Metodi di cambiamento dell'energia interna e loro descrizione

L’energia interna può essere modificata in due modi.

Se viene compiuto lavoro su un corpo, la sua energia interna aumenta.

Se è il corpo stesso a svolgere il lavoro, la sua energia interna diminuisce.

Esistono tre tipi semplici (elementari) di trasferimento di calore:

Conduttività termica

Convezione

La convezione è il fenomeno del trasferimento di calore in liquidi o gas, o in mezzi granulari, mediante flussi di materia. C'è un cosiddetto convezione naturale, che avviene spontaneamente in una sostanza quando viene riscaldata in modo non uniforme in un campo gravitazionale. Con tale convezione, gli strati inferiori della sostanza si riscaldano, diventano più leggeri e galleggiano, e gli strati superiori, al contrario, si raffreddano, diventano più pesanti e affondano, dopodiché il processo si ripete ancora e ancora.

La radiazione termica o radiazione è il trasferimento di energia da un corpo all'altro sotto forma di onde elettromagnetiche a causa della loro energia termica.

Energia interna di un gas ideale

In base alla definizione di gas ideale, non possiede una componente potenziale di energia interna (non esistono forze di interazione molecolare, eccetto lo shock). Pertanto, l'energia interna di un gas ideale rappresenta solo l'energia cinetica del movimento delle sue molecole. In precedenza (equazione 2.10) è stato dimostrato che l'energia cinetica del movimento traslazionale delle molecole di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta.

Utilizzando l'espressione per la costante universale dei gas (4.6), possiamo determinare il valore della costante α.

Pertanto, l'energia cinetica del movimento traslazionale di una molecola di un gas ideale sarà determinata dall'espressione.

Secondo la teoria cinetica, la distribuzione dell’energia attraverso i gradi di libertà è uniforme. Il moto traslatorio ha 3 gradi di libertà. Di conseguenza, un grado di libertà di movimento di una molecola di gas rappresenterà 1/3 della sua energia cinetica.

Per le molecole di gas due, tre e poliatomiche, oltre ai gradi di libertà del movimento traslazionale, esistono gradi di libertà del movimento rotatorio della molecola. Per le molecole di gas biatomiche, il numero di gradi di libertà del movimento rotatorio è 2, per tre e le molecole poliatomiche - 3.

Poiché la distribuzione dell'energia di movimento di una molecola su tutti i gradi di libertà è uniforme e il numero di molecole in una chilomole di gas è uguale a Nμ, l'energia interna di una chilomole di gas ideale può essere ottenuta moltiplicando l'espressione (4.11) dal numero di molecole in una chilomole e dal numero di gradi di libertà di movimento di una molecola di un dato gas.

dove Uμ è l'energia interna di una kilomole di gas in J/kmol, i è il numero di gradi di libertà di movimento di una molecola di gas.

Per 1 - gas atomico i = 3, per 2 - gas atomico i = 5, per 3 - gas atomici e poliatomici i = 6.

Corrente elettrica. Condizioni per l'esistenza della corrente elettrica. Campo elettromagnetico. Legge di Ohm per un circuito completo. Lavoro e potenza attuale. Legge di Joule-Lenz.

Tra le condizioni necessarie per l'esistenza di una corrente elettrica vi sono: la presenza di cariche elettriche libere nel mezzo e la creazione di un campo elettrico nel mezzo. Un campo elettrico in un mezzo è necessario per creare un movimento direzionale di cariche libere. Come è noto, su una carica q immersa in un campo elettrico di intensità E agisce una forza F = qE, che fa sì che le cariche libere si spostino nella direzione del campo elettrico. Un segno dell'esistenza di un campo elettrico in un conduttore è la presenza di una differenza di potenziale diversa da zero tra due punti qualsiasi del conduttore.

Tuttavia, le forze elettriche non possono mantenere una corrente elettrica per lungo tempo. Il movimento diretto delle cariche elettriche dopo un certo tempo porta all'equalizzazione dei potenziali alle estremità del conduttore e, di conseguenza, alla scomparsa del campo elettrico in esso. Per mantenere la corrente in un circuito elettrico, le cariche devono essere soggette a forze di natura non elettrica (forze esterne) oltre alle forze di Coulomb. Un dispositivo che crea forze esterne, mantiene una differenza di potenziale in un circuito e converte vari tipi di energia in energia elettrica è chiamato sorgente di corrente.

Condizioni per l'esistenza della corrente elettrica:

presenza di operatori gratuiti

· presenza di differenza di potenziale. queste sono le condizioni per il verificarsi della corrente. affinché la corrente esista

· circuito chiuso

· una fonte di forze esterne che mantiene la differenza di potenziale.

Tutte le forze che agiscono sulle particelle elettricamente cariche, ad eccezione delle forze elettrostatiche (di Coulomb), sono chiamate forze estranee.

Forza elettromotrice.

La forza elettromotrice (EMF) è una quantità fisica scalare che caratterizza il lavoro delle forze esterne (non potenziali) nelle fonti di corrente continua o alternata. In un circuito conduttivo chiuso, la FEM è uguale al lavoro di queste forze per spostare una singola carica positiva lungo il circuito.

L'unità di EMF, come la tensione, è il volt. Possiamo parlare di forza elettromotrice in qualsiasi parte del circuito. La forza elettromotrice di una cella galvanica è numericamente uguale al lavoro delle forze esterne quando si sposta una singola carica positiva all'interno dell'elemento dal suo polo negativo a quello positivo. Il segno dell'EMF è determinato in base alla direzione di bypass scelta arbitrariamente della sezione del circuito in cui è accesa la sorgente di corrente.

Legge di Ohm per un circuito completo.

Consideriamo il circuito completo più semplice costituito da una sorgente di corrente e un resistore con resistenza R. Una sorgente di corrente con una fem ε ha una resistenza r, è chiamata resistenza interna della sorgente di corrente. Per ottenere la legge di Ohm per un circuito completo, utilizziamo la legge di conservazione dell'energia.

Lasciamo che una carica q attraversi la sezione trasversale del conduttore durante un tempo Δt. Quindi, secondo la formula, il lavoro compiuto dalle forze esterne quando si sposta una carica q è uguale a . Dalla definizione di intensità di corrente si ha: q = IΔt. Quindi, .

A causa del lavoro delle forze esterne, quando la corrente attraversa il circuito, una quantità di calore viene rilasciata sulle sue sezioni esterne ed interne del circuito, secondo la legge di Joule-Lenz pari:

Secondo la legge di conservazione dell'energia, A st = Q, quindi Quindi, la fem della sorgente di corrente è uguale alla somma delle cadute di tensione nelle sezioni esterna ed interna del circuito.

1. Esistono due tipi di energia meccanica: cinetica e potenziale. Qualsiasi corpo in movimento ha energia cinetica; è direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato della sua velocità. I corpi che interagiscono tra loro hanno energia potenziale. L'energia potenziale di un corpo che interagisce con la Terra è direttamente proporzionale alla sua massa e alla distanza che lo separa
lui e la superficie della Terra.

La somma dell'energia cinetica e potenziale di un corpo è chiamata energia meccanica totale. Pertanto, l'energia meccanica totale dipende dalla velocità di movimento del corpo e dalla sua posizione rispetto al corpo con cui interagisce.

Se un corpo ha energia, allora può lavorare. Una volta terminato il lavoro, l’energia del corpo cambia. Il valore del lavoro è uguale alla variazione di energia.

2. Se l'aria viene pompata in un barattolo a pareti spesse chiuso con un tappo, il cui fondo è coperto d'acqua (Fig. 67), dopo un po 'il tappo volerà fuori dal barattolo e nel barattolo si formerà la nebbia.

Ciò è spiegato dal fatto che nell'aria nel barattolo è presente vapore acqueo, che si forma quando l'acqua evapora. La comparsa della nebbia significa che il vapore si è trasformato in acqua, cioè condensato, e questo può accadere quando la temperatura scende. Di conseguenza, la temperatura dell'aria nel barattolo è diminuita.

La ragione di ciò è la seguente. Il tappo volò fuori dal vaso perché l'aria agiva su di esso con una certa forza. L'aria funzionava quando si staccava la spina. È noto che un corpo può compiere lavoro se dispone di energia. Pertanto, l'aria nel barattolo ha energia.

Man mano che l'aria eseguiva il lavoro, la sua temperatura diminuiva e le sue condizioni cambiavano. Allo stesso tempo, l'energia meccanica dell'aria non è cambiata: non sono cambiate né la sua velocità né la sua posizione rispetto alla Terra. Di conseguenza, il lavoro non è stato svolto grazie all'energia meccanica, ma ad altra energia. Questa energia è energia interna aria nel barattolo.

3. L'energia interna di un corpo è la somma dell'energia cinetica di movimento delle sue molecole e dell'energia potenziale della loro interazione.

Le molecole hanno energia cinetica ​\((E_к) \) , poiché sono in movimento, ed energia potenziale \((E_п) \) , poiché interagiscono.

L'energia interna è indicata con la lettera ​\(U\) ​. L'unità di energia interna è 1 joule (1 J).

\[ U=E_к+E_п \]

4. Maggiore è la velocità di movimento delle molecole, maggiore è la temperatura corporea, quindi, l'energia interna dipende dalla temperatura corporea. Per trasformare una sostanza dallo stato solido a quello liquido, ad esempio, per trasformare il ghiaccio in acqua, è necessario fornirle energia. Di conseguenza, l’acqua avrà più energia interna del ghiaccio della stessa massa e, quindi, l'energia interna dipende dallo stato di aggregazione del corpo.

L'energia interna di un corpo non dipende dal suo movimento nel suo insieme e dalla sua interazione con altri corpi. Pertanto, l'energia interna di una palla sdraiata sul tavolo e sul pavimento è la stessa, così come quella di una palla ferma e che rotola sul pavimento (se, ovviamente, trascuriamo la resistenza al suo movimento).

La variazione dell'energia interna può essere giudicata dal valore del lavoro svolto. Inoltre, poiché l’energia interna di un corpo dipende dalla sua temperatura, un cambiamento nella temperatura del corpo può essere utilizzato per giudicare il cambiamento nella sua energia interna.

5. L’energia interna può essere modificata facendo lavoro. Pertanto, nell'esperimento descritto, l'energia interna dell'aria e del vapore acqueo nel vaso diminuiva mentre eseguivano il lavoro di apertura del tappo. Allo stesso tempo, la temperatura dell'aria e del vapore acqueo è diminuita, come evidenziato dalla comparsa della nebbia.

Se colpisci più volte un pezzo di piombo con un martello, puoi capire anche al tatto che il pezzo di piombo si surriscalda. Di conseguenza, la sua energia interna, così come l'energia interna del martello, sono aumentate. Ciò è accaduto perché il lavoro è stato eseguito su un pezzo di piombo.

Se il corpo stesso lavora, la sua energia interna diminuisce e se viene svolto del lavoro su di esso, la sua energia interna aumenta.

Se versi acqua calda in un bicchiere di acqua fredda, la temperatura dell'acqua calda diminuirà e quella dell'acqua fredda aumenterà. In questo caso non viene svolto alcun lavoro, ma l'energia interna dell'acqua calda diminuisce, come evidenziato dalla diminuzione della sua temperatura.

Poiché inizialmente la temperatura dell'acqua calda era superiore a quella dell'acqua fredda, l'energia interna dell'acqua calda è maggiore. Ciò significa che le molecole di acqua calda hanno più energia cinetica rispetto alle molecole di acqua fredda. Le molecole di acqua calda trasferiscono questa energia alle molecole di acqua fredda durante le collisioni e l'energia cinetica delle molecole di acqua fredda aumenta. L'energia cinetica delle molecole di acqua calda diminuisce.

Nell'esempio considerato il lavoro meccanico non viene eseguito; l'energia interna dei corpi varia; trasferimento di calore.

Il trasferimento di calore è il metodo per modificare l'energia interna di un corpo trasferendo energia da una parte del corpo a un'altra o da un corpo a un altro senza compiere lavoro.

Parte 1

1. L'energia interna di un gas in un recipiente sigillato di volume costante è determinata da

1) movimento caotico delle molecole di gas
2) movimento dell'intera nave con gas
3) interazione della nave con il gas e la Terra
4) l'azione di forze esterne su una nave con gas

2. L'energia interna di un corpo dipende da

A) peso corporeo
B) posizione del corpo rispetto alla superficie terrestre
B) la velocità di movimento del corpo (in assenza di attrito)

Risposta corretta

1) solo A
2) solo B
3) solo B
4) solo B e C

3. L'energia interna di un corpo non dipende da

A) temperatura corporea
B) peso corporeo
B) posizione del corpo rispetto alla superficie terrestre

Risposta corretta

1) solo A
2) solo B
3) solo B
4) solo A e B

4. Come cambia l'energia interna di un corpo quando viene riscaldato?

1) aumenta
2) diminuisce
3) per i gas aumenta, per i solidi e i liquidi non varia
4) non cambia per i gas, aumenta per i solidi e i liquidi

5. L'energia interna di una moneta aumenta se

1) scaldare in acqua calda
2) immergere in acqua della stessa temperatura
3) farlo muovere ad una certa velocità
4) sollevarsi sopra la superficie della Terra

6. Un bicchiere d'acqua si trova su un tavolo nella stanza e un altro bicchiere d'acqua della stessa massa e della stessa temperatura si trova su uno scaffale sospeso ad un'altezza di 80 cm rispetto al tavolo. L'energia interna di un bicchiere d'acqua sul tavolo lo è

1) energia interna dell'acqua sullo scaffale
2) più energia interna dell'acqua sullo scaffale
3) minore energia interna dell'acqua sullo scaffale
4) uguale a zero

7. Dopo che la parte calda è stata immersa nell'acqua fredda, l'energia interna

1) aumenteranno sia le parti che l'acqua
2) diminuiranno sia le parti che l'acqua
3) le parti diminuiranno e l'acqua aumenterà
4) le parti aumenteranno e l'acqua diminuirà

8. Un bicchiere d'acqua è sul tavolo nella stanza, e un altro bicchiere d'acqua della stessa massa e della stessa temperatura si trova su un aereo che vola a una velocità di 800 km/h. Energia interna dell'acqua in un aereo

1) pari all'energia interna dell'acqua nella stanza
2) più energia interna dell'acqua nella stanza
3) minore energia interna dell'acqua nella stanza
4) uguale a zero

9. Dopo che l'acqua calda viene versata in una tazza sul tavolo, l'energia interna si libera

1) tazze e acqua aumentate
2) tazze e acqua diminuite
3) le tazze diminuivano e l'acqua aumentava
4) le tazze aumentavano e l'acqua diminuiva

10. La temperatura corporea può essere aumentata se

R. Lavoraci sopra.
B. Dategli un po' di calore.

Risposta corretta

1) solo A
2) solo B
3) sia A che B
4) né A né B

11. La palla di piombo viene raffreddata nel frigorifero. Come cambiano l'energia interna della palla, la sua massa e la densità della sostanza della palla? Per ciascuna grandezza fisica, determinare la natura corrispondente del cambiamento. Annota i numeri selezionati per ciascuna quantità fisica nella tabella. I numeri nella risposta possono essere ripetuti.

QUANTITÀ FISICA
A) energia interna
B) massa
B) densità

NATURA DEL CAMBIAMENTO
1) aumenta
2) diminuisce
3) non cambia

12. L'aria viene pompata nella bottiglia, chiusa ermeticamente con un tappo. Ad un certo punto il tappo vola via dalla bottiglia. Cosa succede al volume dell'aria, alla sua energia interna e alla temperatura? Per ciascuna grandezza fisica, determinare la natura del suo cambiamento. Annota i numeri selezionati per ciascuna quantità fisica nella tabella. I numeri nella risposta possono essere ripetuti.

QUANTITÀ FISICA
A) volume
B) energia interna
B) temperatura

NATURA DEL CAMBIAMENTO
1) aumenta
2) diminuisce
3) non cambia

Risposte

Per risolvere problemi pratici, non è l'energia interna in sé a svolgere un ruolo significativo, ma il suo cambiamento Δ U = U 2 - U 1. La variazione dell'energia interna viene calcolata in base alle leggi di conservazione dell'energia.

L’energia interna di un corpo può cambiare in due modi:

1. Al termine lavoro meccanico.

a) Se una forza esterna provoca la deformazione di un corpo, allora cambiano le distanze tra le particelle che lo compongono, e quindi cambia l'energia potenziale di interazione delle particelle. Durante le deformazioni anelastiche, inoltre, la temperatura corporea cambia, ad es. l'energia cinetica del movimento termico delle particelle cambia. Ma quando un corpo si deforma, viene compiuto lavoro, che è una misura del cambiamento nell'energia interna del corpo.

b) L'energia interna di un corpo cambia anche durante l'urto anelastico con un altro corpo. Come abbiamo visto prima, durante una collisione anelastica di corpi, la loro energia cinetica diminuisce, si trasforma in energia interna (ad esempio, se colpisci più volte con un martello un filo che giace su un'incudine, il filo si riscalderà). La misura della variazione dell'energia cinetica di un corpo è, secondo il teorema dell'energia cinetica, il lavoro delle forze agenti. Questo lavoro può anche servire come misura dei cambiamenti nell’energia interna.

c) Un cambiamento nell'energia interna di un corpo avviene sotto l'influenza dell'attrito, poiché, come è noto per esperienza, l'attrito è sempre accompagnato da un cambiamento nella temperatura dei corpi che sfregano. Il lavoro svolto dalla forza di attrito può servire come misura della variazione di energia interna.

2. Utilizzo scambio termico. Ad esempio, se un corpo viene posto nella fiamma di un bruciatore, la sua temperatura cambierà, quindi cambierà anche la sua energia interna. Tuttavia qui non è stato svolto alcun lavoro, perché non vi era alcun movimento visibile né del corpo stesso né delle sue parti.

Viene chiamata una variazione dell'energia interna di un sistema senza compiere lavoro scambio termico(trasferimento di calore).

Esistono tre tipi di trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento.

UN) Conduttività termicaè il processo di scambio termico tra corpi (o parti di un corpo) durante il loro contatto diretto, causato dal movimento termico caotico delle particelle corporee. Maggiore è la temperatura, maggiore è l'ampiezza delle vibrazioni delle molecole di un corpo solido. La conduttività termica dei gas è dovuta allo scambio di energia tra le molecole di gas durante le loro collisioni. Nel caso dei liquidi funzionano entrambi i meccanismi. La conducibilità termica di una sostanza è massima allo stato solido e minima allo stato gassoso.

B) Convezione rappresenta il trasferimento di calore mediante flussi riscaldati di liquido o gas da alcune aree del volume che occupano ad altre.

c) Scambio termico a radiazione effettuata a distanza tramite onde elettromagnetiche.

Consideriamo più in dettaglio le modalità di cambiamento dell'energia interna.

Quantità di calore

Come è noto, durante vari processi meccanici si verifica una variazione di energia meccanica W. Una misura della variazione di energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:

Durante lo scambio di calore si verifica un cambiamento nell'energia interna del corpo. Una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.

Quantità di caloreè una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore.

Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano la variazione di energia, ma non sono identici all'energia interna. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso (come fa l'energia interna), ma determinano il processo di transizione energetica da un tipo all'altro (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono in modo significativo dalla natura del processo.

La differenza principale tra lavoro e calore è questa

§ il lavoro caratterizza il processo di modifica dell'energia interna di un sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanica a interna);

§ la quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.

§ Capacità termica, la quantità di calore consumata per variare la temperatura di 1°C. Secondo una definizione più rigorosa, capacità termica- grandezza termodinamica determinata dall'espressione:

§ dove Δ Q- la quantità di calore impartita al sistema e che ne provoca la variazione di temperatura mediante Delta T. Rapporto alle differenze finite Δ Q/ΔТ è chiamato media capacità termica, il rapporto tra quantità infinitesime d Q/dT- VERO capacità termica. Dal d Q non è quindi un differenziale completo della funzione di stato capacità termica dipende dal percorso di transizione tra due stati del sistema. Distinguere capacità termica sistema nel suo insieme (J/K), specifico capacità termica[J/(g K)], molare capacità termica[J/(mol K)]. Tutte le formule seguenti utilizzano quantità molari capacità termica.

Domanda 32:

L’energia interna può essere modificata in due modi.

La quantità di calore (Q) è la variazione dell'energia interna di un corpo che si verifica a seguito del trasferimento di calore.

La quantità di calore viene misurata in unità SI in joule.
[Q] = 1J.

La capacità termica specifica di una sostanza indica la quantità di calore necessaria per modificare di 1°C la temperatura di un'unità di massa di una determinata sostanza.
Unità SI di capacità termica specifica:
[c] = 1 J/kg°C.

Domanda 33:

33 La prima legge della termodinamica è la quantità di calore ricevuta da un sistema per modificare la sua energia interna e compiere lavoro sui corpi esterni. dQ=dU+dA, dove dQ è la quantità elementare di calore, dA è il lavoro elementare, dU è l'incremento di energia interna. Applicazione del primo principio della termodinamica agli isoprocessi
Tra i processi di equilibrio che si verificano con i sistemi termodinamici, spiccano i seguenti: isoprocessi, in cui uno dei principali parametri di stato rimane costante.
Processo isocoro (V=cost). Diagramma di questo processo (isocora) nelle coordinate P, Vè raffigurato come una linea retta parallela all'asse delle ordinate (Fig. 81), dove il processo 1-2 c'è riscaldamento isocoro e 1 -3 - raffreddamento isocoro. In una trasformazione isocora il gas non compie lavoro sui corpi esterni, Processo isotermico (T=cost). Come già indicato nel § 41, il processo isotermo è descritto dalla legge Boyle-Mariotte
, affinché la temperatura non diminuisca durante l'espansione del gas, è necessario fornire al gas una quantità di calore equivalente al lavoro esterno di espansione durante una trasformazione isoterma.

Domanda 34:

34 Adiabaticoè un processo in cui non avviene alcuno scambio termico ( dQ= 0)tra il sistema e l'ambiente. Tutti i processi veloci possono essere classificati come processi adiabatici. Ad esempio, il processo di propagazione del suono in un mezzo può essere considerato un processo adiabatico, poiché la velocità di propagazione di un'onda sonora è così elevata che lo scambio di energia tra l'onda e il mezzo non ha il tempo di avvenire. I processi adiabatici vengono utilizzati nei motori a combustione interna (espansione e compressione della miscela combustibile in cilindri), nelle unità di refrigerazione, ecc.
Dal primo principio della termodinamica ( dQ= D U+dA) per una trasformazione adiabatica ne consegue che
p /С V =γ , troviamo

Integrando l'equazione nell'intervallo da p 1 a p 2 e, di conseguenza, da V 1 a V 2, e potenziando, si arriva all'espressione

Poiché gli stati 1 e 2 sono scelti arbitrariamente, possiamo scrivere

Energia interna del corpo non può essere un valore costante. Può cambiare in qualsiasi corpo. Se aumenti la temperatura corporea, la sua energia interna aumenterà, perché la velocità media del movimento molecolare aumenterà. Pertanto, l'energia cinetica delle molecole del corpo aumenta. E, viceversa, man mano che la temperatura diminuisce, diminuisce l’energia interna del corpo.

Possiamo concludere: L'energia interna di un corpo cambia se cambia la velocità di movimento delle molecole. Proviamo a determinare quale metodo può essere utilizzato per aumentare o diminuire la velocità di movimento delle molecole. Consideriamo il seguente esperimento. Fissiamo un tubo di ottone con pareti sottili al supporto. Riempire la provetta con etere e chiuderla con un tappo. Quindi lo leghiamo con una corda e iniziamo a muovere intensamente la corda in diverse direzioni. Dopo un certo tempo l'etere bollirà e la forza del vapore spingerà fuori il tappo. L'esperienza dimostra che l'energia interna della sostanza (etere) è aumentata: dopo tutto, ha cambiato la sua temperatura, bollendo allo stesso tempo.

L'aumento dell'energia interna si è verificato a causa del lavoro svolto quando il tubo veniva strofinato con una corda.

Come sappiamo, il riscaldamento dei corpi può avvenire anche durante gli urti, la flessione o l'estensione, o, più semplicemente, durante la deformazione. In tutti gli esempi forniti, l'energia interna del corpo aumenta.

Pertanto, l'energia interna del corpo può essere aumentata facendo lavoro sul corpo.

Se il lavoro viene eseguito dal corpo stesso, la sua energia interna diminuisce.

Consideriamo un altro esperimento.

Pompiamo aria in un recipiente di vetro che ha pareti spesse e viene chiuso con un tappo attraverso un foro appositamente realizzato al suo interno.

Dopo un po' il tappo volerà fuori dalla nave. Nel momento in cui il tappo volerà fuori dalla nave, potremo vedere la formazione della nebbia. Di conseguenza, la sua formazione significa che l'aria nel recipiente è diventata fredda. L'aria compressa contenuta nel serbatoio esegue una certa quantità di lavoro quando si estrae la spina. Esegue questo lavoro grazie alla sua energia interna, che è ridotta. Le conclusioni sulla diminuzione dell'energia interna possono essere tratte in base al raffreddamento dell'aria nella nave. Così, L'energia interna di un corpo può essere modificata eseguendo determinati lavori.

Tuttavia, l’energia interna può essere modificata in un altro modo, senza compiere lavoro. Consideriamo un esempio: l'acqua in un bollitore sul fornello sta bollendo. L'aria, così come gli altri oggetti nella stanza, vengono riscaldati da un radiatore centrale. In questi casi, l'energia interna aumenta, perché la temperatura corporea aumenta. Ma il lavoro non è finito. Quindi, concludiamo un cambiamento nell'energia interna potrebbe non verificarsi a causa dell'esecuzione di un lavoro specifico.

Diamo un'occhiata a un altro esempio.

Metti un ferro da maglia di metallo in un bicchiere d'acqua. L'energia cinetica delle molecole di acqua calda è maggiore dell'energia cinetica delle particelle metalliche fredde. Le molecole di acqua calda trasferiranno parte della loro energia cinetica alle particelle metalliche fredde. Pertanto, l'energia delle molecole d'acqua diminuirà in un certo modo, mentre l'energia delle particelle metalliche aumenterà. La temperatura dell'acqua diminuirà e la temperatura del ferro da calza diminuirà lentamente aumenterà. In futuro, la differenza tra la temperatura del ferro da calza e quella dell'acqua scomparirà. Grazie a questa esperienza, abbiamo visto un cambiamento nell'energia interna di vari corpi. Concludiamo: L'energia interna di vari corpi cambia a causa del trasferimento di calore.

Viene chiamato il processo di conversione dell'energia interna senza eseguire un lavoro specifico sul corpo o sul corpo stesso trasferimento di calore.

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Lezione di fisica in terza media sull'argomento: "Energia interna. Modi per cambiare l'energia interna"

Obiettivi della lezione:

• Formazione del concetto di “energia interna del corpo” basato sull'MCT della struttura della materia.
• Familiarizzazione con i modi per cambiare l’energia interna del corpo.
• Formazione del concetto di “scambio di calore” e capacità di applicare la conoscenza dell'MCT della struttura della materia nella spiegazione dei fenomeni termici.
• Sviluppare l'interesse per la fisica attraverso la dimostrazione di interessanti esempi della manifestazione dei fenomeni termici in natura e tecnologia.
• Giustificazione della necessità di studiare i fenomeni termici per applicare queste conoscenze nella vita di tutti i giorni.
• Sviluppo delle competenze informative e comunicative degli studenti.

Tipo di lezione. Lezione combinata.

Tipo di lezione. Lezione - presentazione

Formato della lezione.Conversazione interattiva, esperimento dimostrativo, storia, lavoro indipendente

Forme di lavoro degli studenti.Lavoro di squadra, lavoro individuale, lavoro di gruppo.

Attrezzatura: presentazione elettronica “Energia interna. Metodi di cambiamento dell'energia interna", computer, proiettore.

Avanzamento della lezione

Momento organizzativo.Buon pomeriggio Oggi nella lezione faremo conoscenza con un altro tipo di energia, scopriremo da cosa dipende e come può essere cambiata.

Aggiornamento della conoscenza.

• Ripetizione dei concetti fondamentali: energia, energia cinetica e potenziale, lavoro meccanico.

Imparare nuovo materiale.

Insegnante . Oltre ai concetti sopra menzionati, va anche ricordato che due tipologieenergia meccanicapossono trasformarsi (transizione) l'uno nell'altro, ad esempio, quando un corpo cade. Consideriamo una palla che cade liberamente. Ovviamente, cadendo, la sua altezza dalla superficie diminuisce e la sua velocità aumenta, questo significa che la sua energia potenziale diminuisce e la sua energia cinetica aumenta. Dovrebbe essere chiaro che questi due processi non avvengono separatamente, sono interconnessi e lo diconol’energia potenziale si trasforma in energia cinetica.

Per comprendere cos'è l'energia interna di un corpo è necessario rispondere alla seguente domanda: di cosa sono fatti tutti i corpi?

Studenti . I corpi sono costituiti da particelle che si muovono continuamente in modo caotico e interagiscono tra loro.

Insegnante . E se si muovono e interagiscono, hanno energia cinetica e potenziale, che costituiscono l'energia interna.

Studenti. Si scopre che tutti i corpi hanno la stessa energia interna, il che significa che la temperatura dovrebbe essere la stessa. Ma non è così.

Insegnante. Ovviamente no. I corpi hanno energie interne diverse e cercheremo di scoprire da cosa dipende e da cosa non dipende l'energia interna di un corpo.

Definizione.

Energia cineticamovimenti delle particelle eenergia potenzialele loro interazioni costituisconoenergia interna del corpo.

L'energia interna è indicata cone si misura, come tutti gli altri tipi di energia, in J (joule).

Di conseguenza, abbiamo una formula per l'energia interna del corpo:. Dove sotto si riferisce all'energia cinetica delle particelle del corpo e da– la loro energia potenziale.

Ricordiamo la lezione precedente, in cui abbiamo parlato del fatto che il movimento delle particelle di un corpo è caratterizzato dalla sua temperatura, invece l'energia interna del corpo è legata alla natura (attività) del movimento delle particelle. Pertanto, l'energia interna e la temperatura sono concetti correlati. Quando la temperatura di un corpo aumenta, aumenta anche la sua energia interna, mentre quando diminuisce diminuisce.

Abbiamo scoperto che l'energia interna del corpo può cambiare. Consideriamo i modi per cambiare l'energia interna del corpo.

Conosci già il concetto di lavoro meccanico di un corpo; è associato al movimento di un corpo quando ad esso viene applicata una certa forza. Se viene eseguito un lavoro meccanico, l'energia del corpo cambia e lo stesso si può dire specificamente dell'energia interna del corpo. È conveniente rappresentarlo in un diagramma:

Insegnante Il metodo per aumentare l'energia interna di un corpo attraverso l'attrito è noto alle persone fin dai tempi antichi. È così che le persone accendevano il fuoco. Quando lavori in officina, ad esempio, girando pezzi con una lima, cosa puoi osservare? (Le parti si sono surriscaldate). Quando una persona ha freddo, inizia a tremare involontariamente. Perché pensi? (Quando si trema, si verificano contrazioni muscolari. A causa del lavoro dei muscoli, l'energia interna del corpo aumenta e diventa più calda). Che conclusione si può trarre da quanto detto?

Studenti . L'energia interna di un corpo cambia quando il lavoro viene svolto. Se il corpo stesso lavora, la sua energia interna diminuisce e se viene svolto del lavoro su di esso, la sua energia interna aumenta.

Insegnante . Nella tecnologia, nell'industria e nella pratica quotidiana, incontriamo costantemente cambiamenti nell'energia interna di un corpo durante l'esecuzione del lavoro: riscaldamento dei corpi durante la forgiatura, durante l'impatto; eseguire lavori con aria compressa o vapore.

Rilassiamoci un po' e allo stesso tempo impariamo alcuni fatti interessanti dalla storia dei fenomeni termali (due studenti danno brevi messaggi preparati in anticipo).

Messaggio 1. Come venivano compiuti i miracoli.

L'antico meccanico greco Erone d'Alessandria, l'inventore della fontana che porta il suo nome, ci ha lasciato la descrizione di due modi ingegnosi con cui i sacerdoti egiziani ingannavano il popolo facendogli credere nei miracoli.
Nella Figura 1 vedi un altare metallico cavo e sotto di esso un meccanismo nascosto nella prigione che muove le porte del tempio. Fuori c'era l'altare. Quando viene acceso il fuoco, l'aria all'interno dell'altare, a causa del riscaldamento, esercita una maggiore pressione sull'acqua contenuta nel recipiente nascosto sotto il pavimento; Dalla nave, l'acqua viene espulsa attraverso un tubo e versata in un secchio che, una volta abbassato, attiva un meccanismo che fa ruotare le porte (Fig. 2). Gli spettatori stupiti, ignari dell'installazione nascosta sotto il pavimento, vedono davanti a loro un “miracolo”: non appena il fuoco divampa sull'altare, le porte del tempio, “ascoltando le preghiere del sacerdote”, si dissolvono come se da soli...

Smascherato il “miracolo” dei sacerdoti egiziani: le porte del tempio vengono aperte dall'azione del fuoco sacrificale.

Messaggio 2. Come venivano compiuti i miracoli.

Un altro miracolo immaginario compiuto dai sacerdoti è mostrato in Fig. 3. Quando una fiamma divampa sull'altare, l'aria, espandendosi, preleva l'olio dal serbatoio inferiore nei tubi nascosti dentro le figure dei sacerdoti, e poi l'olio stesso miracolosamente si aggiunge al fuoco... Ma non appena il sacerdote incaricato di questo altare rimosse silenziosamente il tappo dal serbatoio del coperchio - e l'effusione dell'olio si fermò (perché l'aria in eccesso fuoriusciva liberamente attraverso il foro); I sacerdoti ricorrevano a questo stratagemma quando le offerte dei fedeli erano troppo scarse.

Insegnante. Quanta familiarità abbiamo tutti con il tè del mattino! È così bello preparare il tè, versare lo zucchero in una tazza e berne un po’, con un cucchiaino. Solo una cosa è brutta: il cucchiaio è troppo caldo! Cos'è successo al cucchiaio? Perché la sua temperatura è aumentata? Perché la sua energia interna è aumentata? Ci abbiamo lavorato?

Studenti . No, non l'hanno fatto.

Insegnante . Scopriamo perché si è verificato il cambiamento nell'energia interna.

Inizialmente la temperatura dell'acqua è superiore alla temperatura del cucchiaio e quindi la velocità delle molecole d'acqua è maggiore. Ciò significa che le molecole d'acqua hanno più energia cinetica delle particelle del metallo di cui è composto il cucchiaio. Quando entrano in collisione con particelle metalliche, le molecole d'acqua trasferiscono loro parte della loro energia e l'energia cinetica delle particelle metalliche aumenta e l'energia cinetica delle molecole d'acqua diminuisce. Questo metodo per modificare l'energia interna dei corpi si chiama trasferimento di calore . Nella nostra vita quotidiana incontriamo spesso questo fenomeno. Ad esempio, nell'acqua, quando si è sdraiati a terra o nella neve, il corpo si raffredda, il che può portare a raffreddore o congelamento. In caso di forte gelo, le anatre si arrampicano volentieri nell'acqua. Perché pensi? (In caso di forte gelo, la temperatura dell'acqua è significativamente più alta della temperatura dell'aria ambiente, quindi l'uccello si raffredderà meno nell'acqua che nell'aria). Il trasferimento di calore avviene in diversi modi, ma di questo parleremo nella prossima lezione.

Pertanto, ci sono due modi possibili per cambiare l’energia interna. Quale?

Studenti . Prestazione di lavoro e trasmissione del calore.

Consolidamento del materiale studiato.Ora vediamo quanto bene hai imparato il nuovo materiale dalla lezione di oggi.. Farò delle domande e tu proverai a rispondere.

Domanda 1 . L'acqua fredda viene versata in un bicchiere, la stessa quantità di acqua bollente viene versata nell'altro. In quale bicchiere l'acqua ha più energia interna? (Nel secondo, perché la sua temperatura è più alta).

Domanda 2. Due barre di rame hanno la stessa temperatura, ma la massa di una è di 1 kg e dell'altra di 0,5 kg. Quale delle due barre indicate ha maggiore energia interna? (Il primo, perché la sua massa è maggiore).

Domanda 3. Il martello si surriscalda quando viene colpito, ad esempio, su un'incudine e quando giace al sole in una calda giornata estiva. Nomina i modi per modificare l'energia interna del martello in entrambi i casi. (Nel primo caso il lavoro è compiuto, nel secondo il trasferimento di calore).

Domanda 4 . L'acqua viene versata in una tazza di metallo. Quale dei seguenti fattori provoca un cambiamento nell'energia interna dell'acqua? (1, 3)

1. Scaldare l'acqua su una stufa calda.
2. Esecuzione di un lavoro sull'acqua, portandola in movimento in avanti insieme alla tazza.
3. Eseguire il lavoro sull'acqua mescolandola con un mixer.

Insegnante . E ora ti suggerisco di lavorare da solo. (Gli studenti sono divisi in 6 gruppi e il ulteriore lavoro verrà svolto in gruppi). Di fronte a te c'è un foglio di carta con tre compiti.

Compito 1. Qual è la ragione del cambiamento nell'energia interna dei corpi nei seguenti fenomeni:

1. riscaldamento dell'acqua con una caldaia;
2. raffreddare gli alimenti posti nel frigorifero;
3. accensione di un fiammifero quando viene colpito contro una scatola;
4. forte riscaldamento e combustione dei satelliti terrestri artificiali quando entrano negli strati densi inferiori dell'atmosfera;
5. se pieghi rapidamente il filo nello stesso punto, prima in una direzione, poi nell'altra, questo posto diventa molto caldo;
6. cucina;
7. Se scivoli rapidamente lungo un palo o una corda, puoi bruciarti le mani;
8. riscaldare l'acqua della piscina in una calda giornata estiva;
9. Quando si pianta un chiodo, la sua testa si riscalda;
10. Un fiammifero si accende quando viene posto nella fiamma di una candela.

Per due gruppi – con frizione; gli altri due gruppi - durante l'impatto e altri due gruppi - durante la compressione.

Riflessione.

• Quali cose nuove o interessanti hai imparato in classe oggi?
• Come hai imparato il materiale che hai trattato?
• Quali sono state le difficoltà? Sei riuscito a superarli?
• Le conoscenze acquisite nella lezione di oggi ti saranno utili?

Riassumendo la lezione.Oggi abbiamo conosciuto i concetti di base della sezione “Fenomeni termici”: energia interna e trasferimento di calore e abbiamo acquisito familiarità con i modi di modificare l'energia interna dei corpi. Le conoscenze acquisite ti aiuteranno a spiegare e prevedere il corso dei processi termici che incontrerai nella tua vita.

Compiti a casa. § 2, 3. Compiti sperimentali:

1. Usa un termometro domestico per misurare la temperatura dell'acqua versata in un barattolo o in una bottiglia.
   Chiudere bene il recipiente e agitarlo vigorosamente per 10-15 minuti, quindi misurare nuovamente la temperatura.
   Per evitare il trasferimento di calore dalle mani, indossare guanti o avvolgere il recipiente in un asciugamano.
   Quale metodo per cambiare l'energia interna hai usato? Spiegare.
2. Prendi un elastico legato con un anello, applica l'elastico sulla fronte e annota la sua temperatura. Tenendo la gomma con le dita, allungala vigorosamente più volte e, una volta allungata, premila nuovamente sulla fronte. Trarre una conclusione sulla temperatura e sulle ragioni che hanno causato il cambiamento.

Anteprima:

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