§1. Внутренняя энергия. Количество теплоты и виды теплопередачи

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц тела; её обозначают U и измеряют в джоулях (Дж). Частицы постоянно движутся и влияют друг на друга, даже если всё тело покоится. Это понятие помогает описывать, что происходит внутри тела при нагревании и охлаждении.

Количество теплоты — энергия, переданная телу или отданная им при теплопередаче; обозначение — Q, единица измерения — джоуль (Дж). Это не отдельный запас энергии в теле, а мера энергии, которая перешла от одного тела к другому. Понятие Q используют, чтобы сравнивать, сколько энергии получили или отдали тела.

Теплопередача — процесс передачи внутренней энергии от более нагретого тела или участка тела к менее нагретому без совершения механической работы. Например, горячая чашка постепенно нагревает ладонь при соприкосновении. Теплопередачей объясняют обмен энергией между телами, которые имеют разную температуру.

Теплопроводность, конвекция и излучение — три вида теплопередачи, различающиеся механизмом передачи энергии и условиями протекания. При теплопроводности вещество не переносится потоками, при конвекции перемещаются слои жидкости или газа, а излучение не требует среды. Различение этих видов помогает объяснять нагрев в повседневных ситуациях.

Как это устроено

Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии беспорядочного движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия связана с тем, что частицы движутся, а потенциальная — с их взаимным расположением и силами притяжения или отталкивания. Поэтому состояние частиц, а не только движение тела целиком, определяет его внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия может измениться при совершении работы и при теплопередаче. Если сжать газ, например поршнем, работа над газом может увеличить энергию его частиц; при трении поверхности также нагреваются. При теплопередаче энергия приходит от другого тела, так что один и тот же результат — изменение внутренней энергии — может быть получен разными способами.

При теплопередаче энергия самопроизвольно переходит от более горячего тела к более холодному. У горячего тела частицы в среднем обладают большей энергией, и взаимодействие частиц или перенос энергии постепенно выравнивают их состояние. Обмен продолжается, пока температуры не станут одинаковыми: тогда устанавливается тепловое равновесие.

Количество теплоты показывает, сколько энергии передано при теплопередаче. Если тело нагревается, оно получает энергию; если охлаждается — отдаёт её, поэтому направление передачи связывают с изменением состояния тела. В задачах обычно указывают положительное количество полученной теплоты, а знак могут задавать отдельно по условию: важно прежде всего понять, получает тело энергию или отдаёт.

Три вида теплопередачи различаются тем, как именно переносится энергия. При теплопроводности энергия передаётся от частицы к частице, при этом вещество в целом не движется. Конвекция требует жидкости или газа и связана с перемещением их потоков, а излучение переносит энергию электромагнитными волнами и может распространяться без вещества.

Сравнение видов теплопередачи

Сначала выясните, движется ли вещество как поток: если да, вероятна конвекция. Если энергия передаётся без такого движения, проверьте, нужен ли контакт или вещество между телами: это поможет отличить теплопроводность от излучения.

Разбор задач

Задача 1. Металлическая ложка оставлена в горячем чае, и её конец погружён в жидкость. Нужно объяснить, почему нагревается и та часть ложки, которая остаётся снаружи. Проследим, каким путём энергия достигает удалённого участка.

1. Погружённый конец соприкасается с горячим чаем и получает от него энергию. Значит, этот участок ложки нагревается первым.
2. Частицы металла передают энергию соседним частицам вдоль ложки. Сам металл не течёт и не переносится от чая к ручке.
3. Передача энергии внутри ложки без перемещения вещества — теплопроводность. Поэтому удалённая от чая часть тоже нагревается.

Ответ: ложка нагревается по всей длине благодаря теплопроводности.

Задача 2. Нужно определить, как радиатор нагревает воздух в комнате, и объяснить, почему воздух движется. Важно не спутать перенос тепла с непосредственным перемещением нагретого радиатора.

1. Воздух рядом с радиатором получает энергию и нагревается. Нагретый воздух расширяется, поэтому при той же массе его плотность становится меньше.
2. Более лёгкий тёплый воздух поднимается, а более холодный и плотный опускается к радиатору. Так возникают движущиеся потоки воздуха.
3. Перенос энергии потоками газа называется конвекцией. Воздух переносится вместе с энергией, поэтому в комнате постепенно прогреваются разные участки.

Ответ: воздух нагревается от радиатора главным образом конвекцией; тёплые потоки поднимаются, холодные опускаются.

Задача 3. Сравним нагрев Земли солнечными лучами и нагрев металлического предмета в горячей воде. Нужно назвать вид теплопередачи в каждом случае и выяснить, возможна ли передача энергии без вещества между телами.

1. Между Солнцем и Землёй находится космический вакуум, поэтому перенос потоками воздуха невозможен. Энергия доходит до Земли в виде излучения.
2. Металлический предмет касается горячей воды. Энергия от воды переходит в металл, а затем распространяется по нему от частицы к частице — это теплопроводность.
3. Теплопроводность требует вещества, а излучение может распространяться в вакууме. Значит, для солнечного нагрева Земли среда между телами не нужна.

Ответ: Солнце нагревает Землю излучением, предмет в воде — теплопроводностью; излучение возможно в вакууме.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что внутренняя энергия равна механической энергии движения тела как целого. Их путают, потому что оба понятия содержат слово «энергия», но внутренняя энергия связана с частицами, а механическая — с движением и положением всего тела. Проверка: представьте неподвижный нагретый предмет — он имеет внутреннюю энергию, хотя не движется по комнате.

Ошибка: утверждать, что при любой теплопередаче обязательно движется вещество. Такое впечатление создают заметные потоки воздуха или воды, но при теплопроводности и излучении перенос вещества не обязателен. Проверьте себя вопросом: движутся ли целые слои жидкости или газа? Если нет, это не конвекция.

Ошибка: называть любое перемещение жидкости или газа теплопроводностью. Так происходит, когда смешивают передачу энергии с движением самого вещества; направленные потоки нагретой жидкости или газа означают конвекцию. Для проверки проследите, перемещается ли слой вещества из одного места в другое.

Ошибка: считать, что излучению обязательно нужен воздух. Это заблуждение возникает из опыта с передачей тепла в обычной комнате, где воздух есть повсюду. Вспомните, что солнечная энергия проходит через космический вакуум: излучение может распространяться без вещества между источником и телом.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении вещества, движении и взаимодействии частиц, а также о механической работе и энергии. Дальше эти представления пригодятся при изучении удельной теплоёмкости и расчётов количества теплоты, а затем — при разборе плавления и парообразования. В жизни различение видов теплопередачи помогает выбирать теплоизоляцию, понимать работу отопления и термоса, охлаждать приборы и объяснять передачу энергии от Солнца.

Что запомнить

• Внутренняя энергия определяется движением и взаимодействием частиц тела.
• Внутренняя энергия изменяется при совершении работы и при теплопередаче.
• Количество теплоты обозначают Q и измеряют в джоулях.
• Теплопередача идёт от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность происходит без переноса вещества.
• Конвекция связана с перемещением потоков жидкости или газа.
• Излучение может распространяться в вакууме.