§ 20. Способы изменения внутренней энергии

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она зависит от того, насколько быстро движутся частицы, как они расположены и взаимодействуют, а также от количества вещества и его состояния. Это понятие помогает описывать энергию внутри тела, не смешивая её с движением тела целиком.

Изменение внутренней энергии совершением работы — изменение энергии тела, когда силы действуют на него или его части и вызывают перемещение. Работа может передать телу энергию или, наоборот, забрать её. Такое описание нужно, чтобы объяснить нагревание при трении и изменение энергии газа при сжатии или расширении.

Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы, при котором энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Причина передачи — различие температур соприкасающихся тел или частей среды. Это понятие объясняет, почему холодный предмет нагревается рядом с горячим.

Теплопроводность, конвекция и излучение — три способа теплопередачи. При теплопроводности энергия передаётся между частицами без переноса вещества, при конвекции её переносят движущиеся потоки жидкости или газа, а при излучении — электромагнитные волны. Различение способов помогает понять, как именно энергия распространяется в конкретной ситуации.

Как это устроено

Внутренняя энергия меняется, если меняется движение частиц или их взаимное расположение. При нагревании частицы обычно движутся быстрее, поэтому температура повышается; при охлаждении их движение в среднем становится менее интенсивным. Однако энергия связана также с взаимодействием частиц, так что изменение состояния вещества тоже может сопровождаться изменением внутренней энергии. Температура служит признаком изменений, но не объясняет их причину сама по себе.

Работа изменяет внутреннюю энергию потому, что силы передают энергию при перемещении. Если быстро потереть ладони, сила трения совершает работу, и ладони нагреваются; при сжатии газа работа над ним обычно увеличивает его внутреннюю энергию. Важно различать направление работы: если мы действуем на тело и перемещаем его части, это работа над телом; если расширяющийся газ толкает поршень, работу совершает сам газ и его внутренняя энергия может уменьшиться. Поэтому работа способна как увеличить, так и уменьшить энергию.

При теплопередаче энергия переходит из-за разности температур: более нагретое тело отдаёт её, а менее нагретое получает. При контакте частицы горячего тела передают энергию частицам холодного, и со временем температуры обычно сближаются. Передача продолжается, пока сохраняется разность температур и есть условия для обмена энергией. Речь идёт именно о переходе энергии, а не обязательно о перемещении самого вещества.

При теплопроводности частицы передают энергию соседним частицам, но вещество в целом не переносится. В металлах такой перенос обычно происходит хорошо: энергия быстро распространяется от нагретого участка к холодному. Многие другие материалы проводят тепло хуже, поэтому их используют для теплоизоляции. Например, деревянная ручка нагревается медленнее металлической при одинаковом контакте с горячим предметом.

Конвекция возникает, когда перемещаются потоки жидкости или газа: нагретые участки обычно становятся менее плотными и поднимаются, а более холодные опускаются. Так энергия распространяется в комнате от отопительного прибора вместе с движущимся воздухом. Излучение устроено иначе: энергию переносят электромагнитные волны, которым не нужна среда из вещества. Поэтому солнечная энергия проходит через космический вакуум и достигает Земли.

Способы изменения внутренней энергии и виды теплопередачи

Сначала определите, меняется ли энергия из-за действия сил или передаётся между телами вследствие разности температур. Если происходит теплопередача, выясните, движется ли вещество, передаётся ли энергия между частицами или распространяется излучение. Один и тот же предмет может получать энергию сразу несколькими способами.

Разбор задач

Растирание ладоней

При быстром растирании ладони нагрелись. Нужно определить способ изменения внутренней энергии и объяснить, почему возник нагрев. Здесь ладони взаимодействуют и перемещаются относительно друг друга, поэтому можно проследить действие силы трения. Отдельного горячего тела, которое передавало бы ладоням энергию, в условии нет.

1. Выясним, что вызывает изменение: ладони трутся друг о друга, а не просто соприкасаются с горячим предметом.
2. При движении действует сила трения, и совершается работа над ладонями.
3. Энергия движения переходит во внутреннюю энергию ладоней; движение их частиц становится интенсивнее, поэтому температура повышается.

Ответ: внутренняя энергия ладоней увеличилась при совершении работы силами трения.

Металлическая ложка в горячей воде

Металлическую ложку опустили в горячую воду, и нагрелась её ручка. Надо выяснить, как энергия дошла от погружённой части до ручки. Ложка — твёрдое тело, а её части не перемещаются потоками, как воздух или вода. Поэтому проверим, может ли энергия передаваться внутри металла от одной частицы к соседним.

1. Вода горячее ложки и передаёт энергию её погружённой части при тепловом контакте.
2. В металле энергия распространяется от более нагретого участка к менее нагретому благодаря теплопроводности.
3. Частицы передают энергию соседним частицам, но сама ложка не течёт от конца к концу.
4. Когда энергия доходит до ручки, её частицы тоже получают энергию, поэтому ручка нагревается.

Ответ: ручка нагревается вследствие теплопроводности по металлической ложке.

Отопительный прибор и Солнце

В комнате нагревается воздух у отопительного прибора. Нужно объяснить, как энергия распространяется по комнате, и сравнить этот процесс с нагреванием Земли Солнцем. В комнате есть воздух, который может двигаться, а между Солнцем и Землёй большую часть пути лежит вакуум. Это различие подсказывает, что здесь работают разные способы передачи энергии.

1. Воздух возле прибора получает энергию и нагревается.
2. Нагретый воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается; более холодный воздух движется ему на смену.
3. Возникают потоки воздуха, которые переносят энергию по комнате: это конвекция.
4. Солнце передаёт энергию Земле излучением, поскольку электромагнитные волны могут распространяться через вакуум.

Ответ: воздух в комнате переносит тепло конвекцией, а от Солнца энергия достигает Земли излучением.

Типичные ошибки

Ошибка: считать внутреннюю энергию механической энергией движения тела как целого. Так путают скорость всего предмета со скоростями его частиц. Внутренняя энергия относится к движению и взаимодействию частиц внутри тела. Проверьте себя: если предмет покоится, его частицы всё равно движутся и взаимодействуют.

Ошибка: думать, что внутренняя энергия меняется только при нагревании. Нагревание — частый пример, поэтому легко забыть о работе. Трение или сжатие газа тоже могут изменить внутреннюю энергию без передачи тепла от горячего тела. Проверьте, действовали ли силы и перемещались ли тело или его части.

Ошибка: считать теплопроводность переносом вещества. Это происходит из-за того, что передача тепла часто наблюдается рядом с движением воздуха или воды. При теплопроводности энергия переходит от частицы к частице, а вещество в целом не перемещается. Чтобы проверить ответ, спросите себя, движется ли поток вещества.

Ошибка: думать, что для передачи тепла всегда нужна материальная среда. Теплопроводность и конвекция действительно происходят в веществе, поэтому это правило кажется очевидным. Но излучение переносит энергию электромагнитными волнами и возможно в вакууме. Проверьте себя примером: солнечная энергия достигает Земли через космическое пространство.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что температура характеризует нагретость тела, а вещества состоят из движущихся и взаимодействующих частиц. Эти представления помогают объяснить, почему температура связана с внутренней энергией и как энергия передаётся между частями вещества. Позже те же идеи пригодятся при изучении количества теплоты и других тепловых явлений. Они также помогают понять принцип действия бытовых приборов, например отопителя или термоса.

Что запомнить

• Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц тела.
• Изменить внутреннюю энергию можно совершением работы или теплопередачей.
• При теплопередаче энергия обычно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность происходит без переноса вещества.
• Конвекция связана с перемещением жидкости или газа.
• Излучение может распространяться в вакууме.