Το παρακάτω άρθρο θα μιλήσει για την εσωτερική ενέργεια και πώς να την αλλάξετε. Εδώ θα εξοικειωθούμε με τον γενικό ορισμό του VE, τη σημασία του και δύο τύπους αλλαγών στην κατάσταση με την ενέργεια που κατέχει φυσικό σώμα, ένα αντικείμενο. Ειδικότερα, θα εξεταστεί το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας και της εργασίας.
Εισαγωγή
Εσωτερική ενέργεια- αυτό είναι εκείνο το μέρος του πόρου ενός θερμοδυναμικού συστήματος που δεν εξαρτάται από ένα συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς. Μπορεί να αλλάξει το νόημά του μέσα στο πρόβλημα που μελετάται.
Χαρακτηριστικά ίσης αξίαςστο πλαίσιο αναφοράς σε σχέση με το οποίο η κεντρική μάζα ενός σώματος/αντικειμένου μακροσκοπικών διαστάσεων είναι κατάσταση ηρεμίας, έχουν την ίδια ολική και εσωτερική ενέργεια. Πάντα ταιριάζουν μεταξύ τους. Το σύνολο των μερών που αποτελούν τη συνολική ενέργεια που περιλαμβάνεται στην εσωτερική ενέργεια δεν είναι σταθερό και εξαρτάται από τις συνθήκες του προβλήματος που επιλύεται. Με άλλα λόγια, η ΑΠΕ δεν είναι ένας συγκεκριμένος τύπος ενεργειακού πόρου. Αντιπροσωπεύει το σύνολο ενός αριθμού συνιστωσών του συνολικού ενεργειακού συστήματος που ποικίλλουν ανάλογα με συγκεκριμένες καταστάσεις. Οι μέθοδοι για την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας βασίζονται σε δύο βασικές αρχές: μεταφορά θερμότητας και εργασία.
Το VE είναι μια συγκεκριμένη έννοια για συστήματα θερμοδυναμικής φύσης. Επιτρέπει στους φυσικούς να εισάγουν διάφορες ποσότητες, όπως η θερμοκρασία και η εντροπία, η διάσταση του χημικού δυναμικού και η μάζα των ουσιών που σχηματίζουν ένα σύστημα.
Ολοκλήρωση της εργασίας
Υπάρχουν δύο τρόποι για να αλλάξετε την εσωτερική ενέργεια ενός σώματος(ων). Το πρώτο σχηματίζεται μέσω της διαδικασίας εκτέλεσης άμεσης εργασίας σε ένα αντικείμενο. Το δεύτερο είναι το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας.
Σε περιπτώσεις όπου η εργασία εκτελείται από το ίδιο το σώμα, ο δείκτης εσωτερικής ενέργειας του θα μειωθεί. Όταν η διαδικασία ολοκληρωθεί από κάποιον ή κάτι στο σώμα, τότε η τιμή VE του θα αυξηθεί. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει ένας μετασχηματισμός του πόρου μηχανικής ενέργειας στον εσωτερικό τύπο ενέργειας που διαθέτει το αντικείμενο. Όλα μπορούν επίσης να ρέουν αντίστροφα: μηχανικά προς εσωτερικά.
Η μεταφορά θερμότητας αυξάνει την τιμή του HE. Ωστόσο, εάν το σώμα κρυώσει, τότε η ενέργεια θα μειωθεί. Με συνεχή διατήρηση της μεταφοράς θερμότητας, ο δείκτης θα αυξηθεί. Η συμπίεση των αερίων χρησιμεύει ως παράδειγμα αύξησης του δείκτη VE και η διαστολή τους (των αερίων) είναι συνέπεια της μείωσης της τιμής της εσωτερικής ενέργειας.
Φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας
Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας από τη μεταφορά θερμότητας αντιπροσωπεύει αύξηση/μείωση του ενεργειακού δυναμικού. Το σώμα το κατέχει, χωρίς να εκτελεί ορισμένες (κυρίως μηχανικές) εργασίες. Η μεταφερόμενη ποσότητα ενέργειας ονομάζεται θερμότητα (Q, J) και η ίδια η διαδικασία υπόκειται στο γενικό ZSE. Οι αλλαγές στην VE αντανακλώνται πάντα από μια αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας του σώματος.
Και οι δύο μέθοδοι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας (εργασία και μεταφορά θερμότητας) μπορούν να πραγματοποιηθούν σε σχέση με ένα αντικείμενο με ταυτόχρονο τρόπο, δηλαδή μπορούν να συνδυαστούν.
Το VE μπορεί να αλλάξει, για παράδειγμα, δημιουργώντας τριβή. Εδώ παρακολουθούνται με σαφήνεια η απόδοση της μηχανικής εργασίας (τριβής) και το φαινόμενο της ανταλλαγής θερμότητας. Οι πρόγονοί μας προσπάθησαν να βγάλουν φωτιά με παρόμοιο τρόπο. Δημιούργησαν τριβή μεταξύ του ξύλου, η θερμοκρασία ανάφλεξης του οποίου αντιστοιχεί σε 250 ° C.
Μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μέσω εργασίας ή μεταφοράς θερμότητας μπορεί να συμβεί την ίδια χρονική περίοδο, δηλαδή αυτοί οι δύο τύποι μέσων μπορούν να λειτουργήσουν μαζί. Ωστόσο, η απλή τριβή σε μια συγκεκριμένη περίπτωση δεν θα είναι αρκετή. Για να γίνει αυτό, ένα κλαδί έπρεπε να ακονιστεί. Επί του παρόντος, ένα άτομο μπορεί να πάρει φωτιά τρίβοντας σπίρτα, τα κεφάλια των οποίων είναι επικαλυμμένα με μια εύφλεκτη ουσία που αναφλέγεται στους 60-100 ° C. Τα πρώτα τέτοια προϊόντα άρχισαν να δημιουργούνται στη δεκαετία του '30 χρόνια XIXαιώνας. Αυτά ήταν σπίρτα φωσφόρου. Είναι σε θέση να αναφλεγούν σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία - 60 ° C. Επί του παρόντος σε χρήση που τέθηκαν σε παραγωγή το 1855.
Ενεργειακή εξάρτηση
Μιλώντας για τρόπους αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας, θα είναι επίσης σημαντικό να αναφέρουμε την εξάρτηση αυτού του δείκτη από τη θερμοκρασία. Το γεγονός είναι ότι η ποσότητα αυτού του ενεργειακού πόρου καθορίζεται από τη μέση ποσότητα κινητικής ενέργειας που συγκεντρώνεται σε ένα μόριο του σώματος, η οποία, με τη σειρά της, εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία. Για αυτόν τον λόγο, μια αλλαγή στη θερμοκρασία οδηγεί πάντα σε αλλαγή της VE. Από αυτό προκύπτει επίσης ότι η θέρμανση οδηγεί σε αύξηση της ενέργειας και η ψύξη προκαλεί μείωση.
Θερμοκρασία και μεταφορά θερμότητας
Οι μέθοδοι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος χωρίζονται σε: μεταφορά θερμότητας και μηχανική εργασία. Ωστόσο, θα είναι σημαντικό να γνωρίζετε ότι η ποσότητα της θερμότητας και η θερμοκρασία δεν είναι το ίδιο πράγμα. Αυτές οι έννοιες δεν πρέπει να συγχέονται. Οι τιμές θερμοκρασίας ορίζονται σε βαθμούς και η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται ή μεταφέρεται ορίζεται σε joules (J).
Η επαφή δύο σωμάτων, εκ των οποίων το ένα θα είναι θερμότερο, οδηγεί πάντα σε απώλεια θερμότητας από το ένα (πιο ζεστό) και απόκτηση της από το άλλο (πιο κρύο).
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι και οι δύο μέθοδοι αλλαγής της VE του σώματος οδηγούν πάντα στα ίδια αποτελέσματα. Είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ακριβώς πώς επιτεύχθηκε η αλλαγή του με βάση την τελική κατάσταση του σώματος.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος δεν είναι κάποιου είδους σταθερή τιμή. Μπορεί να αλλάξει στο ίδιο σώμα.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος αυξάνεται, αφού η μέση ταχύτητα κίνησης των μορίων αυξάνεται.
Κατά συνέπεια, αυξάνεται η κινητική ενέργεια των μορίων αυτού του σώματος. Όσο μειώνεται η θερμοκρασία, αντίθετα μειώνεται και η εσωτερική ενέργεια του σώματος.
Ετσι, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος αλλάζει όταν αλλάζει η ταχύτητα κίνησης των μορίων.
Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς να αυξήσουμε ή να μειώσουμε την ταχύτητα κίνησης των μορίων. Για να γίνει αυτό, ας κάνουμε το ακόλουθο πείραμα. Ας συνδέσουμε έναν ορειχάλκινο σωλήνα με λεπτά τοιχώματα σε μια βάση (Εικ. 3). Ρίξτε λίγο αιθέρα στο σωληνάριο και κλείστε το με ένα πώμα. Στη συνέχεια, θα τυλίξουμε τον σωλήνα με ένα σχοινί και θα αρχίσουμε να τον μετακινούμε γρήγορα προς τη μία κατεύθυνση και μετά προς την άλλη. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ο αιθέρας θα βράσει και ο ατμός θα σπρώξει έξω το βύσμα. Η εμπειρία δείχνει ότι η εσωτερική ενέργεια του αιθέρα έχει αυξηθεί: στο κάτω-κάτω, έχει θερμανθεί και μάλιστα έχει βράσει.
Ρύζι. 3. Αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του σώματος κατά την εκτέλεση εργασιών σε αυτό
Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας προέκυψε ως αποτέλεσμα της εργασίας που έγινε κατά το τρίψιμο του σωλήνα με ένα σχοινί.
Η θέρμανση των σωμάτων συμβαίνει επίσης κατά τις κρούσεις, την επέκταση και την κάμψη, δηλαδή κατά την παραμόρφωση. Η εσωτερική ενέργεια του σώματος σε όλα τα παραπάνω παραδείγματα αυξάνεται.
Ως εκ τούτου, Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αυξηθεί κάνοντας εργασίες στο σώμα.
Αν το ίδιο το σώμα κάνει τη δουλειά, τότε το κάνει η εσωτερική ενέργεια μειώνεται.
Ας κάνουμε το παρακάτω πείραμα.
Αντλούμε αέρα σε ένα γυάλινο δοχείο με παχύ τοίχωμα, κλειστό με πώμα, μέσα από μια ειδική οπή σε αυτό (Εικ. 4).
Ρύζι. 4. Μείωση της εσωτερικής ενέργειας του σώματος όταν η εργασία εκτελείται από το ίδιο το σώμα
Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ο φελλός θα βγει από το δοχείο. Τη στιγμή που ο φελλός ξεπροβάλλει από το δοχείο, σχηματίζεται ομίχλη. Η εμφάνισή του σημαίνει ότι ο αέρας στο σκάφος έχει γίνει πιο κρύος. Ο πεπιεσμένος αέρας στο δοχείο, που ωθεί προς τα έξω το βύσμα, λειτουργεί. Κάνει αυτή τη δουλειά σε βάρος της εσωτερικής του ενέργειας, η οποία μειώνεται. Η μείωση της εσωτερικής ενέργειας μπορεί να κριθεί από την ψύξη του αέρα στο δοχείο. Ετσι, Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει κάνοντας εργασία.
Η εσωτερική ενέργεια του σώματος μπορεί να αλλάξει με άλλο τρόπο, χωρίς να κάνει δουλειά. Για παράδειγμα, το νερό βράζει σε ένα βραστήρα που βρίσκεται στη σόμπα. Αέρας και διάφορα είδητο δωμάτιο θερμαίνεται από ένα καλοριφέρ κεντρικής θέρμανσης, οι στέγες των σπιτιών θερμαίνονται από τις ακτίνες του ήλιου κ.λπ. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η θερμοκρασία των σωμάτων αυξάνεται, πράγμα που σημαίνει ότι αυξάνεται η εσωτερική τους ενέργεια. Όμως η δουλειά δεν έχει γίνει.
Που σημαίνει, μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια μπορεί να συμβεί όχι μόνο ως αποτέλεσμα της εργασίας που έχει γίνει.
Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας σε αυτές τις περιπτώσεις;
Εξετάστε το ακόλουθο παράδειγμα.
Τοποθετήστε το σε ένα ποτήρι με ζεστό νερόμεταλλική βελόνα πλεξίματος. Η κινητική ενέργεια των μορίων του ζεστού νερού είναι μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια των ψυχρών μεταλλικών σωματιδίων. Τα μόρια του ζεστού νερού, όταν αλληλεπιδρούν με σωματίδια ψυχρού μετάλλου, θα μεταφέρουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας σε αυτά. Ως αποτέλεσμα αυτού, η ενέργεια των μορίων του νερού θα μειωθεί κατά μέσο όρο και η ενέργεια των μεταλλικών σωματιδίων θα αυξηθεί. Η θερμοκρασία του νερού θα μειωθεί και η θερμοκρασία της μεταλλικής ακτίνας θα αυξηθεί σταδιακά. Μετά από λίγο, οι θερμοκρασίες τους θα εξισωθούν. Αυτή η εμπειρία δείχνει μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια των σωμάτων.
Ετσι, Η εσωτερική ενέργεια των σωμάτων μπορεί να μεταβληθεί με μεταφορά θερμότητας.
Η διαδικασία αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας χωρίς να γίνεται εργασία στο σώμα ή στο ίδιο το σώμα ονομάζεται μεταφορά θερμότητας.
Η μεταφορά θερμότητας γίνεται πάντα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση: από σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία σε σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία.
Όταν οι θερμοκρασίες του σώματος εξισωθούν, η μεταφορά θερμότητας σταματά.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να μεταβληθεί με δύο τρόπους: εκτελώντας μηχανικό έργο ή με μεταφορά θερμότητας.
Η μεταφορά θερμότητας, με τη σειρά του, μπορεί να πραγματοποιηθεί: 1) θερμική αγωγιμότητα. 2) συναγωγή? 3) ακτινοβολία.
Ερωτήσεις
- Χρησιμοποιώντας το σχήμα 3, πείτε πώς αλλάζει η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος όταν γίνεται εργασία σε αυτό.
- Περιγράψτε ένα πείραμα που δείχνει ότι ένα σώμα μπορεί να κάνει εργασία χρησιμοποιώντας εσωτερική ενέργεια.
- Δώστε παραδείγματα αλλαγών στην εσωτερική ενέργεια ενός σώματος με μεταφορά θερμότητας.
- Εξηγήστε, με βάση τη μοριακή δομή μιας ουσίας, τη θέρμανση μιας βελόνας πλεξίματος χαμηλωμένη σε ζεστό νερό.
- Τι είναι η μεταφορά θερμότητας;
- Ποιοι είναι οι δύο τρόποι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας του σώματος;
Άσκηση 2
- Η δύναμη τριβής λειτουργεί στο σώμα. Αλλάζει η εσωτερική ενέργεια του σώματος; Με ποια σημάδια μπορούμε να το κρίνουμε αυτό;
- Όταν κάνετε ραπέλ γρήγορα, τα χέρια σας ζεσταίνονται. Εξηγήστε γιατί συμβαίνει αυτό.
Ασκηση
Τοποθετήστε το κέρμα σε ένα κομμάτι κόντρα πλακέ ή σε μια ξύλινη σανίδα. Πιέστε το κέρμα στον πίνακα και μετακινήστε το γρήγορα προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Παρατηρήστε πόσες φορές πρέπει να μετακινήσετε το νόμισμα ώστε να γίνει ζεστό, ζεστό. Εξάγετε ένα συμπέρασμα σχετικά με τη σύνδεση μεταξύ της εργασίας που εκτελείται και της αύξησης της εσωτερικής ενέργειας του σώματος.
1.
Υπάρχουν δύο τύποι μηχανικής ενέργειας: η κινητική και η δυναμική. Κάθε κινούμενο σώμα έχει κινητική ενέργεια. είναι ευθέως ανάλογο με τη μάζα του σώματος και το τετράγωνο της ταχύτητάς του. Τα σώματα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους έχουν δυναμική ενέργεια. Η δυναμική ενέργεια ενός σώματος που αλληλεπιδρά με τη Γη είναι ευθέως ανάλογη με τη μάζα του και την απόσταση μεταξύ τους
αυτόν και την επιφάνεια της Γης.
Το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας ενός σώματος ονομάζεται συνολική μηχανική ενέργεια. Έτσι, η συνολική μηχανική ενέργεια εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησης του σώματος και από τη θέση του σε σχέση με το σώμα με το οποίο αλληλεπιδρά.
Εάν ένα σώμα έχει ενέργεια, τότε μπορεί να κάνει δουλειά. Όταν γίνεται η εργασία, η ενέργεια του σώματος αλλάζει. Η αξία της εργασίας είναι ίση με την αλλαγή της ενέργειας.
2. Εάν αντλήσετε αέρα σε ένα βάζο με παχύ τοίχωμα που κλείνει με πώμα, το κάτω μέρος του οποίου είναι καλυμμένο με νερό (Εικ. 67), τότε μετά από κάποιο χρονικό διάστημα το πώμα θα πετάξει έξω από το βάζο και θα σχηματιστεί ομίχλη στο βάζο.
Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι υπάρχει υδρατμός στον αέρα στο βάζο, ο οποίος σχηματίζεται όταν το νερό εξατμίζεται. Η εμφάνιση ομίχλης σημαίνει ότι ο ατμός έχει μετατραπεί σε νερό, δηλ. συμπυκνώνεται και αυτό μπορεί να συμβεί όταν πέσει η θερμοκρασία. Κατά συνέπεια, η θερμοκρασία του αέρα στο βάζο μειώθηκε.
Ο λόγος για αυτό είναι ο εξής. Ο φελλός πέταξε έξω από το βάζο επειδή ο αέρας εκεί επηρέασε πάνω του με μια συγκεκριμένη δύναμη. Ο αέρας λειτούργησε όταν βγήκε το φις. Είναι γνωστό ότι ένα σώμα μπορεί να κάνει δουλειά αν έχει ενέργεια. Επομένως, ο αέρας στο βάζο έχει ενέργεια.
Καθώς ο αέρας εκτελούσε εργασία, η θερμοκρασία του μειώθηκε και η κατάστασή του άλλαζε. Ταυτόχρονα, η μηχανική ενέργεια του αέρα δεν άλλαξε: ούτε η ταχύτητά του ούτε η θέση του σε σχέση με τη Γη άλλαξαν. Κατά συνέπεια, η δουλειά έγινε όχι λόγω μηχανικής, αλλά λόγω άλλης ενέργειας. Αυτή η ενέργεια είναι εσωτερική ενέργειααέρα στο βάζο.
3. Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος είναι το άθροισμα της κινητικής ενέργειας των μορίων του και της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασής τους.
Τα μόρια έχουν κινητική ενέργεια \((E_к) \) , αφού βρίσκονται σε κίνηση, και δυναμική ενέργεια \((E_п) \) , αφού αλληλεπιδρούν.
Η εσωτερική ενέργεια συμβολίζεται με το γράμμα \(U\) . Η μονάδα εσωτερικής ενέργειας είναι 1 τζάουλ (1 J).
\[ U=E_κ+E_п \]
4. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα κίνησης των μορίων, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, η εσωτερική ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία του σώματος. Για να μετατρέψετε μια ουσία από στερεή σε υγρή κατάσταση, για παράδειγμα, για να μετατρέψετε τον πάγο σε νερό, πρέπει να της τροφοδοτήσετε με ενέργεια. Κατά συνέπεια, το νερό θα έχει περισσότερη εσωτερική ενέργεια από τον πάγο της ίδιας μάζας, και επομένως, η εσωτερική ενέργεια εξαρτάται από την κατάσταση συσσώρευσης του σώματος.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος δεν εξαρτάται από την κίνησή του στο σύνολό του και από την αλληλεπίδρασή του με άλλα σώματα. Έτσι, η εσωτερική ενέργεια μιας μπάλας που βρίσκεται στο τραπέζι και στο πάτωμα είναι η ίδια, καθώς και μια μπάλα ακίνητη και κυλιόμενη στο πάτωμα (αν, φυσικά, παραμελήσουμε την αντίσταση στην κίνησή της).
Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια μπορεί να κριθεί από την αξία της δουλειάς που έγινε. Επιπλέον, δεδομένου ότι η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία του, μια αλλαγή στη θερμοκρασία του σώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κριθεί η αλλαγή στην εσωτερική του ενέργεια.
5. Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να αλλάξει κάνοντας δουλειά. Έτσι, στο περιγραφόμενο πείραμα, η εσωτερική ενέργεια του αέρα και των υδρατμών στο βάζο μειώθηκε καθώς εκτελούσαν το έργο της ώθησης του πώματος προς τα έξω. Παράλληλα, μειώθηκε η θερμοκρασία του αέρα και των υδρατμών, όπως φαίνεται από την εμφάνιση ομίχλης.
Εάν χτυπήσετε ένα κομμάτι μολύβδου πολλές φορές με ένα σφυρί, μπορείτε ακόμη και να πείτε με το άγγιγμα ότι το κομμάτι του μολύβδου θα ζεσταθεί. Κατά συνέπεια, η εσωτερική του ενέργεια, όπως και η εσωτερική ενέργεια του σφυριού, αυξήθηκε. Αυτό συνέβη επειδή έγινε δουλειά σε ένα κομμάτι μολύβδου.
Εάν το ίδιο το σώμα λειτουργεί, τότε η εσωτερική του ενέργεια μειώνεται, και αν γίνει δουλειά σε αυτό, τότε η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται.
Εάν ρίξετε ζεστό νερό σε ένα ποτήρι κρύο νερό, η θερμοκρασία του ζεστού νερού θα μειωθεί και η θερμοκρασία του κρύου νερού θα αυξηθεί. Σε αυτή την περίπτωση, δεν γίνεται καμία εργασία, αλλά η εσωτερική ενέργεια του ζεστού νερού μειώνεται, όπως αποδεικνύεται από τη μείωση της θερμοκρασίας του.
Εφόσον αρχικά η θερμοκρασία του ζεστού νερού ήταν υψηλότερη από τη θερμοκρασία του κρύου νερού, η εσωτερική ενέργεια του ζεστού νερού είναι μεγαλύτερη. Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια του ζεστού νερού έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια από τα μόρια του κρύου νερού. Τα μόρια ζεστού νερού μεταφέρουν αυτή την ενέργεια στα μόρια του κρύου νερού κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων και η κινητική ενέργεια των μορίων του κρύου νερού αυξάνεται. Η κινητική ενέργεια των μορίων του ζεστού νερού μειώνεται.
Στο εξεταζόμενο παράδειγμα, η μηχανική εργασία δεν εκτελείται κατά την εσωτερική ενέργεια των σωμάτων μεταφορά θερμότητας.
Η μεταφορά θερμότητας είναι η μέθοδος αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος με μεταφορά ενέργειας από ένα μέρος του σώματος σε άλλο ή από ένα σώμα σε άλλο χωρίς να γίνει εργασία.
Μέρος 1
1. Η εσωτερική ενέργεια ενός αερίου σε ένα σφραγισμένο δοχείο σταθερού όγκου προσδιορίζεται από
1) χαοτική κίνηση των μορίων αερίου
2) κίνηση ολόκληρου του σκάφους με αέριο
3) αλληλεπίδραση του σκάφους με το αέριο και τη Γη
4) η δράση των εξωτερικών δυνάμεων σε ένα σκάφος με αέριο
2. Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από
Α) σωματικό βάρος
Β) θέση σώματος σε σχέση με την επιφάνεια της Γης
Β) την ταχύτητα κίνησης του σώματος (σε απουσία τριβής)
Σωστή απάντηση
1) μόνο Α
2) μόνο Β
3) μόνο Β
4) μόνο Β και Γ
3. Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος δεν εξαρτάται από
Α) θερμοκρασία σώματος
Β) σωματικό βάρος
Β) θέση σώματος σε σχέση με την επιφάνεια της Γης
Σωστή απάντηση
1) μόνο Α
2) μόνο Β
3) μόνο Β
4) μόνο το Α και το Β
4. Πώς αλλάζει η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος όταν θερμαίνεται;
1) αυξάνεται
2) μειώνεται
3) για αέρια αυξάνεται, για στερεά και υγρά δεν αλλάζει
4) δεν αλλάζει για τα αέρια, αυξάνεται για τα στερεά και τα υγρά
5. Η εσωτερική ενέργεια ενός νομίσματος αυξάνεται αν αυτό
1) Ζεσταίνουμε σε ζεστό νερό
2) βυθίστε σε νερό ίδιας θερμοκρασίας
3) κάντε το να κινείται με κάποια ταχύτητα
4) σηκωθεί πάνω από την επιφάνεια της Γης
6. Ένα ποτήρι νερό στέκεται σε ένα τραπέζι στο δωμάτιο και ένα άλλο ποτήρι νερό της ίδιας μάζας και της ίδιας θερμοκρασίας βρίσκεται σε ένα ράφι που κρέμεται σε ύψος 80 cm σε σχέση με το τραπέζι. Η εσωτερική ενέργεια ενός ποτηριού νερού στο τραπέζι είναι
1) εσωτερική ενέργεια του νερού στο ράφι
2) περισσότερη εσωτερική ενέργεια νερού στο ράφι
3) λιγότερη εσωτερική ενέργεια νερού στο ράφι
4) ίσο με μηδέν
7. Αφού το ζεστό μέρος χαμηλώσει σε κρύο νερό, εσωτερική ενέργεια
1) και τα δύο μέρη και το νερό θα αυξηθούν
2) και τα δύο μέρη και το νερό θα μειωθούν
3) τα μέρη θα μειωθούν και το νερό θα αυξηθεί
4) τα μέρη θα αυξηθούν και το νερό θα μειωθεί
8. Ένα ποτήρι νερό είναι στο τραπέζι του δωματίου και ένα άλλο ποτήρι νερό της ίδιας μάζας και της ίδιας θερμοκρασίας βρίσκεται σε ένα αεροπλάνο που πετά με ταχύτητα 800 km/h. Εσωτερική ενέργεια του νερού σε ένα αεροπλάνο
1) ίση με την εσωτερική ενέργεια του νερού στο δωμάτιο
2) περισσότερη εσωτερική ενέργεια νερού στο δωμάτιο
3) λιγότερη εσωτερική ενέργεια νερού στο δωμάτιο
4) ίσο με μηδέν
9. Αφού χύνεται ζεστό νερό σε ένα φλιτζάνι που στέκεται στο τραπέζι, η εσωτερική ενέργεια
1) φλιτζάνια και νερό αυξήθηκαν
2) φλιτζάνια και νερό μειώθηκαν
3) οι κούπες μειώθηκαν και το νερό αυξήθηκε
4) τα φλιτζάνια αυξήθηκαν και το νερό μειώθηκε
10. Η θερμοκρασία του σώματος μπορεί να αυξηθεί εάν
Α. Δουλέψτε σε αυτό.
Β. Δώστε του λίγη ζεστασιά.
Σωστή απάντηση
1) μόνο Α
2) μόνο Β
3) και το Α και το Β
4) ούτε Α ούτε Β
11. Η μπάλα μολύβδου ψύχεται στο ψυγείο. Πώς αλλάζει η εσωτερική ενέργεια της μπάλας, η μάζα της και η πυκνότητα της ουσίας της μπάλας; Για κάθε φυσικό μέγεθος, προσδιορίστε την αντίστοιχη φύση της αλλαγής. Καταγράψτε τους επιλεγμένους αριθμούς για κάθε φυσική ποσότητα στον πίνακα. Οι αριθμοί στην απάντηση μπορεί να επαναληφθούν.
ΦΥΣΙΚΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑ
Α) εσωτερική ενέργεια
Β) μάζα
Β) πυκνότητα
ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ
1) αυξάνεται
2) μειώνεται
3) δεν αλλάζει
12. Ο αέρας διοχετεύεται στη φιάλη, ερμητικά κλεισμένος με πώμα. Κάποια στιγμή ο φελλός πετάει έξω από το μπουκάλι. Τι συμβαίνει με τον όγκο του αέρα, την εσωτερική του ενέργεια και τη θερμοκρασία; Για κάθε φυσικό μέγεθος, προσδιορίστε τη φύση της αλλαγής του. Σημειώστε τους επιλεγμένους αριθμούς για κάθε φυσική ποσότητα στον πίνακα. Οι αριθμοί στην απάντηση μπορεί να επαναληφθούν.
ΦΥΣΙΚΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑ
Α) όγκος
Β) εσωτερική ενέργεια
Β) θερμοκρασία
ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ
1) αυξάνεται
2) μειώνεται
3) δεν αλλάζει
Απαντήσεις
Για την επίλυση πρακτικών ζητημάτων Σημαντικός ρόλοςΔεν παίζει η ίδια η εσωτερική ενέργεια, αλλά η αλλαγή της Δ U = U 2 - U 1 . Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας υπολογίζεται με βάση τους νόμους διατήρησης της ενέργειας.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους:
1. Με την ολοκλήρωση μηχανική εργασία.
α) Εάν μια εξωτερική δύναμη προκαλεί παραμόρφωση ενός σώματος, τότε αλλάζουν οι αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται, και επομένως αλλάζει η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης των σωματιδίων. Κατά τις ανελαστικές παραμορφώσεις, επιπλέον, αλλάζει η θερμοκρασία του σώματος, δηλ. η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων αλλάζει. Όταν όμως ένα σώμα παραμορφώνεται, γίνεται δουλειά, η οποία είναι ένα μέτρο της αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας του σώματος.
β) Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μεταβάλλεται και κατά την ανελαστική σύγκρουσή του με άλλο σώμα. Όπως είδαμε νωρίτερα, κατά τη διάρκεια μιας ανελαστικής σύγκρουσης σωμάτων, η κινητική τους ενέργεια μειώνεται, μετατρέπεται σε εσωτερική ενέργεια (για παράδειγμα, εάν χτυπήσετε ένα σύρμα που βρίσκεται σε ένα αμόνι πολλές φορές με ένα σφυρί, το σύρμα θα θερμανθεί). Το μέτρο της μεταβολής της κινητικής ενέργειας ενός σώματος είναι, σύμφωνα με το θεώρημα της κινητικής ενέργειας, το έργο των ενεργών δυνάμεων. Αυτό το έργο μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως μέτρο των αλλαγών στην εσωτερική ενέργεια.
γ) Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος συμβαίνει υπό την επίδραση της δύναμης τριβής, αφού, όπως είναι γνωστό από την εμπειρία, η τριβή συνοδεύεται πάντα από μεταβολή της θερμοκρασίας των σωμάτων τριβής. Το έργο που γίνεται από τη δύναμη τριβής μπορεί να χρησιμεύσει ως μέτρο της αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας.
2. Χρησιμοποιώντας ανταλλαγή θερμότητας. Για παράδειγμα, εάν ένα σώμα τοποθετηθεί στη φλόγα ενός καυστήρα, η θερμοκρασία του θα αλλάξει, επομένως, θα αλλάξει και η εσωτερική του ενέργεια. Ωστόσο, δεν έγινε δουλειά εδώ, γιατί δεν υπήρχε ορατή κίνηση ούτε του ίδιου του σώματος ούτε των μερών του.
Μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος χωρίς να κάνει δουλειά ονομάζεται ανταλλαγή θερμότητας(μεταφορά θερμότητας).
Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και ακτινοβολία.
ΕΝΑ) Θερμική αγωγιμότηταείναι η διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ σωμάτων (ή τμημάτων ενός σώματος) κατά την άμεση επαφή τους, που προκαλείται από τη θερμική χαοτική κίνηση των σωματιδίων του σώματος. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος των κραδασμών των μορίων ενός στερεού σώματος. Η θερμική αγωγιμότητα των αερίων οφείλεται στην ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των μορίων του αερίου κατά τις συγκρούσεις τους. Στην περίπτωση των υγρών λειτουργούν και οι δύο μηχανισμοί. Η θερμική αγωγιμότητα μιας ουσίας είναι μέγιστη στη στερεά κατάσταση και ελάχιστη στην αέρια κατάσταση.
σι) Μεταγωγήαντιπροσωπεύει τη μεταφορά θερμότητας μέσω θερμαινόμενων ροών υγρού ή αερίου από ορισμένες περιοχές του όγκου που καταλαμβάνουν σε άλλες.
γ) Ανταλλαγή θερμότητας στο ακτινοβολίαπραγματοποιείται σε απόσταση μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τους τρόπους αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας.
Ποσότητα θερμότητας
Όπως είναι γνωστό, κατά τη διάρκεια διαφόρων μηχανικών διεργασιών συμβαίνει μια αλλαγή στη μηχανική ενέργεια W. Ένα μέτρο της μεταβολής της μηχανικής ενέργειας είναι το έργο των δυνάμεων που εφαρμόζονται στο σύστημα:
Κατά την ανταλλαγή θερμότητας, εμφανίζεται μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του σώματος. Ένα μέτρο της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας κατά τη μεταφορά θερμότητας είναι η ποσότητα της θερμότητας.
Ποσότητα θερμότηταςείναι ένα μέτρο της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας κατά τη μεταφορά θερμότητας.
Έτσι, τόσο το έργο όσο και η ποσότητα της θερμότητας χαρακτηρίζουν την αλλαγή της ενέργειας, αλλά δεν είναι πανομοιότυπα με την εσωτερική ενέργεια. Δεν χαρακτηρίζουν την κατάσταση του ίδιου του συστήματος (όπως κάνει η εσωτερική ενέργεια), αλλά καθορίζουν τη διαδικασία μετάβασης ενέργειας από τον έναν τύπο στον άλλο (από το ένα σώμα στο άλλο) όταν η κατάσταση αλλάζει και εξαρτώνται σημαντικά από τη φύση της διαδικασίας.
Η κύρια διαφορά μεταξύ εργασίας και θερμότητας είναι αυτή
§ έργο χαρακτηρίζει τη διαδικασία αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος, που συνοδεύεται από τη μετατροπή της ενέργειας από έναν τύπο σε άλλο (από μηχανική σε εσωτερική).
§ η ποσότητα θερμότητας χαρακτηρίζει τη διαδικασία μεταφοράς της εσωτερικής ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο (από περισσότερο θερμαινόμενο σε λιγότερο θερμαινόμενο), που δεν συνοδεύεται από μετασχηματισμούς ενέργειας.
§ Θερμοχωρητικότητα, η ποσότητα της θερμότητας που καταναλώνεται για να αλλάξει η θερμοκρασία κατά 1°C. Σύμφωνα με έναν πιο αυστηρό ορισμό, θερμοχωρητικότητα- θερμοδυναμική ποσότητα που καθορίζεται από την έκφραση:
§ όπου Δ Q- την ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στο σύστημα και προκαλεί τη μεταβολή της θερμοκρασίας του από το Delta. Λόγος πεπερασμένων διαφορών Δ QΤο /ΔΤ ονομάζεται μέσος όρος θερμοχωρητικότητα, ο λόγος των απειροελάχιστων μεγεθών δ Q/dT- αλήθεια θερμοχωρητικότητα. Από το δ Qδεν είναι μια πλήρης διαφοροποίηση της κρατικής λειτουργίας, λοιπόν θερμοχωρητικότηταεξαρτάται από τη διαδρομή μετάβασης μεταξύ δύο καταστάσεων του συστήματος. Διακρίνω θερμοχωρητικότητασύστημα στο σύνολό του (J/K), συγκεκριμένο θερμοχωρητικότητα[J/(g K)], μοριακός θερμοχωρητικότητα[J/(mol Κ)]. Όλοι οι παρακάτω τύποι χρησιμοποιούν μοριακές ποσότητες θερμοχωρητικότητα.
Ερώτηση 32:
Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους.
Η ποσότητα θερμότητας (Q) είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός σώματος που συμβαίνει ως αποτέλεσμα της μεταφοράς θερμότητας.
Η ποσότητα θερμότητας μετριέται σε μονάδες SI σε τζάουλ.
[Q] = 1J.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας δείχνει πόση θερμότητα χρειάζεται για να αλλάξει η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας μιας δεδομένης ουσίας κατά 1°C.
Μονάδα ειδική θερμοχωρητικότηταστο σύστημα SI:
[c] = 1 J/kg °C.
Ερώτηση 33:
33
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει ένα σύστημα για να αλλάξει την εσωτερική του ενέργεια και να κάνει εργασίες σε εξωτερικά σώματα. dQ=dU+dA, όπου dQ είναι η στοιχειώδης ποσότητα θερμότητας, dA είναι το στοιχειώδες έργο, dU είναι η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας. Εφαρμογή του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου στις ισοδιεργασίες
Μεταξύ των διεργασιών ισορροπίας που συμβαίνουν με τα θερμοδυναμικά συστήματα, ξεχωρίζουν τα ακόλουθα: ισοδιεργασίες, στην οποία μία από τις κύριες παραμέτρους κατάστασης παραμένει σταθερή.
Ισοχωρική διαδικασία (V=const). Διάγραμμα αυτής της διαδικασίας (ισόχωρα)σε συντεταγμένες R, Vαπεικονίζεται ως ευθεία γραμμή παράλληλη προς τον άξονα τεταγμένων (Εικ. 81), όπου η διεργασία 1-2
υπάρχει ισοχωρική θέρμανση, και 1
-3 -
ισοχωρική ψύξη. Σε μια ισοχορική διαδικασία, το αέριο δεν λειτουργεί σε εξωτερικά σώματα, 
Ισοθερμική διαδικασία (Τ=const). Όπως ήδη αναφέρθηκε στην § 41, η ισοθερμική διαδικασία περιγράφεται από το νόμο Boyle-Mariotte
, για να μην μειωθεί η θερμοκρασία κατά τη διαστολή του αερίου, πρέπει να παρέχεται στο αέριο ποσότητα θερμότητας ισοδύναμη με το εξωτερικό έργο της διαστολής κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής διεργασίας.
Ερώτηση 34:
34 Αδιαβατικόείναι μια διαδικασία στην οποία δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας ( dQ= 0) μεταξύ του συστήματος και περιβάλλον. Όλες οι γρήγορες διεργασίες μπορούν να ταξινομηθούν ως αδιαβατικές διεργασίες. Για παράδειγμα, η διαδικασία διάδοσης του ήχου σε ένα μέσο μπορεί να θεωρηθεί αδιαβατική διαδικασία, καθώς η ταχύτητα διάδοσης ενός ηχητικού κύματος είναι τόσο υψηλή που η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του κύματος και του μέσου δεν έχει χρόνο να συμβεί. Οι αδιαβατικές διεργασίες χρησιμοποιούνται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης (διαστολή και συμπίεση του εύφλεκτου μείγματος σε κυλίνδρους), σε ψυκτικές μονάδες κ.λπ.
Από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής ( dQ=ρε U+dA) για μια αδιαβατική διαδικασία προκύπτει ότι 
p /С V =γ , βρίσκουμε
Ενσωματώνοντας την εξίσωση στην περιοχή από p 1 έως p 2 και, κατά συνέπεια, από V 1 έως V 2, και δυναμώνοντας, φτάνουμε στην έκφραση
Εφόσον οι καταστάσεις 1 και 2 επιλέγονται αυθαίρετα, μπορούμε να γράψουμε