Способы изменения внутренней энергии

Введение

Все тела, которые нас окружают, состоят из частиц — атомов и молекул. Эти частицы постоянно движутся и взаимодействуют между собой. Поэтому каждое тело обладает внутренней энергией — энергией движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит.

Даже если тело покоится, его частицы не стоят на месте: они колеблются. Чем выше скорость их движения, тем больше внутренняя энергия. Но что заставляет её изменяться? Как можно нагреть или охладить тело? Эти вопросы изучает важный раздел физики — тепловые явления.

Связь внутренней энергии с температурой

Температура — это мера средней кинетической энергии движения молекул тела.
Если температура увеличивается, молекулы начинают двигаться быстрее, и внутренняя энергия возрастает.
При понижении температуры движение замедляется, внутренняя энергия уменьшается.

Пример: когда мы нагреваем воду, её молекулы двигаются всё быстрее, и жидкость постепенно превращается в пар. Это значит, что внутренняя энергия увеличилась.
Таким образом, температура и внутренняя энергия тесно связаны: изменение температуры — показатель изменения внутренней энергии тела.

История развития представлений об изменении внутренней энергии

В древности считали, что тепло — это особое вещество, которое течёт от горячего тела к холодному.
Эта идея называлась теорией теплорода. Однако с развитием науки учёные начали замечать, что тепло не может быть веществом.

В XVIII–XIX веках в опытах Бенджамина Томпсона (графа Румфорда) и Джеймса Джоуля было доказано, что тепло — это форма движения частиц.
Румфорд показал, что при сверлении пушечных стволов выделяется тепло, хотя никакого «теплородного вещества» нет.
Джеймс Джоуль в серии опытов измерил количество механической работы, которая превращается в тепло, и установил механический эквивалент теплоты.
Так было доказано, что внутреннюю энергию можно изменять как за счёт работы, так и за счёт теплопередачи.

Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы

Если над телом совершается работа, его частицы начинают двигаться быстрее, и внутренняя энергия увеличивается.
Так, при сжатии газа насосом воздух нагревается — его внутренняя энергия возрастает.
А при расширении газа он охлаждается, потому что часть внутренней энергии переходит в механическую работу.

Примеры:

• При надувании шины насос нагревается — работа совершается против давления воздуха.

• При трении ладоней о друг друга они становятся теплее — механическая энергия превращается во внутреннюю.

Этот способ изменения энергии используется в двигателях, компрессорах, тормозах, системах трения и даже в природных процессах (например, при сжатии воздуха в атмосфере).

Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи

Теплопередача (теплообмен) — это процесс передачи энергии без совершения механической работы.
Она происходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Существует три способа теплопередачи:

1. Теплопроводность — передача энергии через непосредственный контакт частиц.
   Пример: металлическая ложка быстро нагревается, если один её конец опустить в кипяток.

2. Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа.
   Пример: при кипении воды горячие слои поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз.

3. Излучение — передача энергии в виде электромагнитных волн.
   Пример: солнечные лучи нагревают Землю через вакуум.

Во всех этих случаях внутренняя энергия тела изменяется за счёт поступления или потери тепла.

Связь работы и теплопередачи

В реальных процессах оба способа действуют одновременно.
Например, в двигателе внутреннего сгорания при сгорании топлива выделяется тепло, увеличивается внутренняя энергия газа, и он совершает работу, двигая поршень.
Это пример превращения тепловой энергии в механическую.

Основой этих процессов является закон сохранения энергии: энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую.

Выводы

1. Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц тела.

2. Она зависит от температуры, агрегатного состояния и структуры вещества.

3. Внутреннюю энергию можно изменить:

   • путём совершения работы;

   • путём теплопередачи.

4. Температура является мерой внутренней энергии тела.

5. Изменения внутренней энергии подчиняются закону сохранения энергии.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют внутренней энергией тела?

2. От каких факторов зависит внутренняя энергия?

3. Как связана температура с внутренней энергией?

4. Какие существуют способы изменения внутренней энергии?

5. Что происходит с воздухом при его сжатии и расширении?

6. Назови три вида теплопередачи и приведи примеры.

7. Почему металлическая ложка нагревается быстрее деревянной?

8. Какой опыт доказал превращение механической работы в тепло?

9. Что происходит с внутренней энергией при трении тел?

10. Почему тепло всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому?

11. Как проявляется закон сохранения энергии в тепловых процессах?

12. Какие реальные устройства используют оба способа изменения внутренней энергии одновременно?