Определите p — давление насыщенного водяного пара при температуре T=290 K, если плотность насыщенного водяного пара при этой температуре ρ=2,56-1 0-2 кг/м 3 (ответ p=3,43 Па).
8 класс
Внутренняя энергия тела не является постоянной. Для одного и того же тела она может быть разной.
Когда температура тела повышается, внутренняя энергия тела увеличивается, потому что средняя скорость движения молекул возрастает.
Это увеличивает кинетическую энергию молекул тела. И наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается при снижении температуры.
Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.
Давайте теперь попробуем выяснить, как можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул. Для этого мы проводим следующий эксперимент. Закрепляем тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 3), наливаем в трубку немного эфира и надеваем на нее пробку. Затем накиньте на трубку веревку и быстро перемещайте ее в одну сторону, а затем в другую. Через некоторое время эфир закипает, и пар вырывает пробку. Эксперимент показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: Сейчас жарко и даже кипяток.
Рисунок 3. Увеличение внутренней энергии тела при работе над ним.
Увеличение внутренней энергии связано с работой, совершаемой при трении трубки о струну.
Нагревание тел происходит также в результате удара, изгиба и сгибания, т.е. деформации. Внутренняя энергия тела увеличивается во всех вышеприведенных примерах.
Следовательно, внутренняя энергия тела может быть увеличена путем выполнения работы над телом.
Если работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.
Давайте проведем следующий эксперимент.
Мы закачиваем воздух в толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, через специальное отверстие в сосуде (см. рис. 4).
Рисунок 4. Уменьшение внутренней энергии тела во время работы самого тела.
Через некоторое время пробка вылетает из банки. В тот момент, когда пробка выходит из банки, образуется туман. Его появление означает, что воздух в контейнере стал более холодным. Сжатый воздух в контейнере берет на себя задачу выталкивания пробки. Он совершает эту работу за счет своей внутренней энергии, которая, таким образом, уменьшается. Можно оценить снижение внутренней энергии за счет охлаждения воздуха в контейнере. Таким образом, внутренняя энергия тела может быть изменена в результате совершения работы.
Внутренняя энергия тела может быть изменена и другими способами, без совершения работы. Например, вода в чайнике закипает на плите. Воздух и различные предметы в помещении нагреваются от радиатора; крыши домов нагреваются от солнечных лучей, и так далее. Во всех этих случаях температура тела повышается, а вместе с ней и внутренняя энергия тела. Однако никакой работы не ведется.
Это означает, что изменение внутренней энергии не может быть результатом только работы.
Как можно объяснить увеличение внутренней энергии в этих случаях?
Рассмотрим следующий пример.
Поместим металлический прут в стакан с горячей водой. Кинетическая энергия молекул горячей воды больше, чем кинетическая энергия холодных частиц металла. Молекулы горячей воды передают часть своей кинетической энергии холодным частицам металла при взаимодействии с ними. В результате энергия молекул воды в среднем уменьшается, а энергия частиц металла увеличивается. Температура воды снижается, а температура металлического носителя постепенно повышается. Через некоторое время их температуры сравняются. Этот эксперимент демонстрирует изменение внутренней энергии тел.
Вопросы:
1 Используя рисунок 3, объясните, как изменяется внутренняя энергия тела, когда к нему прикладывается работа.
2 Опишите опыт, показывающий, что тело может совершать работу за счет своей внутренней энергии. 3.
3 Приведите примеры того, как изменяется внутренняя энергия тела в результате теплопередачи. 4.
4 Объясните нагревание струи, погруженной в горячую воду, на основе молекулярной структуры вещества. 5.
5 Что такое теплопередача?
6. какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Первый закон термодинамики и внутренняя энергия
Если работа A является результатом механического движения тела в целом или его взаимодействия с другими телами, то знание величины внутренней энергии U для расчетов не требуется. Если, с другой стороны, работа сопровождается теплопередачей Q, требуется знание взаимосвязи между этими двумя величинами. Эта взаимосвязь определяется первым законом термодинамики, который формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии Δ U в неизолированной термодинамической системе равно сумме работы внешних сил A и количества тепла Q, подведенного к системе, что выражается в виде формулы:
Если сама термодинамическая система, получившая тепло Q, совершает работу A, то формула (1) принимает следующий вид:
Концепция внутренней энергии была разработана не сразу. В девятнадцатом веке теория тепла была выдвинута французским ученым Лавуазье. Предполагалось, что термогравитон — это специфическое вещество (особый вид материи), которое, попадая в тело, повышает его температуру, а выходя из него, понижает температуру. Многочисленные эксперименты, проведенные в начале 19 века, полностью опровергли эту теорию и развенчали миф о термопаре.
Изменение величины внутренней энергии с помощью работы
Так, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия вещества, из которого состоит данное тело, изменяется, когда на него оказывается работа со стороны внешних сил или когда тело само совершает работу. Приведем несколько примеров:
- Когда мы забиваем гвоздь молотком в доску, или отрезаем ножовкой по металлу кусок трубы, то легко обнаружить, что происходит повышение температуры (разогрев) всех “участников” произведенных действий: гвоздя, молотка, ножовки и трубы. В обоих случаях была произведена работа по преодолению силы трения;
- Если взять металлическую проволоку, и произвести некоторое количество сгибаний и разгибаний, то также нетрудно будет заметить, что температура металла за счет этих деформаций увеличилась;
- Так как величина внутренней энергии пропорциональна температуре тела, то, следовательно, произошло ее увеличение за счет произведенной нами работы. Приведенные примеры описываются формулой (1);
- Работа, которую совершает нагретый пар в тепловом двигателе, вращая турбину, уменьшает его внутреннюю энергию. Для этого примера справедлива формула (2).
Изменение величины внутренней энергии с помощью передачи тепла
Количество тепла Q, которое тело поглощает извне или отдает другому телу, является вторым механизмом, который приводит к изменению внутренней энергии Δ U. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплопередача возможна только между телами с разными температурами, когда часть внутренней энергии передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.
Существует три основных механизма теплопередачи: Проводимость, конвекция и излучение:
- Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда кастрюля с холодной водой ставится на разогретую газовую или электроплиту, то нагрев происходит за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул газового пламени или молекул раскаленной электрической спирали;
- Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания характера этого механизма служит работа кондиционера в помещении, когда поток охлажденного им воздуха начинает перемешиваться с более теплым, что приводит к общему понижению температуры в квартире или офисе;
- Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм может проистекать даже в вакууме. Часть внутренней энергии преобразуется в электромагнитную энергию, которая распространяется в пространстве и после попадания на другое тело, поглощается им. Таким образом происходит изменение внутренней энергии обоих тел. Чем больше температура тела, тем больше энергии передается с помощью излучения.
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
К этой скидке мы можем добавить скидку для вашего учебного заведения (в зависимости от того, сколько ваших коллег прошли курс «Инфоурок»).
В настоящее время 54 252 учебных заведения имеют право на накопительную скидку (от 2% до 25%). Чтобы узнать, какая скидка распространяется на всех сотрудников вашего учебного заведения, войдите в личный кабинет Инфорурок.
«Инновация. Инновационные технологии»
1 Слайд Уроки физики в 8 классе Волгоградской гимназии № 24 Ирина Гребенез 1 Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии тела
Когда говорят, что тело обладает энергией? Дайте определение кинетической энергии. Что называется потенциальной энергией?
4 Слайд 4 Молекулы обладают кинетической энергией (Ek) динамической энергией (Ep) внутренней энергией тела Eun = Ep + Ek всех молекул в теле Внутренняя энергия описывает тепловое состояние тела.
5 слайд Внутренняя энергия зависит от: температуры тела; общего состояния тела (при постоянной массе); массы тела.
Она не зависит от: механического движения тела; взаимодействия тела с другими телами.
6 Слайд Способы изменения внутренней энергии тела 6 Слайд 6
8 Слайд 8 Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершив над ним механическую работу. (Удар, изгиб, деформация, трение)
Сжатый воздух давит на пробку и охлаждает ее таким образом.
Внутренняя энергия тела уменьшается, когда само тело совершает механическую работу.
10 Слайд 10 Вода нагревается в цилиндре, закипает и образуется пар. Нагретый пар расширяется и выталкивает пробку наружу.
Внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию плунжера
