Metody zmiany energii wewnętrznej i ich opis

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby.

Jeśli nad ciałem zostanie wykonana praca, jego energia wewnętrzna wzrasta.

Jeśli ciało samo wykonuje pracę, jego energia wewnętrzna maleje.

Istnieją trzy proste (elementarne) rodzaje wymiany ciepła:

Przewodność cieplna

Konwekcja

Konwekcja to zjawisko przenoszenia ciepła w cieczach, gazach lub ośrodkach ziarnistych poprzez przepływ materii. Istnieje tzw konwekcja naturalna, która zachodzi samoistnie w substancji, gdy jest ona nierównomiernie podgrzewana w polu grawitacyjnym. Przy takiej konwekcji dolne warstwy substancji nagrzewają się, stają się lżejsze i unoszą się, a górne przeciwnie, ochładzają się, stają się cięższe i opadają, po czym proces się powtarza.

Promieniowanie cieplne lub promieniowanie to przenoszenie energii z jednego ciała na drugie w postaci fal elektromagnetycznych ze względu na ich energię cieplną.

Energia wewnętrzna gazu doskonałego

W oparciu o definicję gazu doskonałego nie posiada on potencjalnej składowej energii wewnętrznej (nie występują w nim siły oddziaływań molekularnych poza szokiem). Zatem energia wewnętrzna gazu doskonałego reprezentuje jedynie energię kinetyczną ruchu jego cząsteczek. Wcześniej (równanie 2.10) wykazano, że energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząsteczek gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej.

Korzystając ze wzoru na uniwersalną stałą gazową (4.6), możemy wyznaczyć wartość stałej α.

Zatem energia kinetyczna ruchu translacyjnego jednej cząsteczki gazu doskonałego zostanie określona przez wyrażenie.

Zgodnie z teorią kinetyczną rozkład energii w poszczególnych stopniach swobody jest równomierny. Ruch postępowy ma 3 stopnie swobody. W rezultacie jeden stopień swobody ruchu cząsteczki gazu będzie odpowiadał 1/3 jej energii kinetycznej.

Dla dwóch, trzech i wieloatomowych cząsteczek gazu, oprócz stopni swobody ruchu translacyjnego, istnieją stopnie swobody ruchu obrotowego cząsteczki. W przypadku dwuatomowych cząsteczek gazu liczba stopni swobody ruchu obrotowego wynosi 2, dla trzech i wieloatomowych cząsteczek - 3.

Ponieważ rozkład energii ruchu cząsteczki na wszystkich stopniach swobody jest równomierny, a liczba cząsteczek w jednym kilomolu gazu jest równa Nμ, energię wewnętrzną jednego kilomola gazu doskonałego można otrzymać mnożąc wyrażenie (4.11) przez liczbę cząsteczek w jednym kilomolu i przez liczbę stopni swobody ruchu cząsteczki danego gazu.

gdzie Uμ to energia wewnętrzna kilomola gazu w J/kmol, i to liczba stopni swobody ruchu cząsteczki gazu.

Dla 1 - gaz atomowy i = 3, dla 2 - gaz atomowy i = 5, dla 3 - gazy atomowe i wieloatomowe i = 6.

Prąd elektryczny. Warunki istnienia prądu elektrycznego. Pole elektromagnetyczne. Prawo Ohma dla pełnego obwodu. Praca i moc aktualna. Prawo Joule’a-Lenza.

Do warunków niezbędnych do istnienia prądu elektrycznego zalicza się: obecność w ośrodku swobodnych ładunków elektrycznych oraz wytworzenie w ośrodku pola elektrycznego. Aby wytworzyć kierunkowy ruch swobodnych ładunków, konieczne jest pole elektryczne w ośrodku. Jak wiadomo, na ładunek q w polu elektrycznym o natężeniu E działa siła F = qE, która powoduje ruch swobodnych ładunków w kierunku pola elektrycznego. Oznaką istnienia pola elektrycznego w przewodniku jest obecność niezerowej różnicy potencjałów pomiędzy dowolnymi dwoma punktami przewodnika.

Jednakże siły elektryczne nie są w stanie utrzymać prądu elektrycznego przez długi czas. Ukierunkowany ruch ładunków elektrycznych po pewnym czasie prowadzi do wyrównania potencjałów na końcach przewodnika i w konsekwencji do zaniku w nim pola elektrycznego. Aby utrzymać prąd w obwodzie elektrycznym, na ładunki oprócz sił Coulomba muszą działać siły natury nieelektrycznej (siły zewnętrzne). Urządzenie, które wytwarza siły zewnętrzne, utrzymuje różnicę potencjałów w obwodzie i przekształca różne rodzaje energii w energię elektryczną, nazywa się źródłem prądu.

Warunki istnienia prądu elektrycznego:

obecność przewoźników bezpłatnych

· obecność różnicy potencjałów. są to warunki wystąpienia prądu. aby prąd istniał

· obieg zamknięty

· źródło sił zewnętrznych utrzymujące różnicę potencjałów.

Wszelkie siły działające na cząstki naładowane elektrycznie, z wyjątkiem sił elektrostatycznych (kulombowskich), nazywane są siłami obcymi.

Siła elektromotoryczna.

Siła elektromotoryczna (EMF) jest skalarną wielkością fizyczną charakteryzującą działanie sił zewnętrznych (bezpotencjalnych) w źródłach prądu stałego lub przemiennego. W zamkniętym obwodzie przewodzącym pole elektromagnetyczne jest równe pracy tych sił potrzebnej do przemieszczenia pojedynczego ładunku dodatniego wzdłuż obwodu.

Jednostką pola elektromagnetycznego, podobnie jak napięcie, jest wolt. O sile elektromotorycznej możemy mówić w dowolnej części obwodu. Siła elektromotoryczna ogniwa galwanicznego jest liczbowo równa działaniu sił zewnętrznych podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego wewnątrz elementu z jego bieguna ujemnego na dodatni. Znak pola elektromagnetycznego określa się w zależności od dowolnie wybranego kierunku obejścia odcinka obwodu, w którym włączone jest źródło prądu.

Prawo Ohma dla pełnego obwodu.

Rozważmy najprostszy kompletny obwód składający się ze źródła prądu i rezystora o rezystancji R. Źródło prądu o sile emf ε ma rezystancję r, nazywa się to rezystancją wewnętrzną źródła prądu. Aby otrzymać prawo Ohma dla pełnego obwodu, korzystamy z prawa zachowania energii.

Niech ładunek q przejdzie przez przekrój przewodnika w czasie Δt. Wtedy, zgodnie ze wzorem, praca wykonana przez siły zewnętrzne podczas przemieszczania ładunku q jest równa . Z definicji natężenia prądu mamy: q = IΔt. Stąd, .

W wyniku działania sił zewnętrznych, gdy prąd przepływa przez obwód, w jego zewnętrznej i wewnętrznej części obwodu wydziela się pewna ilość ciepła, zgodnie z prawem Joule'a-Lenza równy:

Zgodnie z prawem zachowania energii A st = Q, stąd zatem emf źródła prądu jest równy sumie spadków napięcia w zewnętrznej i wewnętrznej części obwodu.

1. Istnieją dwa rodzaje energii mechanicznej: kinetyczna i potencjalna. Każde poruszające się ciało ma energię kinetyczną; jest wprost proporcjonalna do masy ciała i kwadratu jego prędkości. Ciała oddziałujące ze sobą mają energię potencjalną. Energia potencjalna ciała oddziałującego z Ziemią jest wprost proporcjonalna do jego masy i odległości między nimi
on i powierzchnia Ziemi.

Suma energii kinetycznej i potencjalnej ciała nazywa się jego całkowitą energią mechaniczną. Zatem całkowita energia mechaniczna zależy od prędkości ruchu ciała i jego położenia względem ciała, z którym oddziałuje.

Jeżeli ciało ma energię, to może wykonać pracę. Po wykonaniu pracy następuje zmiana energii ciała. Wartość pracy jest równa zmianie energii.

2. Jeśli do grubościennego słoika zamkniętego korkiem, którego dno zostanie zalane wodą (ryc. 67) zostanie wpompowane powietrze, to po pewnym czasie korek wyleci ze słoika i w słoiku utworzy się mgła.

Wyjaśnia to fakt, że w powietrzu w słoiku znajduje się para wodna, która powstaje podczas odparowywania wody. Pojawienie się mgły oznacza, że ​​para zamieniła się w wodę, tj. skondensowany, co może się zdarzyć, gdy temperatura spadnie. W rezultacie temperatura powietrza w słoiku spadła.

Przyczyna tego jest następująca. Korek wyleciał ze słoika, ponieważ znajdujące się tam powietrze zadziałało na niego z pewną siłą. Powietrze zadziałało po wyjęciu wtyczki. Wiadomo, że ciało może wykonać pracę, jeżeli posiada energię. Dlatego powietrze w słoiku ma energię.

W miarę wykonywania pracy przez powietrze jego temperatura spadała, a jego stan ulegał zmianie. Jednocześnie energia mechaniczna powietrza nie uległa zmianie: nie zmieniła się ani jego prędkość, ani położenie względem Ziemi. W związku z tym praca została wykonana nie z powodu energii mechanicznej, ale z powodu innej energii. Ta energia jest energia wewnętrzna powietrze w słoiku.

3. Energia wewnętrzna ciała jest sumą energii kinetycznej ruchu jego cząsteczek i energii potencjalnej ich oddziaływania.

Cząsteczki mają energię kinetyczną \((E_к) \) , ponieważ są w ruchu, i energię potencjalną \((E_п) \) , ponieważ oddziałują.

Energia wewnętrzna jest oznaczona literą \(U\) . Jednostką energii wewnętrznej jest 1 dżul (1 J).

\[ U=E_к+E_п \]

4. Im większa prędkość ruchu cząsteczek, tym wyższa temperatura ciała, dlatego energia wewnętrzna zależy od temperatury ciała. Aby przekształcić substancję ze stanu stałego w ciekły, na przykład zamienić lód w wodę, należy dostarczyć jej energię. W rezultacie woda będzie miała więcej energii wewnętrznej niż lód o tej samej masie, a zatem energia wewnętrzna zależy od stanu skupienia ciała.

Energia wewnętrzna ciała nie zależy od jego ruchu jako całości i jego interakcji z innymi ciałami. Zatem energia wewnętrzna piłki leżącej na stole i na podłodze jest taka sama, jak również piłki nieruchomej i toczącej się po podłodze (jeśli oczywiście pominiemy opór jej ruchu).

Zmianę energii wewnętrznej można ocenić na podstawie wartości wykonanej pracy. Ponadto, ponieważ energia wewnętrzna ciała zależy od jego temperatury, zmianę temperatury ciała można wykorzystać do oceny zmiany jego energii wewnętrznej.

5. Energię wewnętrzną można zmienić wykonując pracę. Zatem w opisywanym doświadczeniu energia wewnętrzna powietrza i pary wodnej w słoiku malała w miarę wykonywania przez nie pracy wypychania korka. Jednocześnie spadła temperatura powietrza i pary wodnej, o czym świadczy pojawienie się mgły.

Jeśli uderzysz młotkiem w kawałek ołowiu kilka razy, możesz nawet po dotyku stwierdzić, że kawałek ołowiu się nagrzeje. W rezultacie wzrosła jego energia wewnętrzna, a także wewnętrzna energia młota. Stało się tak, ponieważ wykonano pracę na kawałku ołowiu.

Jeśli samo ciało wykonuje pracę, to jego energia wewnętrzna maleje, a jeśli wykonana jest nad nim praca, to jego energia wewnętrzna wzrasta.

Jeśli wlejesz gorącą wodę do szklanki zimnej wody, temperatura gorącej wody spadnie, a temperatura zimnej wody wzrośnie. W tym przypadku nie jest wykonywana żadna praca, ale energia wewnętrzna gorącej wody maleje, o czym świadczy spadek jej temperatury.

Ponieważ początkowo temperatura gorącej wody była wyższa niż temperatura zimnej wody, energia wewnętrzna gorącej wody jest większa. Oznacza to, że cząsteczki gorącej wody mają większą energię kinetyczną niż cząsteczki zimnej wody. Cząsteczki gorącej wody podczas zderzeń przekazują tę energię cząsteczkom zimnej wody, a energia kinetyczna cząsteczek zimnej wody wzrasta. Energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody maleje.

W rozważanym przykładzie praca mechaniczna nie jest wykonywana; energia wewnętrzna ciał zmienia się przez przenikanie ciepła.

Przenikanie ciepła to metoda zmiany energii wewnętrznej ciała poprzez przeniesienie energii z jednej części ciała do drugiej lub z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy.

Część 1

1. Energię wewnętrzną gazu w zamkniętym naczyniu o stałej objętości wyznacza się ze wzoru

1) chaotyczny ruch cząsteczek gazu
2) ruch całego naczynia z gazem
3) oddziaływanie statku z gazem i Ziemią
4) działanie sił zewnętrznych na naczynie z gazem

2. Energia wewnętrzna ciała zależy od

A) masa ciała
B) położenie ciała względem powierzchni Ziemi
B) prędkość ruchu ciała (przy braku tarcia)

Prawidłowa odpowiedź

1) tylko A
2) tylko B
3) tylko B
4) tylko B i C

3. Energia wewnętrzna ciała nie zależy od

A) temperatura ciała
B) masa ciała
B) położenie ciała względem powierzchni Ziemi

Prawidłowa odpowiedź

1) tylko A
2) tylko B
3) tylko B
4) tylko A i B

4. Jak zmienia się energia wewnętrzna ciała pod wpływem ciepła?

1) wzrasta
2) maleje
3) dla gazów wzrasta, dla ciał stałych i cieczy nie zmienia się
4) nie zmienia się dla gazów, zwiększa się dla ciał stałych i cieczy

5. Energia wewnętrzna monety wzrasta, jeśli tak

1) podgrzej w gorącej wodzie
2) zanurzyć w wodzie o tej samej temperaturze
3) sprawić, żeby poruszał się z pewną prędkością
4) wznieść się ponad powierzchnię Ziemi

6. Jedna szklanka wody stoi na stole w pokoju, druga szklanka wody o tej samej masie i tej samej temperaturze stoi na półce wiszącej na wysokości 80 cm względem stołu. Energia wewnętrzna szklanki wody na stole wynosi

1) energia wewnętrzna wody na półce
2) więcej energii wewnętrznej wody na półce
3) mniejsza energia wewnętrzna wody na półce
4) równe zeru

7. Po zanurzeniu gorącej części w zimnej wodzie następuje energia wewnętrzna

1) wzrosną obie części i woda
2) obie części i woda zmniejszą się
3) części zmniejszą się, a woda wzrośnie
4) części wzrosną, a woda spadnie

8. Jedna szklanka wody stoi na stole w pokoju, a druga szklanka wody o tej samej masie i tej samej temperaturze znajduje się w samolocie lecącym z prędkością 800 km/h. Energia wewnętrzna wody w samolocie

1) równa energii wewnętrznej wody w pomieszczeniu
2) więcej energii wewnętrznej wody w pomieszczeniu
3) mniejsza energia wewnętrzna wody w pomieszczeniu
4) równe zeru

9. Po nalaniu gorącej wody do kubka stojącego na stole następuje energia wewnętrzna

1) zwiększono kubki i wodę
2) filiżanki i woda spadły
3) kubki zmniejszyły się, a woda wzrosła
4) kubki wzrosły, a woda spadła

10. Temperaturę ciała można zwiększyć, jeśli

A. Pracuj nad tym.
B. Daj mu trochę ciepła.

Prawidłowa odpowiedź

1) tylko A
2) tylko B
3) zarówno A, jak i B
4) ani A, ani B

11. Ołowiana kula jest chłodzona w lodówce. Jak zmienia się energia wewnętrzna kuli, jej masa i gęstość substancji kuli? Dla każdej wielkości fizycznej określ odpowiadający jej charakter zmiany. Zapisz wybrane liczby dla każdej wielkości fizycznej w tabeli. Liczby w odpowiedzi mogą się powtarzać.

ILOŚĆ FIZYCZNA
A) energia wewnętrzna
B) masa
B) gęstość

CHARAKTER ZMIANY
1) wzrasta
2) maleje
3) nie ulega zmianie

12. Do butelki szczelnie zamkniętej korkiem wpompowuje się powietrze. W pewnym momencie z butelki wylatuje korek. Co dzieje się z objętością powietrza, jego energią wewnętrzną i temperaturą? Dla każdej wielkości fizycznej określ charakter jej zmiany. Zapisz wybrane liczby dla każdej wielkości fizycznej w tabeli. Liczby w odpowiedzi mogą się powtarzać.

ILOŚĆ FIZYCZNA
A) objętość
B) energia wewnętrzna
B) temperatura

CHARAKTER ZMIANY
1) wzrasta
2) maleje
3) nie ulega zmianie

Odpowiedzi

Aby rozwiązać problemy praktyczne, nie sama energia wewnętrzna odgrywa znaczącą rolę, ale jej zmiana Δ U = U 2 - U 1. Zmiana energii wewnętrznej obliczana jest w oparciu o zasady zachowania energii.

Energia wewnętrzna ciała może zmieniać się na dwa sposoby:

1. Po zakończeniu praca mechaniczna.

a) Jeżeli siła zewnętrzna powoduje odkształcenie ciała, to zmieniają się odległości pomiędzy cząstkami, z których się ono składa, a co za tym idzie, zmienia się energia potencjalna oddziaływania cząstek. Podczas odkształceń niesprężystych dodatkowo zmienia się temperatura ciała, tj. zmienia się energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek. Kiedy jednak ciało ulega odkształceniu, wykonywana jest praca, która jest miarą zmiany energii wewnętrznej ciała.

b) Energia wewnętrzna ciała zmienia się także podczas jego niesprężystego zderzenia z innym ciałem. Jak widzieliśmy wcześniej, podczas niesprężystego zderzenia ciał, ich energia kinetyczna maleje, zamienia się w energię wewnętrzną (np. jeśli uderzysz młotkiem kilka razy w drut leżący na kowadle, drut się nagrzeje). Miarą zmiany energii kinetycznej ciała jest, zgodnie z twierdzeniem o energii kinetycznej, praca działających sił. Praca ta może również służyć jako miara zmian energii wewnętrznej.

c) Zmiana energii wewnętrznej ciała następuje pod wpływem tarcia, gdyż jak wiadomo z doświadczenia, tarciu zawsze towarzyszy zmiana temperatury trących się ciał. Praca wykonana przez siłę tarcia może służyć jako miara zmiany energii wewnętrznej.

2. Używanie wymiana ciepła. Na przykład, jeśli ciało zostanie umieszczone w płomieniu palnika, jego temperatura ulegnie zmianie, a zatem zmieni się również jego energia wewnętrzna. Nie wykonano tu jednak żadnej pracy, gdyż nie było widocznego ruchu ani samego ciała, ani jego części.

Zmiana energii wewnętrznej układu bez wykonania pracy nazywa się zmianą energii wewnętrznej układu wymiana ciepła(przenikanie ciepła).

Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

A) Przewodność cieplna to proces wymiany ciepła pomiędzy ciałami (lub częściami ciała) podczas ich bezpośredniego kontaktu, spowodowany termicznym chaotycznym ruchem cząstek ciała. Im wyższa temperatura, tym większa amplituda drgań cząsteczek ciała stałego. Przewodność cieplna gazów wynika z wymiany energii pomiędzy cząsteczkami gazu podczas ich zderzeń. W przypadku cieczy oba mechanizmy działają. Przewodność cieplna substancji jest maksymalna w stanie stałym i minimalna w stanie gazowym.

B) Konwekcja reprezentuje przenoszenie ciepła przez ogrzane przepływy cieczy lub gazu z niektórych obszarów zajmowanej przez nie objętości do innych.

c) Wymiana ciepła przy promieniowanie przeprowadzane na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych.

Rozważmy bardziej szczegółowo sposoby zmiany energii wewnętrznej.

Ilość ciepła

Jak wiadomo, podczas różnych procesów mechanicznych następuje zmiana energii mechanicznej W. Miarą zmiany energii mechanicznej jest praca sił przyłożonych do układu:

Podczas wymiany ciepła następuje zmiana energii wewnętrznej ciała. Miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła jest ilość ciepła.

Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła.

Zatem zarówno praca, jak i ilość ciepła charakteryzują zmianę energii, ale nie są tożsame z energią wewnętrzną. Nie charakteryzują one stanu samego układu (jak robi to energia wewnętrzna), ale określają proces przejścia energii z jednego rodzaju na drugi (z jednego ciała na drugie), gdy stan się zmienia i w istotny sposób zależą od charakteru procesu.

Główna różnica między pracą a ciepłem polega na tym

§ praca charakteryzuje proces zmiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na inny (z mechanicznej na wewnętrzną);

§ ilość ciepła charakteryzuje proces przenoszenia energii wewnętrznej z jednego ciała do drugiego (z bardziej ogrzanego do mniej ogrzanego), któremu nie towarzyszą przemiany energetyczne.

§ Pojemność cieplna, ilość ciepła zużyta na zmianę temperatury o 1°C. Według bardziej rygorystycznej definicji, pojemność cieplna- wielkość termodynamiczna określona wyrażeniem:

§ gdzie Δ Q- ilość ciepła oddanego do układu i powodującego zmianę jego temperatury przez Delta T; Stosunek różnicy skończonej Δ Q/ΔТ nazywa się średnią pojemność cieplna, stosunek nieskończenie małych ilości d Q/dT- PRAWDA pojemność cieplna. Od zm Q nie jest zatem zupełną różniczką funkcji stanu pojemność cieplna zależy od ścieżki przejścia pomiędzy dwoma stanami układu. Wyróżnić pojemność cieplna system jako całość (J/K), specyficzny pojemność cieplna[J/(g · K)], molowy pojemność cieplna[J/(mol K)]. Wszystkie poniższe wzory wykorzystują ilości molowe pojemność cieplna.

Pytanie 32:

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby.

Ilość ciepła (Q) to zmiana energii wewnętrznej ciała, która następuje w wyniku wymiany ciepła.

Ilość ciepła mierzy się w jednostkach SI w dżulach.
[Q] = 1J.

Ciepło właściwe substancji pokazuje, ile ciepła potrzeba, aby zmienić temperaturę jednostki masy danej substancji o 1°C.
Jednostka SI pojemności cieplnej właściwej:
[c] = 1 J/kg °C.

Pytanie 33:

33 Pierwszą zasadą termodynamiki jest ilość ciepła otrzymanego przez układ w celu zmiany jego energii wewnętrznej i wykonania pracy nad ciałami zewnętrznymi. dQ=dU+dA, gdzie dQ to elementarna ilość ciepła, dA to elementarna praca, dU to przyrost energii wewnętrznej. Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki do izoprocesów
Wśród procesów równowagowych zachodzących w układach termodynamicznych wyróżniają się: izoprocesy, w którym jeden z głównych parametrów stanu pozostaje stały.
Proces izochoryczny (V=stała). Schemat tego procesu (izochora) we współrzędnych P, V jest przedstawiony jako linia prosta równoległa do osi rzędnych (ryc. 81), gdzie przebiega proces 1-2 istnieje ogrzewanie izochoryczne i 1 -3 - chłodzenie izochoryczne. W procesie izochorycznym gaz nie wykonuje pracy na ciałach zewnętrznych, Proces izotermiczny (T=stała). Jak już wskazano w § 41, proces izotermiczny opisuje prawo Boyle'a-Mariotte'a
, aby podczas rozprężania gazu temperatura nie uległa obniżeniu, w procesie izotermicznym do gazu należy dostarczyć ilość ciepła odpowiadającą zewnętrznej pracy rozprężania.

Pytanie 34:

34 Adiabatyczny jest procesem, w którym nie zachodzi wymiana ciepła ( dQ= 0)pomiędzy systemem a otoczeniem. Wszystkie szybkie procesy można zaliczyć do procesów adiabatycznych. Na przykład proces rozchodzenia się dźwięku w ośrodku można uznać za proces adiabatyczny, ponieważ prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest tak duża, że ​​wymiana energii między falą a ośrodkiem nie ma czasu na wystąpienie. Procesy adiabatyczne stosowane są w silnikach spalinowych (rozprężanie i sprężanie mieszanki palnej w cylindrach), w agregatach chłodniczych itp.
Z pierwszej zasady termodynamiki ( dQ= D U+dA) dla procesu adiabatycznego wynika z tego
p /С V = γ , znajdujemy

Całkując równanie w zakresie od p 1 do p 2 i odpowiednio od V 1 do V 2 i wzmacniając, dochodzimy do wyrażenia

Ponieważ stany 1 i 2 są wybierane arbitralnie, możemy pisać

Wewnętrzna energia ciała nie może być wartością stałą. Może się zmienić w każdym organizmie. Jeśli zwiększysz temperaturę ciała, wówczas jego energia wewnętrzna wzrośnie, ponieważ średnia prędkość ruchu molekularnego wzrośnie. W ten sposób wzrasta energia kinetyczna cząsteczek ciała. I odwrotnie, wraz ze spadkiem temperatury energia wewnętrzna ciała maleje.

Możemy stwierdzić: Energia wewnętrzna ciała zmienia się, jeśli zmienia się prędkość ruchu cząsteczek. Spróbujmy określić, jaką metodę można zastosować, aby zwiększyć lub zmniejszyć prędkość ruchu cząsteczek. Rozważmy następujący eksperyment. Do stojaka przymocujmy mosiężną rurkę o cienkich ściankach. Napełnij rurkę eterem i zamknij ją korkiem. Następnie zawiązujemy ją liną i zaczynamy intensywnie przesuwać linę w różnych kierunkach. Po pewnym czasie eter się zagotuje, a siła pary wypchnie korek. Doświadczenie pokazuje, że energia wewnętrzna substancji (eteru) wzrosła: w końcu zmieniła ona swoją temperaturę, jednocześnie wrząc.

Wzrost energii wewnętrznej nastąpił w wyniku pracy wykonanej podczas pocierania rury o linę.

Jak wiemy, nagrzanie ciała może nastąpić także podczas uderzeń, zginania czy prostowania, czy też prościej, podczas deformacji. We wszystkich podanych przykładach wzrasta energia wewnętrzna ciała.

Zatem energię wewnętrzną ciała można zwiększyć wykonując pracę nad ciałem.

Jeśli pracę wykonuje samo ciało, jego energia wewnętrzna maleje.

Rozważmy inny eksperyment.

Pompujemy powietrze do szklanego naczynia o grubych ściankach, zamykanego korkiem przez specjalnie wykonany w nim otwór.

Po pewnym czasie korek wyleci z naczynia. W momencie, gdy korek wyleci z naczynia, będziemy mogli zaobserwować powstawanie mgły. W konsekwencji jego powstawanie oznacza, że ​​powietrze w naczyniu stało się zimne. Sprężone powietrze znajdujące się w naczyniu wykonuje pewną pracę przy wypychaniu korka. Wykonuje tę pracę dzięki swojej energii wewnętrznej, która jest zmniejszona. Wnioski o spadku energii wewnętrznej można wyciągnąć na podstawie ochłodzenia powietrza w naczyniu. Zatem, Energię wewnętrzną ciała można zmienić wykonując określoną pracę.

Energię wewnętrzną można jednak zmienić w inny sposób, bez wykonywania pracy. Rozważmy przykład: woda w czajniku stojącym na kuchence gotuje się. Powietrze, podobnie jak inne przedmioty w pomieszczeniu, ogrzewane jest przez centralny grzejnik. W takich przypadkach energia wewnętrzna wzrasta, ponieważ wzrasta temperatura ciała. Ale praca nie została wykonana. Więc podsumowujemy zmiana energii wewnętrznej nie może nastąpić w wyniku wykonania określonej pracy.

Spójrzmy na inny przykład.

Umieść metalową igłę dziewiarską w szklance wody. Energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody jest większa niż energia kinetyczna cząstek zimnego metalu. Cząsteczki gorącej wody przekażą część swojej energii kinetycznej cząstkom zimnego metalu. Zatem energia cząsteczek wody w określony sposób spadnie, podczas gdy energia cząstek metalu wzrośnie. Temperatura wody spadnie, a temperatura igły będzie powoli spadać wzrośnie. W przyszłości różnica między temperaturą igły a wodą zniknie. Dzięki temu doświadczeniu zaobserwowaliśmy zmianę energii wewnętrznej różnych ciał. Dochodzimy do wniosku: Energia wewnętrzna różnych ciał zmienia się w wyniku wymiany ciepła.

Nazywa się proces przekształcania energii wewnętrznej bez wykonywania określonej pracy na ciele lub na samym ciele przenikanie ciepła.

Nadal masz pytania? Nie wiesz jak odrobić pracę domową?
Aby uzyskać pomoc od nauczyciela -.
Pierwsza lekcja jest bezpłatna!

blog.site, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do oryginalnego źródła.

Lekcja fizyki w klasie 8 na temat: „Energia wewnętrzna. Sposoby zmiany energii wewnętrznej”

Cele lekcji:

• Stworzenie koncepcji „energii wewnętrznej ciała” w oparciu o MCT struktury materii.
• Zapoznanie ze sposobami zmiany energii wewnętrznej ciała.
• Kształtowanie pojęcia „przenikania ciepła” i umiejętność zastosowania wiedzy MCT o strukturze materii w wyjaśnianiu zjawisk termicznych.
• Rozwijanie zainteresowań fizyką poprzez demonstrację ciekawych przykładów przejawów zjawisk termicznych w przyrodzie i technice.
• Uzasadnienie konieczności badania zjawisk termicznych w celu zastosowania tej wiedzy w życiu codziennym.
• Rozwój kompetencji informacyjnych i komunikacyjnych uczniów.

Typ lekcji. Połączona lekcja.

Rodzaj lekcji. Lekcja - prezentacja

Forma lekcji.Interaktywna rozmowa, eksperyment demonstracyjny, historia, samodzielna praca

Formy pracy studentów.Praca zespołowa, praca indywidualna, praca w grupie.

Sprzęt: prezentacja elektroniczna „Energia wewnętrzna. Metody zmiany energii wewnętrznej”, komputer, rzutnik.

Postęp lekcji

Moment organizacyjny.Dzień dobry Dziś na lekcji zapoznamy się z innym rodzajem energii, dowiemy się, od czego zależy i jak można ją zmienić.

Aktualizowanie wiedzy.

• Powtórzenie podstawowych pojęć: energia, energia kinetyczna i potencjalna, praca mechaniczna.

Nauka nowego materiału.

Nauczyciel . Oprócz wspomnianych powyżej koncepcji należy pamiętać również o dwóch rodzajachenergia mechanicznamogą się przekształcać (przechodzić) w siebie, na przykład podczas upadku ciała. Rozważmy swobodnie spadającą piłkę. Oczywiście podczas upadku zmniejsza się jego wysokość nad powierzchnią i zwiększa się prędkość, co oznacza, że ​​maleje jego energia potencjalna, a wzrasta energia kinetyczna. Należy rozumieć, że te dwa procesy nie zachodzą osobno, są ze sobą powiązane i tak mówiąenergia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną.

Aby zrozumieć, czym jest energia wewnętrzna ciała, należy odpowiedzieć na pytanie: z czego zbudowane są wszystkie ciała?

Studenci . Ciała składają się z cząstek, które nieustannie poruszają się chaotycznie i oddziałują ze sobą.

Nauczyciel . A jeśli się poruszają i oddziałują, to mają energię kinetyczną i potencjalną, które stanowią energię wewnętrzną.

Studenci. Okazuje się, że wszystkie ciała mają tę samą energię wewnętrzną, co oznacza, że ​​temperatura powinna być taka sama. Ale tak nie jest.

Nauczyciel. Oczywiście, że nie. Ciała mają różne energie wewnętrzne, a my spróbujemy dowiedzieć się, od czego zależy energia wewnętrzna ciała, a od czego nie zależy.

Definicja.

Energia kinetycznaruchy cząstek ienergia potencjalnastanowią ich interakcjeenergia wewnętrzna ciała.

Energia wewnętrzna jest oznaczona przezi jest mierzona, jak wszystkie inne rodzaje energii, w J (dżulach).

W rezultacie mamy wzór na energię wewnętrzną ciała:. Gdzie pod odnosi się do energii kinetycznej cząstek ciała i przez– ich energia potencjalna.

Przypomnijmy sobie poprzednią lekcję, podczas której rozmawialiśmy o tym, że ruch cząstek ciała charakteryzuje się jego temperaturą, natomiast energia wewnętrzna ciała jest powiązana z naturą (aktywnością) ruchu cząsteczki. Dlatego energia wewnętrzna i temperatura są pojęciami wzajemnie powiązanymi. Gdy temperatura ciała wzrasta, wzrasta również jego energia wewnętrzna, a gdy maleje, maleje.

Odkryliśmy, że energia wewnętrzna ciała może się zmieniać. Rozważmy sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała.

Znasz już pojęcie pracy mechanicznej ciała; wiąże się ona z ruchem ciała pod wpływem przyłożenia do niego określonej siły. Jeśli wykonywana jest praca mechaniczna, wówczas zmienia się energia ciała i to samo można powiedzieć konkretnie o energii wewnętrznej ciała. Wygodnie jest przedstawić to na schemacie:

Nauczyciel Metoda zwiększania energii wewnętrznej ciała poprzez tarcie znana jest ludziom od czasów starożytnych. W ten sposób ludzie rozpalali ogień. Co można zaobserwować pracując w warsztatach np. tocząc części pilnikiem? (Części się nagrzały). Kiedy człowiekowi jest zimno, zaczyna mimowolnie drżeć. Jak myślisz, dlaczego? (Podczas drżenia występują skurcze mięśni. Dzięki pracy mięśni energia wewnętrzna ciała wzrasta i staje się cieplejsza). Jaki wniosek można wyciągnąć z tego, co zostało powiedziane?

Studenci . Energia wewnętrzna ciała zmienia się w miarę wykonywania pracy. Jeśli samo ciało wykonuje pracę, jego energia wewnętrzna maleje, a jeśli wykonana jest nad nim praca, jego energia wewnętrzna wzrasta.

Nauczyciel . W technologii, przemyśle i codziennej praktyce stale spotykamy się ze zmianami energii wewnętrznej ciała podczas wykonywania pracy: nagrzewaniem ciał podczas kucia, podczas uderzenia; wykonywania pracy ze sprężonym powietrzem lub parą.

Odprężmy się trochę, a przy okazji poznajmy kilka ciekawostek z historii zjawisk termicznych (dwóch uczniów przekazuje przygotowane wcześniej krótkie komunikaty).

Wiadomość 1. Jak działy się cuda.

Starożytny grecki mechanik Czapla z Aleksandrii, wynalazca fontanny noszącej jego imię, pozostawił nam opis dwóch pomysłowych sposobów, w jakie egipscy kapłani oszukiwali ludzi, aby uwierzyli w cuda.
Na rycinie 1 widać wydrążony metalowy ołtarz, a pod nim ukryty w lochach mechanizm poruszający drzwiami świątyni. Na zewnątrz stał ołtarz. Kiedy rozpala się ogień, powietrze wewnątrz ołtarza na skutek nagrzania wywiera większy nacisk na wodę w naczyniu ukrytym pod podłogą; Z naczynia woda jest wypychana rurką i wlewana do wiadra, które po opuszczeniu uruchamia mechanizm obracający drzwiczki (ryc. 2). Zdumieni widzowie, nieświadomi instalacji ukrytej pod podłogą, widzą przed sobą „cud”: gdy tylko ogień zapłonie na ołtarzu, drzwi świątyni, „wysłuchując modlitw kapłana”, rozpływają się jeśli sami...

Ujawnienie „cudu” egipskich kapłanów: drzwi świątyni otwierają się dzięki działaniu ofiarnego ognia.

Wiadomość 2. Jak działy się cuda.

Kolejny wyimaginowany cud dokonany przez kapłanów pokazano na ryc. 3. Kiedy na ołtarzu płonie płomień, powietrze rozprężając się, usuwa oliwę z dolnego zbiornika do rurek ukrytych wewnątrz postaci kapłanów, po czym w cudowny sposób sama oliwa jest dodawana do ognia... Ale gdy tylko kapłan odpowiedzialny za ten ołtarz po cichu usunął korek z pokrywy zbiornika - i wylanie oliwy ustało (ponieważ nadmiar powietrza swobodnie uchodził przez otwór); Kapłani uciekali się do tej sztuczki, gdy ofiary składane przez wyznawców były zbyt skromne.

Nauczyciel. Jakże wszyscy znamy poranną herbatę! Miło jest zaparzyć herbatę, wsypać cukier do filiżanki i wypić trochę, małą łyżeczką. Tylko jedna rzecz jest zła - łyżka jest za gorąca! Co się stało z łyżką? Dlaczego wzrosła jej temperatura? Dlaczego jej energia wewnętrzna wzrosła? Czy wykonaliśmy nad tym pracę?

Studenci . Nie, nie zrobili tego.

Nauczyciel . Dowiedzmy się, dlaczego nastąpiła zmiana energii wewnętrznej.

Początkowo temperatura wody jest wyższa niż temperatura łyżki, dlatego prędkość cząsteczek wody jest większa. Oznacza to, że cząsteczki wody mają większą energię kinetyczną niż cząsteczki metalu, z którego wykonana jest łyżka. Kiedy zderzają się z cząsteczkami metalu, cząsteczki wody przekazują im część swojej energii, a energia kinetyczna cząstek metalu wzrasta, a energia kinetyczna cząsteczek wody maleje. Ta metoda zmiany energii wewnętrznej ciał nazywa się przenikanie ciepła . W życiu codziennym często spotykamy się z tym zjawiskiem. Na przykład w wodzie, leżąc na ziemi lub na śniegu, ciało się wychładza, co może prowadzić do przeziębień lub odmrożeń. Przy silnych mrozach kaczki chętnie wspinają się do wody. Jak myślisz, dlaczego? (Przy silnych mrozach temperatura wody jest znacznie wyższa niż temperatura otoczenia, więc ptak będzie mniej chłodził w wodzie niż w powietrzu). Przenikanie ciepła odbywa się na kilka sposobów, ale porozmawiamy o tym w następnej lekcji.

Zatem istnieją dwa możliwe sposoby zmiany energii wewnętrznej. Który?

Studenci . Wydajność pracy i przenikanie ciepła.

Konsolidacja badanego materiału.Zobaczmy teraz, jak dobrze nauczyłeś się nowego materiału z dzisiejszej lekcji.. Ja będę zadawał pytania, a Wy spróbujecie na nie odpowiedzieć.

Pytanie 1 . Do jednej szklanki wlewa się zimną wodę, do drugiej wlewa się taką samą ilość wrzącej wody. W którym szkle woda ma więcej energii wewnętrznej? (W drugim, bo jego temperatura jest wyższa).

Pytanie 2. Dwa pręty miedziane mają tę samą temperaturę, ale masa jednego wynosi 1 kg, a drugiego 0,5 kg. Który z dwóch podanych prętów ma większą energię wewnętrzną? (Pierwszy, bo ma większą masę).

Pytanie 3. Młot nagrzewa się, gdy zostanie uderzony np. w kowadło, a także gdy w upalny, letni dzień wystawiony zostanie na słońce. Wymień sposoby zmiany energii wewnętrznej młotka w obu przypadkach. (W pierwszym przypadku wykonywana jest praca, a w drugim wymiana ciepła).

Pytanie 4 . Wodę wlewa się do metalowego kubka. Które z poniższych zjawisk powoduje zmianę energii wewnętrznej wody? (1, 3)

1. Ogrzewanie wody na gorącej kuchence.
2. Wykonywanie pracy nad wodą, wprawianie jej w ruch do przodu wraz z kubkiem.
3. Prace na wodzie wykonywać mieszając ją mikserem.

Nauczyciel . A teraz sugeruję pracę na własną rękę. (Uczniowie podzieleni są na 6 grup, a dalsza praca będzie realizowana w grupach). Przed tobą leży kartka z trzema zadaniami.

Zadanie 1. Jaka jest przyczyna zmiany energii wewnętrznej ciał w następujących zjawiskach:

1. podgrzewanie wody za pomocą bojlera;
2. schładzanie żywności umieszczonej w lodówce;
3. zapalenie zapałki po uderzeniu w pudełko;
4. silne nagrzewanie i spalanie sztucznych satelitów ziemskich, gdy wchodzą one w niższe gęste warstwy atmosfery;
5. jeśli szybko zginasz drut w tym samym miejscu, najpierw w jednym kierunku, potem w drugim, to miejsce to staje się bardzo gorące;
6. gotowanie;
7. Jeśli szybko zjedziesz po drążku lub linie, możesz poparzyć ręce;
8. podgrzewanie wody w basenie w upalny letni dzień;
9. Podczas wbijania gwoździa jego główka nagrzewa się;
10. Zapałka zapala się po umieszczeniu jej w płomieniu świecy.

Dla dwóch grup – z tarciem; pozostałe dwie grupy - podczas uderzenia i dwie kolejne grupy - podczas ściskania.

Odbicie.

• Jakich nowych lub interesujących rzeczy nauczyłeś się dzisiaj na zajęciach?
• Jak nauczyłeś się materiału, który omawiałeś?
• Jakie były trudności? Czy udało Ci się je pokonać?
• Czy wiedza zdobyta na dzisiejszej lekcji będzie dla Ciebie przydatna?

Podsumowanie lekcji.Dzisiaj zapoznaliśmy się z podstawowymi pojęciami z części „Zjawiska cieplne”: energią wewnętrzną i przenoszeniem ciepła oraz zapoznaliśmy się ze sposobami zmiany energii wewnętrznej ciał. Zdobyta wiedza pomoże Ci wyjaśnić i przewidzieć przebieg procesów termicznych, które spotkasz w swoim życiu.

Praca domowa. § 2, 3. Zadania doświadczalne:

1. Za pomocą domowego termometru zmierz temperaturę wody wlanej do słoika lub butelki.
   Zamknij naczynie szczelnie i energicznie potrząsaj nim przez 10–15 minut, a następnie ponownie zmierz temperaturę.
   Aby zapobiec przenoszeniu ciepła z dłoni, załóż rękawiczki lub owiń naczynie ręcznikiem.
   Jakiej metody zmiany energii wewnętrznej użyłeś? Wyjaśnić.
2. Weź gumkę zawiązaną kółkiem, przyłóż opaskę do czoła i zanotuj jej temperaturę. Trzymając gumkę w palcach, energicznie ją rozciągnij kilka razy, a po rozciągnięciu ponownie dociśnij ją do czoła. Wyciągnij wnioski na temat temperatury i przyczyn, które spowodowały tę zmianę.

Zapowiedź:

Aby korzystać z podglądów prezentacji, utwórz konto Google i zaloguj się: