"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Внутренняя энергия тела изменяется не только при нагревании или охлаждении. Энергия может передаваться телу теплопередачей либо при совершении механической работы, например при трении или сжатии газа. В общем случае оба способа действуют одновременно: часть полученной энергии изменяет внутреннюю энергию, а часть превращается в работу. Закон сохранения энергии помогает связать эти величины и правильно объяснить тепловые процессы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Изменение внутренней энергии — изменение энергии тела, связанное с движением и взаимодействием его частиц. Обозначают его ΔU, где символ Δ означает изменение. Внутренняя энергия может как увеличиваться, так и уменьшаться, поэтому ΔU бывает положительной и отрицательной.
Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы. Энергия при этом переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Теплопередача нужна, чтобы описывать нагревание, охлаждение и обмен энергией между телами.
Работа — способ изменения внутренней энергии при механическом взаимодействии. Энергия передаётся, например, когда газ сжимают внешней силой или когда сам газ расширяется и двигает поршень. В задачах важно различать работу, совершённую над телом, и работу, совершённую самим телом.
Закон сохранения энергии при тепловых процессах означает, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Полученная телом энергия распределяется между изменением внутренней энергии и совершённой работой. Если Q — полученная энергия, а A — работа тела, используют запись Q = ΔU + A, или ΔU = Q − A.
Внутренняя энергия тела изменяется двумя способами: через теплопередачу и через работу. При нагревании энергия переходит к телу, а при трении механическое движение частиц становится более беспорядочным. Поэтому, например, металлическая деталь нагревается и при контакте с горячей водой, и при шлифовании.
Работа изменяет внутреннюю энергию потому, что при механическом воздействии энергия движения внешнего тела передаётся частицам данного тела. При трении часть упорядоченного движения превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел. При сжатии газа поршень передаёт энергию газу, а при расширении газ сам толкает поршень и отдаёт энергию окружающим телам.
Теплопередача происходит из-за разности температур: частицы более горячего тела передают энергию частицам менее горячего. При этом механического перемещения тела в целом может не быть, поэтому теплопередача и работа — разные способы передачи энергии. Тело может получить энергию от нагревателя или отдать её в окружающую среду, не совершая механической работы.
В реальном процессе теплопередача и работа часто происходят одновременно. Например, газ в цилиндре можно нагревать и одновременно расширять: нагреватель передаёт газу энергию, а газ расходует часть неё на движение поршня. Поэтому изменение внутренней энергии определяется не одним, а двумя вкладами.
Закон сохранения энергии связывает все эти изменения. Если газ получил количество энергии Q и совершил работу A, то оставшаяся часть увеличила его внутреннюю энергию: ΔU = Q − A. Если работу совершают над газом, её записывают как положительный вклад: при отсутствии теплообмена сжатие даёт ΔU = Aнад.
| Способ | Как происходит передача энергии | Что происходит с внутренней энергией | Пример |
|---|---|---|---|
| Теплопередача | Энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без механической работы | У получающего энергию тела увеличивается, у отдающего уменьшается | Нагревание ложки в горячей воде |
| Совершение работы | Энергия передаётся при механическом взаимодействии | При работе над телом обычно увеличивается, при работе тела может уменьшаться | Сжатие газа или трение деталей |
| Одновременное действие теплопередачи и работы | Энергия одновременно поступает или уходит при теплообмене и механическом взаимодействии | Изменение определяется суммой обоих вкладов с учётом знаков | Нагревание газа при расширении |
Сначала определите, какие способы передачи энергии участвуют в процессе. Затем установите направление каждого вклада и только после этого выбирайте формулу. Если газ получает тепло и совершает работу, используйте ΔU = Q − A.
Условие. Металлическую ложку опустили в горячую воду. Нужно определить способ изменения её внутренней энергии и направление передачи энергии. Температура воды выше температуры ложки.
Ответ: внутренняя энергия ложки изменяется при теплопередаче; энергия передаётся от воды к ложке.
Условие. Газ в цилиндре с подвижным поршнем сжали, теплообменом с окружающей средой пренебрегают. Требуется определить изменение внутренней энергии газа. Внешняя сила перемещает поршень внутрь цилиндра.
Ответ: внутренняя энергия газа увеличится, поэтому при обычных условиях повысится и его температура.
Условие. Газ получил от нагревателя энергию Q и при расширении совершил работу A. Нужно определить изменение внутренней энергии. Считаем Q и A положительными величинами в выбранном соглашении.
Ответ: изменение внутренней энергии равно разности между полученной энергией и работой газа: ΔU = Q − A.
Ошибка 1. Считать, что внутренняя энергия меняется только при нагревании. Так думают, потому что температуру легче заметить, но энергия может передаваться и при работе. Проверьте себя: был ли процесс трения, сжатия или расширения?
Ошибка 2. Смешивать теплопередачу с изменением температуры. При фазовом переходе энергия передаётся, хотя температура некоторое время может оставаться постоянной. Проверяйте не только температуру, но и сам факт перехода энергии между телами.
Ошибка 3. Путать работу над телом с работой, совершённой самим телом. При сжатии газ получает энергию, а при расширении обычно отдаёт её на движение поршня. Нарисуйте направление движения поршня и укажите, кто действует силой.
Ошибка 4. Считать, что вся полученная энергия превращается во внутреннюю. При расширении часть энергии может уйти на работу газа. Используйте баланс Q = ΔU + A и учитывайте каждый способ передачи энергии.
Для понимания темы нужны представления о внутренней энергии, температуре и теплопередаче. Также важно знать, что механическая работа является способом передачи энергии от одного тела к другому.
Эти знания используются при изучении тепловых двигателей. Топливо передаёт энергию рабочему телу, а рабочее тело расширяется и совершает полезную работу.
Закон сохранения энергии связывает тему с бытовыми явлениями. Он объясняет нагревание ладоней при трении, повышение температуры газа при накачивании и охлаждение при расширении.
Может ли внутренняя энергия измениться без нагревания тела?
Да, внутренняя энергия может измениться при совершении работы. Например, при сжатии газа или трении тело получает энергию и его внутренняя энергия увеличивается.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без механического действия. Работа передаёт энергию во время механического взаимодействия, например при сжатии или расширении газа.
Почему газ нагревается при сжатии?
При сжатии внешняя сила совершает работу над газом и передаёт ему энергию. Если теплообменом пренебречь, эта энергия увеличивает внутреннюю энергию газа, поэтому его температура обычно повышается.
Всегда ли при расширении газ охлаждается?
Нет. При расширении газ может охлаждаться, если совершает работу за счёт своей внутренней энергии и не получает достаточно энергии извне. Если одновременно подводится тепло, температура может не измениться или даже увеличиться.
Как учитывать работу и теплопередачу одновременно?
Нужно рассмотреть оба вклада и выбрать соглашение о знаках. Если Q — энергия, полученная газом, а A — работа газа, то ΔU = Q − A.
§ 10. Изменение внутренней энергии в общем случае. Закон сохранения энергии при тепловых процессах
