Proces zmeny vnútornej energie. Vnútorná energia a spôsoby, ako ju zmeniť

Vnútorná energia telo nemôže byť konštanta. Môže sa zmeniť v akomkoľvek tele. Ak zvýšite telesnú teplotu, potom sa zvýši jeho vnútorná energia, pretože. vzrastie priemerná rýchlosť molekulárne pohyby. Tým sa zvyšuje kinetická energia molekúl tela. Naopak, s poklesom teploty klesá vnútorná energia tela.

Môžeme skonštatovať: vnútorná energia tela sa mení, ak sa mení rýchlosť molekúl. Pokúsme sa určiť, akou metódou je možné zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pohybu molekúl. Zvážte nasledujúcu skúsenosť. Na stojane upevníme tenkostennú mosadznú rúrku. Skúmavku naplníme éterom a uzavrieme korkovou zátkou. Potom ho zviažeme lanom a začneme lano intenzívne pohybovať rôznymi smermi. Neskôr určitý časéter bude vrieť a sila pary vytlačí korok von. Skúsenosti ukazujú, že vnútorná energia látky (éteru) sa zvýšila: koniec koncov, počas varu zmenila svoju teplotu.

K zvýšeniu vnútornej energie došlo v dôsledku práce vykonanej pri trení rúrky lanom.

Ako vieme, zahrievanie telies môže nastať aj pri nárazoch, ohybe či vysunutí, teda pri deformácii. Vo všetkých uvedených príkladoch sa vnútorná energia tela zvyšuje.

Vnútorná energia tela sa teda môže zvýšiť vykonaním práce na tele.

Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia klesá.

Uvažujme o ďalšej skúsenosti.

Do sklenenej nádoby, ktorá má hrubé steny a je uzavretá korkom, pumpujeme vzduch cez špeciálne vyrobený otvor v nej.

Po určitom čase korok vyletí z nádoby. V momente, keď korok vyletí z nádoby, môžeme vidieť tvorbu hmly. Preto jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobe sa ochladil. Stlačený vzduch, ktorý je v nádobe, pri vytláčaní korku robí určitú prácu. Túto prácu vykonáva na úkor svojej vnútornej energie, ktorá sa zároveň znižuje. Na základe ochladzovania vzduchu v nádobe je možné vyvodiť závery o poklese vnútornej energie. Touto cestou, vnútorná energia tela sa dá zmeniť vykonaním určitého množstva práce.

Vnútornú energiu je však možné zmeniť aj inak, bez práce. Zoberme si príklad, voda v kanvici, ktorá je na sporáku, vrie. Vzduch, ako aj ostatné predmety v miestnosti sú ohrievané centrálnym radiátorom. V takýchto prípadoch sa vnútorná energia zvyšuje, pretože. telesná teplota sa zvyšuje. Ale práca nie je vykonaná. Takže uzatvárame zmena vnútornej energie môže nastať nie v dôsledku výkonu určitej práce.

Uvažujme ešte o jednom príklade.

Ponorte kovovú ihlu do pohára s vodou. Kinetická energia molekúl horúca voda, viac ako kinetická energia studených kovových častíc. Molekuly horúcej vody odovzdajú časť svojej kinetickej energie studeným kovovým časticiam. Energia molekúl vody sa teda určitým spôsobom zníži, zatiaľ čo energia kovových častíc sa zvýši. Teplota vody bude klesať a teplota lúčov pomaly, vzrastie. V budúcnosti zmizne rozdiel medzi teplotou ihly a vody. Vďaka tejto skúsenosti sme videli zmenu vnútornej energie rôznych telies. Dospeli sme k záveru: vnútorná energia rôznych telies sa mení v dôsledku prenosu tepla.

Proces premeny vnútornej energie bez vykonania určitej práce na tele alebo tele samotnom sa nazýva prenos tepla.

Máte nejaké otázky? Neviete, ako si urobiť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc od tútora -.
Prvá lekcia je zadarmo!

blog.site, pri úplnom alebo čiastočnom skopírovaní materiálu je potrebný odkaz na zdroj.

Vnútorná energia tela nemôže byť konštanta. Môže sa zmeniť v akomkoľvek tele. Ak zvýšite telesnú teplotu, potom sa zvýši jeho vnútorná energia, pretože. priemerná rýchlosť molekúl sa zvýši. Tým sa zvyšuje kinetická energia molekúl tela. Naopak, s poklesom teploty klesá vnútorná energia tela.

Môžeme skonštatovať: vnútorná energia tela sa mení, ak sa mení rýchlosť molekúl. Pokúsme sa určiť, akou metódou je možné zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pohybu molekúl. Zvážte nasledujúcu skúsenosť. Na stojane upevníme tenkostennú mosadznú rúrku. Skúmavku naplníme éterom a uzavrieme korkovou zátkou. Potom ho zviažeme lanom a začneme lano intenzívne pohybovať rôznymi smermi. Po určitom čase éter vrie a sila pary vytlačí korok von. Skúsenosti ukazujú, že vnútorná energia látky (éteru) sa zvýšila: koniec koncov, počas varu zmenila svoju teplotu.

K zvýšeniu vnútornej energie došlo v dôsledku práce vykonanej pri trení rúrky lanom.

Ako vieme, zahrievanie telies môže nastať aj pri nárazoch, ohybe či vysunutí, teda pri deformácii. Vo všetkých uvedených príkladoch sa vnútorná energia tela zvyšuje.

Vnútorná energia tela sa teda môže zvýšiť vykonaním práce na tele.

Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia klesá.

Uvažujme o ďalšej skúsenosti.

Do sklenenej nádoby, ktorá má hrubé steny a je uzavretá korkom, pumpujeme vzduch cez špeciálne vyrobený otvor v nej.

Po určitom čase korok vyletí z nádoby. V momente, keď korok vyletí z nádoby, môžeme vidieť tvorbu hmly. Preto jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobe sa ochladil. Stlačený vzduch, ktorý je v nádobe, pri vytláčaní korku robí určitú prácu. Túto prácu vykonáva na úkor svojej vnútornej energie, ktorá sa zároveň znižuje. Na základe ochladzovania vzduchu v nádobe je možné vyvodiť závery o poklese vnútornej energie. Touto cestou, vnútorná energia tela sa dá zmeniť vykonaním určitého množstva práce.

Vnútornú energiu je však možné zmeniť aj inak, bez práce. Zoberme si príklad, voda v kanvici, ktorá je na sporáku, vrie. Vzduch, ako aj ostatné predmety v miestnosti sú ohrievané centrálnym radiátorom. V takýchto prípadoch sa vnútorná energia zvyšuje, pretože. telesná teplota sa zvyšuje. Ale práca nie je vykonaná. Takže uzatvárame zmena vnútornej energie môže nastať nie v dôsledku výkonu určitej práce.

Uvažujme ešte o jednom príklade.

Ponorte kovovú ihlu do pohára s vodou. Kinetická energia molekúl horúcej vody je väčšia ako kinetická energia studených kovových častíc. Molekuly horúcej vody odovzdajú časť svojej kinetickej energie studeným kovovým časticiam. Energia molekúl vody sa teda určitým spôsobom zníži, zatiaľ čo energia kovových častíc sa zvýši. Teplota vody bude klesať a teplota lúčov pomaly, vzrastie. V budúcnosti zmizne rozdiel medzi teplotou ihly a vody. Vďaka tejto skúsenosti sme videli zmenu vnútornej energie rôznych telies. Dospeli sme k záveru: vnútorná energia rôznych telies sa mení v dôsledku prenosu tepla.

Proces premeny vnútornej energie bez vykonania určitej práce na tele alebo tele samotnom sa nazýva prenos tepla.

Máte nejaké otázky? Neviete, ako si urobiť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc tútora - zaregistrujte sa.
Prvá lekcia je zadarmo!

stránky, s úplným alebo čiastočným kopírovaním materiálu, je potrebný odkaz na zdroj.

Pri riešení praktických otázok nehrá významnú úlohu samotná vnútorná energia, ale jej zmena Δ U = U 2 - U jeden . Zmena vnútornej energie sa vypočíta na základe zákonov zachovania energie.

Vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi:

1. Pri výrobe mechanická práca .

a) Ak vonkajšia sila spôsobí deformáciu telesa, potom sa zmenia vzdialenosti medzi časticami, z ktorých pozostáva, a tým sa zmení potenciálna energia interakcie častíc. Pri nepružných deformáciách sa navyše mení teplota telesa, t.j. mení sa kinetická energia tepelného pohybu častíc. Ale keď sa telo deformuje, vykoná sa práca, ktorá je mierou zmeny vnútornej energie tela.

b) Vnútorná energia telesa sa mení aj pri jeho nepružnej zrážke s iným telesom. Ako sme už videli, pri nepružnej zrážke telies sa ich kinetická energia zmenšuje, mení sa na vnútornú energiu (ak napríklad niekoľkokrát udriete kladivom do drôtu ležiaceho na nákove, drôt sa zahreje). Miera zmeny kinetickej energie telesa je podľa vety o kinetickej energii prácou pôsobiacich síl. Táto práca môže slúžiť aj ako meradlo zmien vnútornej energie.

c) K zmene vnútornej energie telesa dochádza pôsobením trecej sily, pretože ako je známe zo skúseností, trenie je vždy sprevádzané zmenou teploty trecích telies. Práca trecej sily môže slúžiť ako miera zmeny vnútornej energie.

2. Používanie prenos tepla. Napríklad, ak sa teleso vloží do plameňa horáka, zmení sa jeho teplota, a teda sa zmení aj jeho vnútorná energia. Nepracovalo sa tu však, pretože nebol viditeľný pohyb ani samotného tela, ani jeho častí.

Zmena vnútornej energie systému bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla(prenos tepla).

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie.

a) tepelná vodivosť je proces výmeny tepla medzi telesami (alebo časťami tela) pri ich priamom kontakte, v dôsledku tepelného chaotického pohybu častíc tela. Amplitúda kmitov molekúl pevného telesa je tým väčšia, čím je jeho teplota vyššia. Tepelná vodivosť plynov je spôsobená výmenou energie medzi molekulami plynu pri ich zrážkach. V prípade tekutín fungujú oba mechanizmy. Tepelná vodivosť látky je maximálna v pevnom skupenstve a minimálna v plynnom skupenstve.

b) Konvekcia je prenos tepla ohriatymi prúdmi kvapaliny alebo plynu z jednej časti objemu, ktorý zaberajú, do druhej.

c) Prestup tepla pri žiarenia vykonávané na diaľku pomocou elektromagnetických vĺn.

Pozrime sa podrobnejšie na to, ako zmeniť vnútornú energiu.

Množstvo tepla

Ako viete, počas rôznych mechanických procesov dochádza k zmene mechanickej energie W. Mierou zmeny mechanickej energie je práca síl pôsobiacich na systém:

Pri prenose tepla dochádza k zmene vnútornej energie tela. Mierou zmeny vnútornej energie počas prenosu tepla je množstvo tepla.

Množstvo tepla je miera zmeny vnútornej energie pri prenose tepla.

Práca aj množstvo tepla teda charakterizujú zmenu energie, nie sú však totožné s vnútornou energiou. Necharakterizujú stav samotného systému (ako to robí vnútorná energia), ale určujú proces energetického prechodu z jednej formy do druhej (z jedného tela do druhého), keď sa stav mení a v podstate závisia od povahy procesu.

Hlavný rozdiel medzi prácou a teplom je v tom

§ práca charakterizuje proces zmeny vnútornej energie systému, sprevádzaný premenou energie z jedného typu na druhý (z mechanickej na vnútornú);

§ množstvo tepla charakterizuje proces prenosu vnútornej energie z jedného telesa do druhého (od teplejšieho k menej horúcemu), nesprevádzaný energetickými premenami.

§ Tepelná kapacita, množstvo tepla vynaloženého na zmenu teploty o 1 °C. Podľa prísnejšej definície tepelná kapacita- termodynamická veličina určená výrazom:

§ kde Δ Q- množstvo tepla odovzdaného do systému a spôsobeného zmenou jeho teploty pomocou Delta;T. Pomer konečných rozdielov Δ Q/ΔT sa nazýva priemer tepelná kapacita, pomer nekonečne malých hodnôt d Q/dT- pravda tepelná kapacita. Pretože d Q nie je teda úplným diferenciálom funkcie stavu tepelná kapacita závisí od prechodovej cesty medzi dvoma stavmi systému. Rozlišovať tepelná kapacita systém ako celok (J/K), špecifický tepelná kapacita[J/(g K)], molárny tepelná kapacita[J/(mol K)]. Všetky nižšie uvedené vzorce používajú molárne hodnoty tepelná kapacita.

Otázka 32:

Vnútornú energiu je možné meniť dvoma spôsobmi.

Množstvo tepla (Q) je zmena vnútornej energie tela, ku ktorej dochádza v dôsledku prenosu tepla.

Množstvo tepla sa meria v sústave SI v jouloch.
[Q] = 1 J.

Merná tepelná kapacita látky ukazuje, koľko tepla je potrebné na zmenu teploty jednotkovej hmotnosti danej látky o 1°C.
Jednotka špecifické teplo v sústave SI:
[c] = 1 J/kg stupňov C.

Otázka 33:

33 Prvý zákon termodynamiky, množstvo tepla prijatého systémom prechádza na zmenu jeho vnútornej energie a vykonávanie práce na vonkajších telesách. dQ=dU+dA, kde dQ je elementárne množstvo tepla, dA je elementárna práca, dU je prírastok vnútornej energie. Aplikácia prvého zákona termodynamiky na izoprocesy
Medzi rovnovážne procesy, ktoré sa vyskytujú pri termodynamických systémoch, patria izoprocesy, pri ktorom sa jeden z hlavných stavových parametrov udržiava konštantný.
Izochorický proces (V= konštanta). Schéma tohto procesu (izochóra) v súradniciach R, V je znázornená ako priamka rovnobežná s osou y (obr. 81), kde prebieha proces 1-2 je izochorický ohrev a 1 -3 - izochorické chladenie. V izochorickom procese plyn nepôsobí na vonkajšie telesá, Izotermický proces (T= konštanta). Ako už bolo spomenuté v § 41, izotermický dej popisuje zákon Boyle-Mariotte
, aby teplota pri expanzii plynu neklesala, je potrebné dodať plynu počas izotermického procesu množstvo tepla ekvivalentné externá práca rozšírenia.

Otázka 34:

34 Adiabatické sa nazýva proces, v ktorom nedochádza k výmene tepla ( dQ= 0) medzi systémom a životné prostredie. Adiabatické procesy zahŕňajú všetky rýchle procesy. Napríklad proces šírenia zvuku v médiu možno považovať za adiabatický proces, pretože rýchlosť šírenia zvukovej vlny je taká vysoká, že výmena energie medzi vlnou a médiom nestihne nastať. V motoroch sa využívajú adiabatické procesy vnútorné spaľovanie(expanzia a stláčanie horľavej zmesi vo valcoch), v chladiacich jednotkách a pod.
Z prvého zákona termodynamiky ( dQ= d U+dA) pre adiabatický proces z toho vyplýva, že
p /С V =γ , nájdeme

Integrovaním rovnice v rozsahu od p 1 do p 2, a teda od V 1 do V 2 a potencovaním, dospejeme k výrazu

Keďže stavy 1 a 2 sú zvolené ľubovoľne, môžeme písať

Vnútorné energetické a plynárenské práce

Základy termodynamiky

Opakovanie. Zákon zachovania celkovej mechanickej energie: zachová sa celková mechanická energia uzavretého systému, v ktorom nepôsobia trecie (odporové) sily.

Systém je tzv ZATVORENÉ ak všetky jeho zložky interagujú iba medzi sebou.

Výkon práce a uvoľňovanie energie počas termodynamických procesov naznačuje, že termodynamické systémy majú rezervu vnútornej energie.

Pod vnútornej energie systémov U v termodynamike rozumieť súčtu kinetickej energie pohybu všetky mikročastice systému(atómy alebo molekuly) a potenciálnu energiu ich vzájomnej interakcie. Zdôrazňujeme, že mechanická energia (potenciálna energia telesa zdvihnutého pod povrchom Zeme a kinetická energia jeho pohybu ako celku) sa do vnútornej energie nezapočítava.

Skúsenosti ukazujú, že existujú dva spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu systému - urobiť mechanickú práca nad systémom a výmena tepla s inými systémami.

Prvým spôsobom, ako zmeniť vnútornú energiu, je vykonať mechanickú prácu ALE" vonkajšie sily nad systémom alebo samotný systém nad vonkajšími telesami A (A = -A"). Keď sa práca vykonáva, vnútorná energia systému sa mení v dôsledku energie vonkajšieho zdroja. Takže pri nafukovaní kolesa bicykla sa systém zahrieva v dôsledku činnosti pumpy, pomocou trenia naši predkovia dokázali zapáliť atď.

Druhý spôsob zmeny vnútornej energie systému (bez vykonania práce) je tzv výmena tepla (prenos tepla). Množstvo energie prijatej alebo odovzdanej telom pri takomto procese sa nazýva množstvo tepla a označené ∆Q.

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie tepla, konvekcia, tepelné žiarenie.

O tepelná vodivosť teplo sa prenáša z teplejšieho telesa na menej zahriate teleso tepelným kontaktom medzi nimi. Výmena tepla môže nastať aj medzi časťami tela: z viac zohriatej časti do jeho menej zohriatej bez prenosu častíc, ktoré tvoria telo.

Konvekcia- prenos tepla prúdmi pohybujúcej sa kvapaliny alebo plynu z jednej oblasti objemu, ktorý zaberajú, do druhej. Pri ohrievaní kanvice na sporáku tepelná vodivosť zabezpečuje tok tepla cez dno kanvice do spodných (hraničných) vrstiev vody, avšak ohrievanie vnútorných vrstiev vody je práve výsledkom konvekcie, ktorá vedie k miešaniu ohriatej a studenej vody.

tepelné žiarenie- prenos tepla pomocou elektromagnetických vĺn. V tomto prípade nie je žiadny mechanický kontakt medzi ohrievačom a prijímačom tepla. Keď napríklad priblížite ruku na krátku vzdialenosť k žiarovke, pocítite jej tepelné vyžarovanie. Zem prijíma energiu zo Slnka aj vďaka tepelnému žiareniu.

Od vnútornej energie U je jednoznačne určená termodynamickými parametrami sústavy, potom ide o stavovú funkciu. V súlade s tým zmena vnútornej energie ΔU kedy sa mení stav sústavy (zmena teploty, objemu, tlaku, prechod z kvapalného skupenstva do tuhého skupenstva a pod.) zistíme podľa vzorca

ΔU=U2 - U1

kde U 1 a U 2- vnútorná energia v prvom a druhom stave. Zmena vnútornej energie ΔU nezávisí od medzistavov systému počas takéhoto prechodu, ale je určený iba počiatočnými a konečnými hodnotami energie.

Vnútorná energia 1. termodynamický zákon.
Súčet kinetických energií chaotického pohybu všetkých častíc telesa voči ťažisku telesa (molekuly, atómy) a potenciálnych energií ich vzájomnej interakcie sa nazýva vnútorná energia.
Kinetický energia častíc je určená rýchlosťou, čo znamená - teplota telo. Potenciál- vzdialenosť medzi časticami, čo znamená - objem. V dôsledku toho: U=U (T,V) - vnútorná energia závisí od objemu a teploty.	U=U(T,V)
Pre ideálny plyn: U=U (T) , pretože zanedbávame interakciu na diaľku. je vnútorná energia ideálneho monatomického plynu. Vnútorná energia je jednohodnotová stavová funkcia (až do ľubovoľnej konštanty) a zachováva sa v uzavretom systéme. Opak nie je pravdou(!) - rovnakej energii môžu zodpovedať rôzne stavy. U - vnútorná energia N - počet atómov - priemerná kinetická energia K - Boltzmannova konštanta m - hmotnosť M - molárna hmota R je univerzálna plynová konštanta Ρ je hustota v je množstvo hmoty	Ideálny plyn:
Jouleove pokusy dokázali ekvivalenciu práce a množstva tepla, t.j. obe veličiny sú mierou zmeny energie, možno ich merať v rovnakých jednotkách: 1 cal = 4,1868 J ≈ 4,2 J. Táto hodnota je tzv. mechanický ekvivalent tepla.

Častice akéhokoľvek telesa, atómy alebo molekuly vykonávajú chaotický neustály pohyb (tzv. tepelný pohyb). Preto má každá častica určitú kinetickú energiu.

Okrem toho častice hmoty navzájom interagujú silami elektrickej príťažlivosti a odpudzovania, ako aj jadrovými silami. Potenciálnu energiu má teda aj celý systém častíc daného telesa.

Vzniká kinetická energia tepelného pohybu častíc a potenciálna energia ich vzájomného pôsobenia nový druh energiu, ktorá nie je redukovaná na mechanickú energiu telesa (t.j. kinetickú energiu pohybu telesa ako celku a potenciálnu energiu jeho interakcie s inými telesami). Tento druh energie sa nazýva vnútorná energia.

Vnútorná energia telesa je celková kinetická energia tepelného pohybu jeho častíc plus potenciálna energia ich vzájomnej interakcie.

Vnútorná energia termodynamického systému je súčtom vnútorných energií telies zahrnutých v systéme.

Vnútornú energiu tela teda tvoria nasledujúce pojmy.

1. Kinetická energia nepretržitého chaotického pohybu častíc tela.

2. Potenciálna energia molekúl (atómov) spôsobená silami medzimolekulovej interakcie.

3. Energia elektrónov v atómoch.

4. vnútrojadrovej energie.

AT V prípade najjednoduchšieho modelu ideálnej plynnej látky je možné získať explicitný vzorec pre vnútornú energiu.

8.1 Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Potenciálna energia interakcie medzi časticami ideálneho plynu sa rovná nule (pripomeňme, že v modeli ideálneho plynu zanedbávame interakciu častíc na diaľku). Preto sa vnútorná energia monatomického ideálneho plynu redukuje na celkovú kinetickú energiu translačného8 pohybu jeho atómov. Túto energiu možno nájsť vynásobením počtu atómov plynu N priemernou kinetickou energiou E jedného atómu:

U=NE=N		kT=NA

U=32 mRT:

Vidíme, že vnútorná energia ideálneho plynu (hmotnosť a chemické zloženie ktoré sú nezmenené) je funkciou iba jeho teploty. V prípade skutočného plynného, ​​kvapalného alebo pevného telesa bude vnútorná energia závisieť aj od objemu, pretože keď sa objem zmení, o vzájomného usporiadaniačastice a v dôsledku toho aj potenciálnu energiu ich interakcie.

8 V polyatómovom plyne je potrebné brať do úvahy aj rotáciu molekúl a vibrácie atómov vo vnútri molekúl.

8.2 Štátna funkcia

Najdôležitejšou vlastnosťou vnútornej energie je, že je funkciou stavu termodynamického systému. Vnútorná energia je totiž jednoznačne určená súborom makroskopických parametrov, ktoré charakterizujú systém a nezávisí od „prehistórie“ systému, teda od toho, v akom stave bol systém predtým a ako konkrétne v tomto stave skončil. .

Takže pri prechode systému z jedného stavu do druhého je zmena jeho vnútornej energie určená iba počiatočným a konečným stavom systému a nezávisí od cesty prechodu z počiatočného stavu do konečného. Ak sa systém vráti do pôvodného stavu, potom je zmena jeho vnútornej energie nulová.

Skúsenosti ukazujú, že existujú iba dva spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu tela:

vykonávanie mechanických prác;

prenos tepla.

Jednoducho povedané, kanvicu vyhrejete zásadne len dvoma rôzne cesty: potrieť niečím alebo zapáliť :-) Pozrime sa na tieto metódy podrobnejšie.

8.3 Zmena vnútornej energie: práca

Ak sa na tele pracuje, vnútorná energia tela sa zvyšuje.

Napríklad klinec po údere kladivom sa zahrieva a trochu deformuje. Ale teplota je mierou priemernej kinetickej energie častíc telesa. Zahrievanie klinca naznačuje zvýšenie kinetickej energie jeho častíc: v skutočnosti sa častice urýchľujú úderom kladiva a trením klinca o dosku.

Deformácia nie je nič iné ako vzájomné premiestňovanie častíc; Klinec po náraze prechádza kompresnou deformáciou, jeho častice sa k sebe približujú, zvyšujú sa medzi nimi odpudivé sily a to vedie k zvýšeniu potenciálnej energie častíc nechtu.

Vnútorná energia nechtu sa teda zvýšila. To bol výsledok práce na ňom vykonanej, prácu vykonalo kladivo a sila trenia na doske.

Ak prácu vykonáva telo samo, potom vnútorná energia tela klesá. Necháme expandovať napríklad stlačený vzduch v tepelne izolovanej nádobe pod piestom

a zdvihne určité bremeno, čím vykoná prácu9. Počas tohto procesu bude vzduch ochladzovaný svojimi molekulami, ktoré narážajú na pohybujúci sa piest, čím mu dávajú časť svojej kinetickej energie. (Rovnakým spôsobom futbalista, ktorý rýchlo letiacu loptu zastavuje nohou, vzďaľuje sa od lopty a tlmí jej rýchlosť.) Preto vnútorná energia vzduchu klesá.

Vzduch teda funguje vďaka svojej vnútornej energii: keďže nádoba je tepelne izolovaná, nedochádza k prívodu energie do vzduchu zo žiadnych vonkajších zdrojov a vzduch môže čerpať energiu na prácu iba zo svojich vlastných zásob.

8.4 Zmena vnútornej energie: prenos tepla

Prenos tepla je proces prenosu vnútornej energie z teplejšieho telesa na chladnejšie, ktorý nie je spojený s výkonom mechanickej práce. Prenos tepla sa môže uskutočňovať buď priamym kontaktom telies, alebo cez stredné médium (a dokonca aj cez vákuum). Prenos tepla sa tiež nazýva prenos tepla.

9 Proces v tepelne izolovanej nádobe sa nazýva adiabatický. Budeme študovať adiabatický proces uvažovaním prvého zákona termodynamiky.

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a tepelné žiarenie. Teraz sa na ne pozrieme podrobnejšie.

8.5 Tepelná vodivosť

Ak vložíte železnú tyč s jedným koncom do ohňa, potom, ako vieme, nemôžete ju dlho držať v ruke. Keď sa atómy železa dostanú do oblasti vysokej teploty, začnú vibrovať intenzívnejšie (t.j. získavajú dodatočnú kinetickú energiu) a spôsobujú silnejšie údery na svojich susedov.

Kinetická energia susedných atómov sa tiež zvyšuje a teraz tieto atómy dodávajú dodatočnú kinetickú energiu svojim susedom. Takže z úseku do úseku sa teplo postupne šíri pozdĺž tyče od konca umiestnenej v ohni až po našu ruku. Ide o tepelnú vodivosť (obr. 18)10.

Ryža. 18. Tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť je prenos vnútornej energie z viac zahrievaných častí tela do menej zahrievaných v dôsledku tepelného pohybu a interakcie častíc tela.

Tepelná vodivosť rôznych látok je odlišná. Kovy majú vysokú tepelnú vodivosť: striebro, meď a zlato sú najlepšími vodičmi tepla. Tepelná vodivosť kvapalín je oveľa nižšia. Plyny vedú teplo tak zle, že sú už tepelnými izolantmi: molekuly plynu medzi sebou slabo interagujú v dôsledku veľkých vzdialeností medzi nimi. Preto sa napríklad v oknách vyrábajú dvojité rámy: unikaniu tepla bráni vrstva vzduchu).

Preto sú pórovité telesá ako tehla, vlna alebo kožušina zlými vodičmi tepla. Vo svojich póroch obsahujú vzduch. Niet divu, že tehlové domy sú považované za najteplejšie a v chladnom počasí ľudia nosia kožuchy a bundy s vrstvou páperia alebo vypchávkového polyesteru.

Ale ak vzduch vedie teplo tak zle, prečo sa potom miestnosť zahrieva z batérie? Je to spôsobené iným typom konvekcie prenosu tepla.

8.6 Konvekcia

Konvekcia je prenos vnútornej energie v kvapalinách alebo plynoch v dôsledku cirkulácie tokov a miešania látok.

Vzduch v blízkosti batérie sa zahrieva a expanduje. Gravitačná sila pôsobiaca na tento vzduch zostáva rovnaká, ale vztlaková sila z okolitého vzduchu sa zvyšuje, takže ohriaty vzduch sa začne vznášať smerom k stropu. Na jej miesto prichádza chlad

10 Obrázok z webovej stránky educationelectronicsusa.com.

air11, s ktorým sa opakuje to isté.

V dôsledku toho sa vytvorí cirkulácia vzduchu, ktorá slúži ako príklad konvekcie, distribúcia tepla v miestnosti sa uskutočňuje prúdmi vzduchu.

Úplne analogický proces možno pozorovať v kvapaline. Keď na sporák postavíte rýchlovarnú kanvicu alebo hrniec s vodou, voda sa ohrieva predovšetkým konvekciou (príspevok tepelnej vodivosti vody je tu veľmi zanedbateľný).

Konvekčné prúdy vo vzduchu a kvapaline sú znázornené12 na obr.19.

Ryža. 19. Konvekcia

AT pevné látky nedochádza ku konvekcii: interakčné sily častíc sú veľké, častice oscilujú v blízkosti pevných priestorových bodov (uzlov kryštálová mriežka) a za takýchto podmienok sa nemôžu vytvárať žiadne toky hmoty.

Pre cirkuláciu konvekčných prúdov pri vykurovaní miestnosti je potrebné, aby ohriaty vzduch mal kde plávať. Ak je radiátor inštalovaný pod stropom, potom nedôjde k cirkulácii teplého vzduchu, takže zostane pod stropom. Preto sú vykurovacie zariadenia umiestnené v spodnej časti miestnosti. Z toho istého dôvodu sa kanvica zapáli, v dôsledku čoho zohriate vrstvy vody, stúpajúce, ustupujú chladnejším.

Naopak, klimatizácia by mala byť umiestnená čo najvyššie: potom ochladený vzduch začne klesať a na jeho miesto príde teplejší vzduch. Cirkulácia pôjde opačným smerom v porovnaní s pohybom tokov pri vykurovaní miestnosti.

8.7 tepelné žiarenie

Ako Zem získava energiu zo Slnka? Vedenie tepla a konvekcia sú vylúčené: delí nás 150 miliónov kilometrov priestoru bez vzduchu.

Tretím typom prenosu tepla je tepelné žiarenie. Žiarenie sa môže šíriť v hmote aj vo vákuu. Ako vzniká?

Ukazuje sa, že elektrické magnetické pole navzájom úzko súvisia a majú jednu pozoruhodnú vlastnosť. Ak elektrické pole sa mení s časom, potom vytvára magnetické pole, ktoré sa vo všeobecnosti tiež mení s časom13. Striedavé magnetické pole zase generuje striedavé elektrické pole, ktoré opäť generuje striedavé magnetické pole, ktoré opäť generuje striedavé elektrické pole. . .

11 V prírode sa neustále deje ten istý proces, ale v oveľa väčšom rozsahu: takto vzniká vietor.

12 Obrázky z physics.arizona.edu.

13 Bližšie o tom bude reč v elektrodynamike, v téme elektromagnetická indukcia.

V dôsledku vývoja tohto procesu sa vo vesmíre šíri elektromagnetická vlna „zaháčkovaná“ elektrickými a magnetickými poľami. Rovnako ako zvuk elektromagnetické vlny majú v tomto prípade rýchlosť šírenia a frekvenciu, je to frekvencia, s ktorou kolíše veľkosť a smer polí vo vlne. Viditeľné svetlo je špeciálnym prípadom elektromagnetických vĺn.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je obrovská: 300 000 km/s. Takže zo Zeme na Mesiac sa svetlo pohybuje o niečo viac ako sekundu.

Frekvenčný rozsah elektromagnetických vĺn je veľmi široký. O škále elektromagnetických vĺn si povieme viac v príslušnom hárku. Tu len poznamenávame, že viditeľné svetlo je malý rozsah tohto rozsahu. Pod ňou ležia frekvencie infračerveného žiarenia, nad frekvenciou ultrafialového žiarenia.

Pripomeňme si teraz, že atómy, ktoré sú vo všeobecnosti elektricky neutrálne, obsahujú kladne nabité protóny a záporne nabité elektróny. Tieto nabité častice, ktoré spolu s atómami chaoticky pohybujú, vytvárajú striedavé elektrické polia a tým vyžarujú elektromagnetické vlny. Tieto vlny sa nazývajú tepelné žiarenie, aby sa pripomenulo, že ich zdrojom je tepelný pohyb častíc hmoty.

Akékoľvek teleso je zdrojom tepelného žiarenia. V tomto prípade žiarenie unáša časť svojej vnútornej energie. Po stretnutí s atómami iného telesa ich žiarenie urýchľuje svojim oscilujúcim elektrickým poľom a vnútorná energia tohto telesa sa zvyšuje. Takto sa vyhrievame na slnku.

Pri bežných teplotách ležia frekvencie tepelného žiarenia v infračervený rozsah, takže to oko nevníma (nevidíme, ako ¾svietime¿). Keď sa teleso zahreje, jeho atómy začnú vyžarovať vlny vyšších frekvencií. Železný klinec sa môže zahriať do červena na takú teplotu, že jeho tepelné žiarenie prejde do spodnej (červenej) časti viditeľného rozsahu. A Slnko sa nám zdá žltobiele: teplota na povrchu Slnka je taká vysoká (6000 C), že v spektre jeho žiarenia sú prítomné všetky frekvencie. viditeľné svetlo, a dokonca aj ultrafialové, vďaka ktorému sa opaľujeme.

Pozrime sa ešte raz na tri typy prenosu tepla (obrázok 20)14.

Ryža. 20. Tri druhy prenosu tepla: vedenie, prúdenie, žiarenie

14 obrázkov zo stránky beodom.com.