Билет №11. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

При взаимодействии тел один вид энергии может переходить в другой. Например, при падении шарика на металлическую плиту, потенциальная энергия переходит в кинетическую. В момент же удара кинетическая и потенциальная энергия шарика равна нулю, однако шарик нагревается от удара, говорят, что механическая энергия переходит во внутреннюю энергию шарика и пластины.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела. Обозначается U, измеряется в Джоулях (Дж).

При увеличении температуры тела, увеличивается средняя кинетическая энергия хаотического движения его молекул, а, следовательно, увеличивается внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей.

Работа обозначается А, измеряется в Джоулях (Дж).

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом

называется теплопередачей.

Например. При трении ладоней друг о друга, мы совершаем работу над телом, и его внутренняя энергия увеличивается. Если поставить чайник на плиту, в процессе теплопередачи увеличивается внутренняя энергия и чайника, и воды.

Величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи (без совершения работы), называется количество теплоты.

Обозначается Q, измеряется в Джоулях (Дж).

Закон сохранения энергии запишется следующим образом:

Q = ∆U+А.

Внутренняя энергия тела увеличивается при совершении работы над ним, уменьшается, если работу совершает само тело.

Как механическая энергия может передаваться от одного тела другому, так и внутренняя энергия. Это справедливо для всех тепловых процессов. При теплопередаче, например, тело более нагретое отдает энергию, а тело менее нагретое получает энергию.

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается настолько, насколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

Таким образом,

Q₁+ Q₂+ Q₃+ … + Q_n= 0.

При этом, количество теплоты считается меньше нуля, если тело отдает энергию, больше нуля, если получает.

Билет № 12. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике.

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция, излучение.

Перенос энергии от более нагретых тел или участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, называется теплопроводностью. Например, если металлический стержень нагревать с одного конца, то постепенно нагреется весь стержень.

Различные вещества обладают разной теплопроводностью. Это связано, прежде всего, с различием сил взаимодействия между частицами. Так твердые тела обладают хорошей теплопроводностью, а газы - плохой. Плохой теплопроводностью обладают и пористые вещества, так как в порах находится воздух.

При конвекции энергия переносится потоками жидкости или газа. При нагревании плотность вещества уменьшается. Нагретая жидкость или газ выталкиваются силой Архимеда, действующей со стороны менее нагретых слоев. И теплопроводность и конвекция могут протекать только в веществе.

Излучение — процесс передачи энергии электромагнитными волнами. Это единственный способ переноса энергии, который может осуществляться в вакууме.

Излучают энергию все тела, температура которых больше температуры окружающей среды. При этом больше всего поглощают энергию темные тела, серебристые – хорошо отражают.

Примеры теплопередачи в природе и технике:

1.Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша прогревается излучением от солнца быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух понизу с моря перемещается к берегу — дует ветер.

2. Тяга. Для создания тяги над топкой, например в котельных установках фабрик, заводов, электростанций, устанавливают трубу. При горении топлива воздух в ней нагревается. Значит, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый поднимается вверх — образуется тяга. Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

3. Отопление и охлаждение жилых помещений. Нагревание и охлаждение воздуха в помещениях основано на конвекции. Охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Ведь холодный воздух имеет большую плотность, чем теплый, и поэтому будет опускаться.

Обогревательные приборы располагают внизу. Во многих современных больших домах устраивают водяное отопление. Циркуляция воды в нем и прогревание воздуха в помещении происходят за счет конвекции.

4. Теплопередача и растительный мир. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается - излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. В такие ночи ранней весной возможны заморозки на почве. Если же погода облачная, то облака закрывают Землю и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло (или пленка) препятствует движению теплого воздуха вверх, т. е. осуществлению конвекции. Таким образом, внутри теплиц температура выше, чем на незащищенном грунте.

5. Чтобы сохранить горячей воду, пищу или предохранить лед или мороженое от таяния, пользуются термосом. Он состоит из стеклянного сосуда с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишенное воздуха пространство между стенками обладает плохой теплопроводностью, блестящий слой, вследствие отражения, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в картонный или металлический футляр. Сосуд закупоривают пробкой, а сверху футляра навинчивают колпачок, который предотвращает перенос энергии конвекционными потоками.