"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
В тепловых процессах энергия передаётся между телами и превращается из одного вида в другой. Внутренняя энергия тела изменяется при теплопередаче или совершении работы: тело может нагреваться, охлаждаться или приводить в движение другие тела. Закон сохранения энергии помогает проследить весь обмен и понять, что энергия не исчезает и не появляется из ничего.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц тела. Она зависит от температуры, состояния вещества и других условий, поэтому может изменяться. Это понятие нужно, чтобы описывать нагревание, охлаждение и превращения энергии внутри тела.
Теплопередача — передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы. Например, горячая вода отдаёт энергию холодной чашке. Такое понятие помогает объяснить теплообмен между телами.
Работа над телом — передача энергии телу при механическом воздействии. При трении, ударе или сжатии часть энергии движения может увеличить внутреннюю энергию тела. Это позволяет объяснить нагревание без непосредственного контакта с горячим телом.
Закон сохранения и превращения энергии утверждает: энергия не возникает из ничего и не исчезает, а переходит из одного вида в другой. Поэтому при любом процессе нужно искать, откуда энергия пришла и куда она перешла. Обозначают изменение внутренней энергии как ΔU, а переданное количество теплоты — буквой Q.
Внутреннюю энергию тела можно изменить теплопередачей. Если поставить холодную воду на горячую плиту, энергия от плиты перейдёт воде, потому что температура плиты выше. Частицы воды станут двигаться быстрее, поэтому её внутренняя энергия и температура увеличатся; при охлаждении происходит обратное.
Другой способ — совершение работы над телом. Когда воздух в насосе сжимают, поршень действует на газ и передаёт ему энергию. Частицы газа начинают двигаться интенсивнее, поэтому газ нагревается даже без контакта с горячим предметом.
При трении механическая энергия не пропадает. Движущаяся деталь, наждачная бумага и место их соприкосновения получают энергию, из-за чего частицы тел движутся активнее и температура повышается. При ударе или торможении похожее превращение происходит потому, что энергия движения уменьшается, а внутренняя энергия тел и окружающего воздуха возрастает.
Возможен и обратный переход: внутренняя энергия превращается в механическую. Нагретый газ расширяется, давит на поршень и перемещает его, то есть совершает работу. Энергия газа при этом уменьшается, если извне не поступает достаточно теплоты, а механическая энергия поршня увеличивается.
В каждом тепловом процессе энергия распределяется между телами и её видами. Горячая ложка отдаёт энергию воде, вода нагревается, а ложка охлаждается; сумма изменений учитывает обе части системы. Если рассматривать все тела и пренебречь потерями, общий запас энергии сохраняется, хотя отдельные тела могут получить или потерять внутреннюю энергию.
В таблице указано, каким способом энергия поступает к телу или уходит от него. Знак изменения помогает понять результат: внутренняя энергия увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении. В примере нужно искать не только изменение температуры, но и источник энергии.
| Процесс | Как передаётся или превращается энергия | Изменение внутренней энергии | Пример |
|---|---|---|---|
| Нагревание теплопередачей | Энергия переходит от более горячего тела к данному телу | Увеличивается | Вода нагревается на плите |
| Охлаждение теплопередачей | Энергия уходит от тела к более холодной среде | Уменьшается | Горячий чай остывает |
| Совершение работы над телом | Механическая энергия передаётся при трении, ударе или сжатии | Обычно увеличивается | Деталь нагревается при шлифовке |
| Превращение внутренней энергии в механическую | Энергия нагретого газа переходит в работу расширения | Уменьшается, если тепло не подводится | Газ перемещает поршень |
1. Металлическую деталь трут наждачной бумагой. Объясните, почему она нагревается и откуда берётся энергия.
Ответ: деталь нагревается потому, что механическая энергия при трении превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел.
2. Горячую ложку опустили в холодную воду. Укажите направление передачи энергии и объясните, как меняется внутренняя энергия ложки и воды.
Ответ: энергия переходит от горячей ложки к холодной воде; ложка остывает, а вода нагревается.
3. Нагреватель передал воде 84 кДж энергии. На сколько изменилась внутренняя энергия воды, если потерями энергии пренебречь?
Ответ: внутренняя энергия воды увеличилась на 84 кДж.
Ошибка: считать, что при трении энергия исчезает. Так думают, потому что движение после торможения прекращается, но энергия переходит главным образом во внутреннюю энергию деталей и воздуха. Проверка: найдите нагрев соприкасающихся тел.
Ошибка: путать теплопередачу с работой. Теплопередача идёт из-за разности температур, а работа связана с механическим воздействием. Проверка: спросите, было ли перемещение, сжатие, удар или трение.
Ошибка: утверждать, что энергия всегда переходит только от горячего тела к холодному. Такое направление относится именно к теплопередаче, а при механическом воздействии энергия может переходить иначе. Проверка: сначала определите способ передачи энергии.
Ошибка: считать, что при охлаждении энергия пропадает. Она передаётся окружающим телам или превращается в другие виды энергии, поэтому нужно рассматривать всю систему. Проверка: укажите тело или среду, которые получили энергию.
Для понимания темы нужны представления о внутренней энергии, температуре и теплопередаче, а также о механической работе и видах механической энергии. Эти знания помогают определить источник энергии и проследить её переход.
Закон сохранения энергии используется при изучении тепловых двигателей и преобразований энергии в природе и технике. Он также нужен при решении задач на теплообмен, когда сравнивают энергию, отданную одним телом и полученную другим.
Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Внутреннюю энергию изменяют двумя способами: теплопередачей и совершением работы. Например, вода нагревается от горячей плиты при теплопередаче, а металлическая деталь — при трении.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без механического действия. При совершении работы энергия передаётся телу во время движения, сжатия, удара, трения или другого механического воздействия.
Почему тела нагреваются при трении?
При трении механическая энергия движения превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел. Частицы начинают двигаться и взаимодействовать энергичнее, поэтому температура деталей повышается.
Куда переходит энергия при охлаждении тела?
При охлаждении внутренняя энергия тела уменьшается, потому что часть энергии передаётся окружающим телам или среде. В замкнутом процессе она не исчезает, а продолжает существовать в другой части системы.
Может ли внутренняя энергия превращаться в механическую?
Да. Например, нагретый газ расширяется и толкает поршень, совершая механическую работу. При этом часть внутренней энергии газа переходит в энергию движения поршня.
§ 9. Закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах
