Способы изменения внутренней энергии
1. Связь внутренней энергии с температурой
Вспомним сначала определение внутренней энергии.
Определение. Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Как мы уже оговаривали на прошлом занятии, внутренняя энергия тела не является постоянной величиной и связана с изменением температуры тела:
1. при повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т.к. молекулы тела начинают активнее двигаться, расстояние между ними увеличивается и возрастает их кинетическая и потенциальная энергия, 
;
2. при понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается, т.к. молекулы тела начинают двигаться менее активно, расстояние между ними уменьшается и понижается их кинетическая и потенциальная энергия, 
.
Таким образом, температура – это главная характеристика внутренней энергии тела.
2. История развития представлений об изменении внутренней энергии
Перед тем, как рассмотреть конкретные возможные причины процесса изменения внутренней энергии тела заметим, что теория, которая связывает энергию движения и взаимодействия частиц со внутренней энергией тела, сложилась не сразу.
Например, почти до конца XIX века считалось, что существует такая условная субстанция, как теплород. Считалось, что когда теплород втекает в тело, то его температура увеличивается, как и внутренняя энергия, а когда вытекает, температура с внутренней энергией уменьшается. Понятие теплорода было введено в конце XVIII века Лавуазье, а уже на рубеже XVIII и XIX веков были проведены первые эксперименты, подтверждавшие несостоятельность этой теории.
Кроме того, для описания процесса сжигания топлива существовала аналогичная теория, которая говорила, что существует такая гипотетическая материя, как флогистон. Считалось, что он содержится во всех горючих веществах и при их горении высвобождается и дает высокую температуру. Термин был введен впервые в начале XVIII века учеными Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Позже и теория флогистона была раскритикована и сегодня не упоминается в научных трудах, как и теория теплорода.
Мы будем рассматривать возможные варианты изменения внутренней энергии с точки зрения развития науки, поэтому сначала обсудим изменение внутренней энергии из-за совершения работы. Убедиться в том, что совершение работы влияет на процесс изменения внутренней энергии, можно на простом опыте – потрите руки друг о друга (см. Рис. 1), и вы заметите, как ладони нагреваются, это и будет свидетельствовать об изменении внутренней энергии. Что демонстрирует этот опыт? Он наглядно демонстрирует, что при совершении механической работы (трение ладоней) повышается их внутренняя энергия.
Рис. 1. Потрите ладони, и они нагреются.
3. Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы
Вы уже знакомы с понятием механическая работа тела, она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела, аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела. Это удобно изобразить на схеме:
Первые опыты по доказательству несостоятельности теории теплорода и подтверждению влияния процесса совершения работы на изменение внутренней энергии тела провел английский инженер и физик Бенджамин Румфорд, который в конце XVIII века при изготовлении пушек занимался сверлением их ствола. Он заметил, что при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение конской тягой. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура резко поднялась. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой (см. Рис. 2). В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Румфорд объяснил это явление с помощью представления о теплоте как особом виде движения.
Рис. 2. Опыт Румфорда по нагреванию воды из-за трения сверла.
Опыт Румфорда доказал, что процесс совершения работы оказывает непосредственное влияние изменение внутренней энергии тела, и внутренняя энергия тела может быть изменена при совершении работы.
Таким образом, работа является мерой изменения внутренней энергии при превращении механической энергии во внутреннюю или внутренней энергии в механическую.
4. Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи
Второй способ изменения внутренней энергии тела мы можем легко наблюдать каждый день в повседневной жизни, и он был давно всем известен – это теплопередача.
Определение. Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Примеров процесса теплопередачи множество – это и нагревание чайника на плите (см. Рис. 3), и охлаждение комнаты с помощью кондиционера (см. Рис. 4), и нагревание оконного подоконника в солнечный день (см. Рис. 5), и т. п.
|
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5 |
|
|
|
|
|
|
Указанные процессы делятся на три вида, которые удобно изобразить на схеме:
Более подробно о каждом из этих видов теплопередачи мы поговорим на последующих уроках.
Отметим, что процессы теплопередачи и совершения работы, как правило, протекают параллельно и одновременно влияют на изменение у тела внутренней энергии.
Теперь мы можем изобразить два варианты изменения внутренней энергии тела на схеме:
|
|
|
На следующем уроке мы уделим особое внимание описанию процесса теплопроводности при теплопередаче.
Рис. 6.
Вопросы к конспектам