёт, самим телом — падает | От большей температуры к меньшей |
Ситуация: нагретый стержень опустили в холодную воду.
Есть ли работа? Никто не бьёт, не трёт и не расширяет ничего. Работы нет.
Есть ли разность температур? Да, стержень горячее воды.
Вывод: это теплопередача. Энергия идёт от стержня к воде, потому что стержень горячее.
Можно ли говорить о теплопередаче между двумя телами одинаковой температуры?
показать
Можно ли говорить о теплопередаче между двумя телами одинаковой температуры?
Нет: теплопередача происходит только при наличии разности температур.
Что называют теплопередачей?
Пробка вылетает потому, что воздух в банке расширяется и совершает работу по её выталкиванию. Энергию на эту работу воздух берёт из собственного запаса, поэтому его внутренняя энергия уменьшается и он охлаждается. Водяной пар в охлаждённом воздухе конденсируется, и появляется туман. Никакого внешнего холода не было: воздух остыл сам, потому что потратил энергию на работу.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
Над телом совершили работу — внутренняя энергия растёт. Тело само совершило работу — она уменьшается.
Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения работы.
Теплопередача идёт только при разности температур, от большей к меньшей.
Нагрелось — не значит «нагревали на огне»: можно и ударом, и трением.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы. Происходит только при наличии разности температур, энергия передаётся от тела с большей температурой к телу с меньшей.
Совершив над телом работу, внутреннюю энергию увеличивают; когда работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
- Совершение работы
удар, трение, расширение: энергия меняется за счёт работы
- Теплопередача
изменение энергии без совершения работы
- Работа над телом
внутренняя энергия растёт
- Тело само совершает работу
внутренняя энергия уменьшается
- Разность температур есть
теплопередача идёт
- Температуры равны
теплопередачи нет
- Направление
от большей температуры к меньшей
- Ищи работу
есть удар, трение или расширение — значит работа
- Ищи разность температур
работы нет, а тела разной температуры — теплопередача
- Определи направление
энергия идёт от более тёплого тела к более холодному
| Признак | Работа | Теплопередача |
|---|---|---|
Условие | сила и перемещение | разность температур |
Работа совершается | да | нет |
Пример | удар молотком | стержень в пламени |
М. В. Ломоносов в «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744–1745 гг.), как и Ф. Бэкон, утверждал, что теплота обусловлена движением частиц материи.
Теорию невесомой жидкости — теплорода — опровергли опыты Б. Томпсона (графа Румфорда) в конце XVIII в. Окончательно её отвергли в XIX в. после открытия закона сохранения энергии.
Назовите два основных способа изменения внутренней энергии тела.
Совершение работы и теплопередача.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИ400 300 200 100 0 100 200 Q, кДж t, ºС
На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отдаваемого им количества теплоты . Масса тела равна 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?
0 D Q, Дж t, ºС 40 20 –20 С В А II I
На рисунке графически изображён процесс теплообмена для случая, когда в нагретую до 40 °С жидкость опускают кусок льда. Потерями энергии при теплообмене можно пренебречь. Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.
В алюминиевом калориметре массой 100 г находилось 200 г воды при комнатной температуре. Затем в воду опустили спираль сопротивлением 2 Ом, подключённую к источнику напряжением 12 В. На сколько градусов нагрелся калориметр с водой за 5 мин., если потери энергии в окружающую среду составили 25 %?
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса.
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса. В каком кувшине температура воды станет повышаться быстрее?
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Какова удельная теплота плавления вещества?
Планёр находится в полёте, а затем садится на землю. Окружающая температура и температура самого планёра не изменяются. Как при этом соотносятся внутренняя энергия планёра в полёте и на земле?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Способы изменения внутренней энергии тела: Учебное пособие
Данное пособие систематизирует знания о способах изменения внутренней энергии тел, механизмах совершения работы и процессах теплопередачи на основе представленного научного контекста.
1. Основные концепции
Внутренняя энергия и ее отличие от механической
Внутренняя энергия тела определяется как совокупность кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Важно различать внутреннюю и механическую энергию. На примере планёра:
- Механическая энергия: Зависит от движения тела относительно Земли (кинетическая) и высоты над поверхностью (потенциальная). У летящего планёра она выше, чем у стоящего на земле.
- Внутренняя энергия: Зависит от состояния частиц внутри тела. Если температура планёра в полете и на земле одинакова, его внутренняя энергия остается неизменной, так как не меняется характер движения и взаимодействия молекул.
Способы изменения внутренней энергии
Существует два фундаментальных способа изменить внутреннюю энергию тела:
Способ · Механизм · Результат · Пример из источника
- Совершение работы — Работа совершается над телом или самим телом.; Рост или падение температуры, деформация.; Удар молотком по стержню; трение веревки о трубку с эфиром.
- Теплопередача — Обмен энергией без совершения механической работы.; Переход энергии от горячего тела к холодному.; Нагревание стержня в пламени спиртовки; охлаждение детали в воде.
2. Глоссарий важных терминов
- Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
- Деформация — изменение формы или размеров тела (например, при ударе молотком).
- Совершение работы — процесс, при котором изменение внутренней энергии происходит за счет механического воздействия.
- Теплопередача (теплообмен) — процесс изменения внутренней энергии без совершения механической работы, происходящий при наличии разности температур.
- Теплород — гипотетическая невесомая и невидимая жидкость, которой в прошлом пытались объяснить тепловые явления. Теория окончательно опровергнута в XIX веке.
3. Практический блок: Вопросы для самопроверки
Краткие ответы
- Как меняется энергия, когда работа совершается над телом? Внутренняя энергия увеличивается (тело нагревается).
- Как меняется энергия, когда тело само совершает работу? Внутренняя энергия уменьшается. Например, сжатый воздух, выталкивая пробку из бутылки, охлаждается, что ведет к образованию тумана (конденсации пара).
- При каком обязательном условии возможна теплопередача? Наличие разности температур между телами или частями одного тела.
- В каком направлении всегда передается энергия при теплообмене? От тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой.
- Как М.В. Ломоносов определял причину теплоты? Как внутреннее вращательное движение связанной материи (молекул).
Аналитические задачи (Упражнение 4)
Определите способ изменения внутренней энергии (работа или теплопередача):
- Пластическая деформация детали прессом: Совершение работы.
- Нагревание детали в печи: Теплопередача.
- Быстрое охлаждение детали в воде: Теплопередача.
- Трение спички о коробок: Совершение работы (внутренняя энергия растет из-за трения).
4. Темы для глубокого изучения и эссе
- Эволюция представлений о теплоте: от теплорода к молекулярно-кинетической теории.
- Направления анализа: Почему концепция теплорода казалась логичной ученым прошлого (аналогия с перетекающей жидкостью)? Какой вклад внесли М.В. Ломоносов и Бенджамин Томпсон в опровержение этой теории? Как открытие закона сохранения энергии повлияло на понимание тепловых процессов?
- Преобразование механической работы во внутреннюю энергию: физические примеры.
- Направления анализа: Опишите физику процесса нагревания гвоздя при вколачивании. Почему шляпка почти не нагревается, пока гвоздь входит в стену, но быстро раскаляется после того, как он полностью вбит?
- Термодинамические процессы в закрытых системах на примере опыта с туманом.
- Направления анализа: Подробно разберите эксперимент со стеклянной банкой и насосом. Какие превращения энергии происходят в момент вылета пробки? Почему появляется капельная жидкость (туман) на внутренней поверхности?
5. Историческая справка
До XIX века доминировала теория теплорода. Считалось, что нагревание вызвано притоком этой жидкости в поры тела, а охлаждение — ее убылью.
- М.В. Ломоносов (1744–1745 гг.) одним из первых аргументированно выступил против этой теории, утверждая, что теплота — это движение частиц (молекул).
- Фрэнсис Бэкон также поддерживал идею о том, что теплота есть движение мельчайших частиц тела.
- Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) в конце XVIII века провел эксперименты, ставшие серьезным доказательством против теории теплорода, которая была окончательно отвергнута лишь с открытием закона сохранения энергии.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Совершение работы над телом | Способ увеличения внутренней энергии тела за счёт механической работы, совершаемой над ним внешними силами | Удар молотком по металлическому стержню, в результате чего стержень нагревается и деформируется; трение верёвки о латунную трубку с эфиром |
| Совершение работы самим телом | Способ уменьшения внутренней энергии тела, при котором тело совершает работу против внешних сил | Расширяющийся воздух выталкивает пробку из банки, при этом резко охлаждается, и в банке образуется туман |
| Теплопередача (теплообмен) | Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы, происходящий при наличии разности температур от более нагретого тела к менее нагретому | Нагревание металлического стержня в пламени спиртовки; опускание нагретого стержня в сосуд с холодной водой |