# Способы изменения внутренней энергии тела

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/sposoby-izmeneniya-vnutrennej-energii-tela

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.

## Чему научишься

- 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

## С чего начать

Из банки с накачанным воздухом вылетает пробка, и внутри банки вдруг появляется туман. Никто банку не охлаждал и не открывал холодильник. Откуда взялся холод?

## 1. Два входа для одной энергии

*Что можно сделать с внутренней энергией*

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.

**Способы изменения внутренней энергии**

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.

**Копилка с двумя входами**

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.

*Рисунок: Копилка с двумя щелями: в одну кладут молоток, в другую — пламя*

**Проверь себя:** Сколько существует способов изменить внутреннюю энергию тела и как они называются?
**Ответ:** Два: совершение работы и теплопередача.

### Проверь себя

**Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?**
- Исключительно нагреванием от открытого огня.
- Совершением работы и изменением скорости движения тела.
- Изменением высоты подъёма и теплопередачей.
- Совершением работы и теплопередачей. — верно
> Внутренняя энергия меняется либо при механическом воздействии (работа), либо при бесконтактном или контактном обмене теплотой без работы (теплопередача).

**Какую гипотезу о природе теплоты высказал М. В. Ломоносов в 1744–1745 гг. в своей работе?**
- Теплота — это невесомая жидкость, перетекающая между порами тел.
- Теплота передаётся с помощью особых тепловых электрических зарядов.
- Теплота создаётся при уничтожении механической энергии.
- Тепловые явления обусловлены внутренним вращательным движением частиц тела — его молекул. — верно
> Ломоносов утверждал, что причиной теплоты является именно внутреннее движение связанной материи.

**Что представляет собой концепция «теплорода», существовавшая в историческом учении о теплоте?**
- Газ, выделяющийся при горении древесины.
- Принцип сохранения механической энергии при трении.
- Представление о теплоте как об особой невесомой и невидимой жидкости, пропитывающей поры тел. — верно
- Учение о том, что теплота — это хаотическое движение атомов.
> Теория теплорода объясняла нагревание притоком этой гипотетической невесомой жидкости, а охлаждение — её убылью.

**Как сторонники теории теплорода объясняли факт нагревания тела?**
- Ускорением движения молекул тела.
- Совершением химической трансформации в порах.
- Увеличением массы тела за счёт поглощения тепла.
- Притоком теплорода в тело. — верно
> Согласно этой теории, поступление невесомой «тепловой жидкости» в поры тела выталкивало его температуру вверх.

**Высказывание какого английского учёного XVI–XVIII вв. созвучно взглядам М. В. Ломоносова («Сама теплота... есть не что иное, как движение»)?**
- Роберт Бойль.
- Исаак Ньютон.
- Фрэнсис Бэкон. — верно
- Джеймс Уатт.
> Именно Фрэнсис Бэкон писал, что теплота состоит в переменном движении мельчайших частиц тела.

**Кто из учёных в конце XVIII в. поставил знаменитые эксперименты (с просверливанием пушечных стволов), свидетельствовавшие против теории теплорода?**
- Бенджамин Томпсон (граф Румфорд). — верно
- Галилео Галилей.
- Антуан Лавуазье.
- Джеймс Джоуль.
> Граф Румфорд заметил неисчерпаемое выделение тепла при трении тупого сверла о металл ствола, что опровергало ограниченный запас «теплорода».

**В какой период и благодаря какому открытию теория теплорода была окончательно отвергнута?**
- В XVIII в. сразу после публикаций М. В. Ломоносова.
- В XIX в. после открытия закона сохранения энергии. — верно
- В XX в. после создания атомной бомбы.
- В XVII в. после изобретения термометра.
> Закон сохранения энергии доказал, что механика переходит в теплоту и наоборот, окончательно вытеснив гипотезу вещественного теплорода.

## 2. Первый способ: работа

*Нагрелось от удара, остыло от вылета пробки*

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.

*Рисунок: Молоток над металлической полосой, к которой подключён термометр*

Второй опыт: верёвку быстро трут о латунную трубку с эфиром. Совершается механическая работа, трубка нагревается, эфир закипает, и пар выбивает пробку.

*Рисунок: Латунная трубка с эфиром, вокруг которой обвита верёвка*

**Изменение внутренней энергии путём совершения работы**

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.

*Рисунок: Толстостенная стеклянная банка с узким горлом, в которую накачивают воздух*

**Кошелёк работы**

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.

**Пример: Разбор опыта с пробкой**

1. Что происходит? Воздух в банке расширяется и выталкивает пробку.
2. Кто совершает работу? Сам воздух, и работу он совершает над пробкой.
3. Что тогда с внутренней энергией воздуха? Когда работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
4. Что следует из этого? Воздух охлаждается, пар в нём конденсируется, и появляется туман.

**Неправильно:** Тело нагрелось, значит, его нагревали на огне.
**Правильно:** Тело можно нагреть и совершением работы: ударом, трением. Огня в опыте с молотком нет, а стержень горячий.

**Проверь себя:** Что происходит с внутренней энергией газа, когда он сам совершает работу?
**Ответ:** Уменьшается: газ охлаждается.

### Проверь себя

**Что происходит с внутренней энергией металлического стержня при ударе по нему молотком?**
- Увеличивается за счёт совершения работы над стержнем. — верно
- Превращается полностью в механическую потенциальную энергию.
- Уменьшается, так как часть энергии уходит в звук удара.
- Не изменяется, так как молоток холодный.
> При механическом ударе совершается работа, приводящая к деформации и нагреванию стержня, что повышает его внутреннюю энергию.

**В опыте с латунной трубкой, содержащей эфир, верёвку быстро двигают вокруг трубки. Каким способом в данном случае увеличивается внутренняя энергия эфира?**
- Увеличением давления пробки на трубку.
- Совершением работы сил трения. — верно
- Химической реакцией внутри эфира.
- Прямой теплопередачей от верёвки.
> Быстрое движение верёвки создает трение, то есть совершается работа, которая приводит к нагреванию трубки и кипению эфира.

**Почему в опыте с латунной трубкой и эфиром вылетает пробка?**
- Верёвка задевает пробку и механически выдергивает её.
- Воздух внутри трубки сжимается и выталкивает пробку.
- Совершаемая трением работа нагревает эфир, он закипает, и образовавшийся пар выбивает пробку. — верно
- Эфир расширяется при охлаждении и выталкивает пробку.
> Рост внутренней энергии приводит к закипанию эфира, давлением пара которого совершается работа по выталкиванию пробки.

**Что происходит с внутренней энергией воздуха в стеклянной банке, когда качаемый насосом воздух выталкивает пробку?**
- Уменьшается, так как сам воздух совершает работу по выталкиванию пробки. — верно
- Увеличивается за счёт теплопередачи от стенок сосуда.
- Не изменяется, так как процесс происходит очень быстро.
- Увеличивается, так как воздух совершает работу.
> При расширении и выталкивании пробки воздух совершает работу, расходуя собственную внутреннюю энергию, в результате чего охлаждается.

**Какое явление наблюдается внутри банки при вылетании пробки под действием накачанного воздуха?**
- Образование тумана (капелек воды). — верно
- Появление пламени из-за возгорания.
- Полное исчезновение водяного пара.
- Кристаллизация стенок сосуда.
> При совершении работы воздух резко охлаждается, и содержащийся в нём водяной пар конденсируется в капли тумана.

**Почему при забивании гвоздя в стену его шляпка почти не нагревается во время вколачивания, но сильно нагревается после того, как гвоздь уже вбит?**
- Вбитый гвоздь начинает вступать в химическую реакцию со стеной.
- Пока гвоздь движется, вся энергия удара расходуется на преодоление трения и его продвижение, а после остановки работа удара идет на увеличение внутренней энергии шляпки. — верно
- При движении гвоздь охлаждается встречным потоком воздуха.
- Шляпка нагревается из-за прекращения теплопередачи в стену.
> При движении гвоздя совершается работа по перемещению его в стене, а когда он неподвижен, механическая энергия удара полностью превращается во внутреннюю энергию шляпки и молотка.

**Каким способом изменяется внутренняя энергия металлической детали при её пластической деформации с помощью пресса?**
- Теплопередачей.
- Совершением работы. — верно
- Одновременным излучением и конвекцией.
- Внутренняя энергия при пластической деформации не изменяется.
> Сжатие и изменение формы детали под воздействием внешнего пресса представляет собой совершение работы над телом.

**Нагревается ли деталь в кузнице при холодной ковке (удары молота) и какова причина этого явления?**
- Нет, вся энергия удара полностью уходит в наковальню.
- Да, нагревается из-за теплопередачи от окружающего воздуха.
- Нет, так как ковка называется «холодной».
- Да, нагревается, так как над деталью совершается механическая работа при ударах молота. — верно
> Энергия ударов расходуется на пластическую деформацию, увеличивая кинетическую энергию колебаний молекул металла.

**Кусок свинца несколько раз согнули и разогнули. Изменилась ли его внутренняя энергия?**
- Нет, так как свинец не помещали в огонь.
- Изменилась только механическая потенциальная энергия.
- Изменилась (уменьшилась), так как свинец отдал энергию рукам.
- Изменилась (увеличилась), так как над свинцом совершили работу. — верно
> Механические усилия при деформации приводят к совершению работы над куском свинца и его нагреванию.

**Что происходит со спичкой и её внутренней энергией при трении о чиркало коробка?**
- Внутренняя энергия уменьшается из-за истирания головки.
- Внутренняя энергия не меняется, происходит только химическая реакция без нагрева.
- Внутренняя энергия увеличивается за счет работы сил трения, спичка нагревается и воспламеняется. — верно
- Внутренняя энергия увеличивается исключительно путём теплопередачи от коробка.
> Механическая работа трения переходит во внутреннюю энергию головки спички, разогревая её до температуры воспламенения.

**Как изменяется внутренняя энергия планёра при полете по сравнению с его состоянием на земле, если температура воздуха и планёра одинакова?**
- Внутренняя энергия увеличивается из-за роста кинетической энергии движения.
- Внутренняя энергия остается постоянной. — верно
- Внутренняя энергия уменьшается из-за охлаждения встречным потоком воздуха.
- Внутренняя энергия увеличивается из-за увеличения потенциальной энергии над Землёй.
> Внутренняя энергия зависит от теплового движения и взаимодействия микрочастиц, а их среднекинетическая и потенциальная энергии при неизменной температуре не меняются.

## 3. Второй способ: теплопередача

*Сравнение двух способов*

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.

*Рисунок: Установка с термометром и горизонтальным металлическим стержнем, один конец которого нагревается пламенем*

**Теплопередача (теплообмен)**

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.

**Горка для энергии**

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.

**Неправильно:** Кусок льда отдаёт холод руке.
**Правильно:** Энергия идёт от более тёплой руки ко льду. Рука теряет энергию и остывает, лёд получает её.

**Два способа рядом**

| 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 |

**Пример: Определяем способ**

1. Ситуация: нагретый стержень опустили в холодную воду.
2. Есть ли работа? Никто не бьёт, не трёт и не расширяет ничего. Работы нет.
3. Есть ли разность температур? Да, стержень горячее воды.
4. Вывод: это теплопередача. Энергия идёт от стержня к воде, потому что стержень горячее.

**Проверь себя:** Можно ли говорить о теплопередаче между двумя телами одинаковой температуры?
**Ответ:** Нет: теплопередача происходит только при наличии разности температур.

### Проверь себя

**Что называют теплопередачей?**
- Процесс изменения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы.
- Процесс превращения кинетической энергии тела в потенциальную.
- Перемещение массы вещества из одной области в другую.
- Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы. — верно
> По определению, теплопередача — это передача энергии от одного тела к другому за счет разности температур без выполнения механической работы.

**При каком обязательном условии возможен процесс теплопередачи между телами?**
- При равенстве внутренних энергий этих тел.
- При условии, что оба тела находятся в твердом состоянии.
- При наличии разности температур между телами. — верно
- При обязательном совершении механической работы.
> Перенос энергии в форме теплоты происходит только тогда, когда температуры соприкасающихся или взаимодействующих тел различны.

**В каком направлении всегда передаётся энергия при теплопередаче?**
- От тела с меньшей массой к телу с большей массой.
- От тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. — верно
- От тела с меньшей внутренней энергией к телу с большей.
- Направление зависит от объёма взаимодействующих тел.
> Согласно законам физики, самопроизвольный теплообмен всегда идет от более нагретого тела к менее нагретому.

**Как изменяется внутренняя энергия металлического стержня, если один его конец внести в пламя спиртовки?**
- Уменьшается, так как стержень начинает расширяться.
- Увеличивается путем теплопередачи. — верно
- Увеличивается путем совершения работы.
- Не изменяется, пока весь стержень не покраснеет.
> Энергия от горячего пламени передается металлу за счет разности температур без выполнения работы.

**Что происходит с кинетической энергией молекул стержня при его нагревании в пламени спиртовки?**
- Она уменьшается, уступая место потенциальной энергии.
- Она увеличивается, так как молекулы начинают двигаться быстрее. — верно
- Она обращается в ноль при достижении определённой температуры.
- Она остается неизменной, меняется только потенциальная энергия.
> Температура тела прямо отражает среднюю кинетическую энергию теплового движения его молекул.

**При опускании нагретого металлического стержня в сосуд с холодной водой температура воды растет, а стержня — падает. Совершается ли при этом работа?**
- Работа совершается только в том случае, если вода закипает.
- Нет, изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи. — верно
- Да, работа совершается молекулами воды при ударах о стержень.
- Да, работа совершается силами выталкивания воды.
> Переход энергии от горячего стержня к холодной воде обусловлен разностью температур и происходит без выполнения механической работы.

**Каким способом изменяется внутренняя энергия детали при нагревании её в печи перед закалкой?**
- Теплопередачей. — верно
- Совершением работы над деталью.
- Совершением работы самой деталью.
- За счёт потенциальной энергии гравитационного поля.
> Энергия передается от горячего пространства печи к более холодной детали за счет разности температур.

**Каким способом изменяется внутренняя энергия детали при её быстром охлаждении в баке с водой?**
- Теплопередачей. — верно
- Внутренняя энергия остаётся постоянной, меняется только агрегатное состояние.
- Совершением работы над деталью.
- Совершением работы самой деталью.
> Энергия от горячей детали отводится к холодной воде благодаря разности их температур без выполнения работы.

## Ключевые термины

- **Способы изменения внутренней энергии** — Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
- **Теплопередача (теплообмен)** — 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.
- **Изменение внутренней энергии путём совершения работы** — Совершив над телом работу, внутреннюю энергию увеличивают; когда работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.

## Итог

- 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.

## Шпаргалка

### Два способа изменения энергии

- **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

### Условия теплопередачи

- **Разность температур есть** — теплопередача идёт
- **Температуры равны** — теплопередачи нет
- **Направление** — от большей температуры к меньшей

### Определить способ в опыте

1. **Ищи работу** — есть удар, трение или расширение — значит работа
2. **Ищи разность температур** — работы нет, а тела разной температуры — теплопередача
3. **Определи направление** — энергия идёт от более тёплого тела к более холодному

### Работа и теплопередача

| Признак | Работа | Теплопередача |
| --- | --- | --- |
| Условие | сила и перемещение | разность температур |
| Работа совершается | да | нет |
| Пример | удар молотком | стержень в пламени |

## Любопытное

- 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.