3. Способы изменения внутренней энергии

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц тела. Она не включает кинетическую энергию движения тела как целого и его потенциальную энергию во внешнем поле. Это понятие позволяет отдельно изучать процессы внутри тела, например его нагревание.

Изменение внутренней энергии — изменение энергии частиц тела при нагревании, охлаждении или совершении работы. Оно происходит, когда меняется скорость движения частиц или расстояния между ними. Так можно объяснить, почему температура и состояние тела меняются.

Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы. Энергия самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Это определение помогает отличить получение энергии от горячего предмета от нагревания при трении.

Работа — способ изменения внутренней энергии, при котором над телом совершают механическую работу или само тело совершает её. Например, при сжатии газа работу выполняют над газом, а при его расширении работу совершает газ. Поэтому работа может как увеличивать, так и уменьшать внутреннюю энергию.

Как это устроено

Внутренняя энергия зависит от движения и взаимодействия частиц, поэтому её можно изменить двумя способами. Если увеличить скорость частиц, возрастёт энергия их движения. Если изменить взаимное расположение частиц, изменится энергия их взаимодействия, например при сжатии газа.

При совершении работы внутренняя энергия меняется из-за механического воздействия. Трение мешает движению и превращает часть механической энергии во внутреннюю, поэтому соприкасающиеся тела нагреваются. При сжатии газ получает энергию и обычно нагревается, а при расширении может отдавать энергию и охлаждаться.

При теплопередаче энергия переходит между телами или частями одного тела из-за разности температур. Более быстрые частицы горячего участка передают энергию соседним частицам, пока температура не начнёт выравниваться. Механическое перемещение тела для этого не обязательно, поэтому теплопередача отличается от работы.

Теплопроводность происходит при передаче энергии от частицы к частице без переноса вещества; так нагревается металлический стержень. Конвекция возникает в жидкостях и газах, когда нагретые менее плотные слои перемещаются, а холодные опускаются, как воздух у батареи. Излучение переносит энергию электромагнитными волнами и возможно даже в вакууме, поэтому Солнце нагревает Землю через космическое пространство.

Способы изменения внутренней энергии

Таблица помогает определить, каким способом передаётся энергия и требуется ли для этого материальная среда. Сначала найдите описанный в задаче процесс, затем сравните его с примером и признаком в соответствующей строке. Если одновременно действуют несколько процессов, их нужно назвать отдельно.

Разбор задач

Трение ладоней

При трении ладони нагреваются. Нужно определить способ изменения внутренней энергии и объяснить причину нагревания. Механическое движение ладоней сопровождается взаимодействием их поверхностей.

1. Ладони действуют друг на друга силами трения.
2. При трении механическая работа превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся поверхностей.
3. Энергия движения частиц увеличивается, поэтому температура ладоней возрастает.

Ответ: внутренняя энергия изменяется совершением работы; её увеличение происходит за счёт механической работы сил трения.

Ложка в горячей воде

Металлическую ложку опустили в горячую воду. Нужно проследить передачу энергии воде и ложке, а затем назвать способ её распространения внутри ложки. Температура воды сначала выше температуры металла.

1. Энергия переходит от горячей воды к более холодной ложке, то есть происходит теплопередача.
2. Сначала нагревается часть ложки, погружённая в воду.
3. Затем энергия распространяется по металлу от нагретой части к холодной теплопроводностью, без перемещения металла.

Ответ: вода передаёт ложке внутреннюю энергию теплопередачей, а внутри металлической ложки энергия распространяется теплопроводностью.

Батарея и Солнце

В комнате нагревается воздух у батареи, а Солнце нагревает Землю через космическое пространство. Требуется назвать способы теплопередачи и объяснить их различие. В первом случае воздух движется, а во втором материальной среды между источником и Землёй нет.

1. Воздух у батареи нагревается, расширяется и становится менее плотным.
2. Тёплый воздух поднимается, а холодный опускается, поэтому возникает конвекция.
3. Энергия от Солнца к Земле передаётся излучением, которому не нужна среда и которое проходит через вакуум.

Ответ: у батареи происходит конвекция, а от Солнца к Земле — излучение; способы различаются наличием переноса вещества и необходимостью среды.

Типичные ошибки

Только нагревание. Иногда считают, что внутренняя энергия меняется лишь при подведении тепла, потому что в быту нагревание заметнее всего. Но трение и сжатие тоже изменяют энергию частиц. Проверьте себя: спросите, совершалась ли механическая работа.

Путаница с температурой. Температура характеризует состояние тела, а теплопередача обозначает процесс передачи энергии. Их смешивают, когда называют температуру способом нагревания. Проверьте формулировку: температура измеряется, а теплопередача происходит.

Конвекция в твёрдых телах. Ошибка возникает из-за представления, что любое распространение тепла связано с движением вещества. В твёрдом теле нет потоков вещества, поэтому там говорят о теплопроводности. Проверьте, перемещаются ли слои жидкости или газа.

Среда для излучения. Некоторые считают, что энергия всегда должна передаваться через вещество. Излучение распространяется электромагнитными волнами и проходит через вакуум. Проверьте пример Солнца: между ним и Землёй почти нет вещества.

Связь с другими темами

Для понимания внутренней энергии нужны знания о частицах вещества: они движутся и взаимодействуют, а температура связана со средней кинетической энергией их движения. Эти представления помогают объяснить, почему нагревание меняет состояние тела.

Тема становится основой для изучения количества теплоты, теплоёмкости, плавления и парообразования. Она также нужна, чтобы понять устройство и работу тепловых приборов, где энергия передаётся при нагревании, охлаждении или совершении работы.

Что запомнить

• Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
• При теплопередаче энергия самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность происходит без переноса вещества.
• Конвекция связана с переносом вещества потоками жидкости или газа.
• Излучение может передавать энергию через вакуум.
• Работа и теплопередача могут изменять внутреннюю энергию одновременно.