Способы изменения внутренней энергии

Научиться понимать и различать два способа изменения внутренней энергии: работу и теплопередачу.

Понимание способов изменения внутренней энергии лежит в основе работы тепловых двигателей, систем отопления, холодильников, приготовления пищи и многих природных явлений. Это знание помогает объяснить, почему одни тела нагреваются, а другие остывают, и как эффективно использовать энергию.

• Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами: при совершении работы и при теплопередаче.
• При совершении работы над телом его внутренняя энергия увеличивается, при совершении работы самим телом — уменьшается.
• Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, при непосредственном контакте или излучением.
• Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
• Теплопередача всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.
• Количество теплоты — это мера изменения внутренней энергии при теплопередаче.
• Работа и теплота — две формы передачи энергии, но они принципиально различаются по механизму.

Внутренняя энергия

Энергия движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул), из которых состоит тело. Она зависит от температуры тела и его агрегатного состояния.

Теплопередача

Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения механической работы, за счет передачи энергии от более нагретых тел к менее нагретым.

Работа

Способ изменения внутренней энергии, при котором энергия передается в результате перемещения тела под действием силы (например, сжатие, трение).

Теплопроводность

Вид теплопередачи, при котором энергия передается от частицы к частице при их непосредственном контакте, без переноса вещества.

Конвекция

Вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа (например, теплый воздух поднимается вверх).

Излучение

Вид теплопередачи, при котором энергия передается электромагнитными волнами (например, тепло от Солнца).

• Внутреннюю энергию можно изменить, совершая работу: например, при сжатии газа его температура повышается, а при расширении — понижается.
• При трении внутренняя энергия тел увеличивается: например, если потереть ладони, они нагреваются.
• Теплопередача всегда происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному, пока температуры не выровняются.
• Количество теплоты обозначается буквой Q и измеряется в джоулях (Дж).
• Теплопроводность лучше всего выражена у металлов, хуже — у жидкостей и газов.
• Конвекция невозможна в твердых телах, так как частицы не могут перемещаться.
• Излучение — единственный вид теплопередачи, который может происходить в вакууме (например, от Солнца к Земле).

1. Пример 1случай
   • Если быстро сжимать воздух в закрытом сосуде (например, в шприце), стенки сосуда нагреваются — это изменение внутренней энергии за счет работы
2. Пример 2случай
   • Горячий чай в кружке остывает, потому что тепло передается окружающему воздуху через теплопроводность и конвекцию
3. Пример 3случай
   • Солнечные лучи нагревают поверхность Земли через излучение, даже несмотря на вакуум космического пространства
4. Пример 4случай

   При забивании гвоздя молотком гвоздь нагревается

   Пояснение

   • энергия удара (работа) переходит во внутреннюю энергию гвоздя

• Термос устроен так, чтобы уменьшить все три вида теплопередачи: вакуум между стенками предотвращает теплопроводность и конвекцию, а зеркальное покрытие отражает излучение.
• Белые и светлые поверхности излучают и поглощают тепловое излучение хуже, чем темные, поэтому в жарких странах дома часто красят в белый цвет.
• При сжатии воздуха в велосипедном насосе он нагревается настолько, что это можно почувствовать рукой — это пример изменения внутренней энергии за счет работы.

• При проведении опытов с нагреванием тел (например, трением) соблюдай осторожность, чтобы не обжечься.
• Не прикасайся к нагретым предметам без защитных перчаток, так как теплопередача может вызвать ожог.

• Тепловое движение атомов и молекул
• Температура и её измерение
• Количество теплоты. Удельная теплоёмкость
• Энергия топлива. Закон сохранения энергии