Конспект уроку: Внутрішня енергія та способи її зміни

Внутрішня енергія

Розглядаючи теплові стани тіл, ми дізналися, що вони залежить від теплового руху їх мікрочастинок. Чим більша швидкість теплового (хаотичного) руху молекул, атомів та електронів, тим більшою буде їх середня кінетична енергія, і тим вищою буде температура тіла. З іншого боку, чим вища температура тіла, тим більша середня кінетична енергія його мікрочастинок. Крім кінетичної енергії хаотичного руху мікрочастинки будь-якого тіла характеризуються енергією постійних взаємодій між собою. У твердих тілах атоми та молекули у вузлах кристалічних решіток постійно взаємодіють між собою, що спричиняє їх коливання відносно стабільних положень. Подібна картина спостерігається і в рідинах. У газах відбуваються постійні короткочасні зіткнення мікрочастинок.

Енергію, яка залежить від взаємного розміщення атомів та молекул, називають потенціальною енергією взаємодії мікрочастинок.

Виявляється, що при змінах теплового стану тіла змінюється не лише кінетична енергія хаотичного руху атомів та молекул, а й потенціальна енергія їх взаємодії.

Піднімемо свинцеву кулю на деяку висоту над свинцевою пластиною, що лежить на землі. По відношенню до земної поверхні куля набула потенціальної енергії. Відпустимо кулю, щоб вона почала вільно падати. Потенціальна енергія піднятої кулі буде перетворюватися у кінетичну енергію її руху, до того часу, коли куля вдариться об свинцеву пластину. У момент удару куля зупиниться і залишиться на пластині. Хоча куля й зупинилася, її кінетична енергія не зникла. Якщо уважно дослідити кулю та пластину після удару, то можна помітити, що вони трохи деформувалися у місцях зіткнення і при цьому дещо нагрілися. Згідно закону збереження енергії кінетична енергія руху кулі перейшла в кінетичну енергію хаотичного руху мікрочастинок кулі та пластини (збільшення температури вказує на зростання швидкості хаотичного руху, а отже й кінетичної енергії мікрочастинок) та потенціальну енергію взаємодії мікрочастинок (внаслідок деформації змінилося взаємне розміщення молекул свинцю, тобто потенціальна енергія їх взаємодії). Говорять, що енергія руху кулі перейшла у внутрішню енергію кулі та пластини.

Внутрішня енергія тіла є сумою кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії всіх його мікрочастинок.

Внутрішня енергія тіла, як і інші види енергії, вимірюється в джоулях (Дж) і позначається латинською літерою U.

Внутрішня енергія тіла не залежить від його механічного руху та положення відносно інших тіл. Вона залежить лише від процесів, які відбуваються всередині тіла і визначається його внутрішнім станом.

Всередині тіла між його мікрочастинками відбувається постійний обмін енергією. Кінетична енергія хаотичного руху під час зіткнень перетворюється в потенціальну енергію їх взаємодії. Якщо виключити зовнішні впливи на тіло, то його внутрішня енергія залишатиметься сталою.

Якої енергії мікрочастинок, кінетичної чи потенціальної, більше у складі внутрішньої енергії тіла? Оскільки внутрішня енергія визначається внутрішнім станом тіла, то саме стан, зокрема агрегатний, визначає і співвідношення її складових.

У твердих тілах швидкість атомів або молекул у вузлах кристалічної решітки, а отже і кінетична енергія мікрочастинок, незначна (вони лише коливаються навколо стабільних положень).

Потенціальна енергія взаємодії мікрочастинок твердого тіла значно перевищує кінетичну енергію їх хаотичного руху.

Кінетична енергія теплового руху молекул рідини та потенціальна енергія їх взаємодії приблизно рівні.

У газах молекули вільно рухаються у всіх напрямках і між зіткненнями майже не взаємодіють.

Кінетична енергія хаотичного руху молекул газу значно перевищує потенціальну енергію їх взаємодії.

Внутрішня енергія тіла змінюється під час теплових процесів - процесів, пов’язаних із змінами температури та агрегатних станів. Зміни внутрішньої енергії відбуваються на рівні зміни інтенсивності хаотичного руху та взаємодії молекул речовини. Оскільки тіла постійно беруть участь у теплових процесах, то важливе значення має саме зміна їх внутрішньої енергії, яку позначать ∆U.

Зміни внутрішньої енергії тіл пов’язані зі змінами кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії мікрочастинок, з яких воно складається.

Розглядаючи внутрішню енергію тіла, ми вели мову про кінетичну енергію хаотичного руху та потенціальну енергію взаємодії його мікрочастинок, маючи на увазі окремі молекули, атоми та електрони. Проте молекули, в свою чергу, складаються з атомів, а атоми з електронів та ядер, ядра з протонів та нейтронів. Тому до внутрішньої енергії належать кінетична і потенціальна енергія взаємодії атомів у складі молекул та енергія взаємодії електронів з ядрами (хімічна енергія, яка змінюється під час хімічних реакцій). А також сума кінетичної і потенціальної енергій внутрішніх частинок ядра - нейтронів та протонів (ядерна енергія, яка виділяється під час ядерних перетворень).

Повна внутрішня енергія тіла складається з суми кінетичної та потенціальної енергії всіх його мікрочастинок.

Способи зміни внутрішньої енергії тіла

З курсу стародавньої історії нам відомо, що давні люди, не маючи сірників та запальнички, вміли добувати вогонь, який мав для них неабияке значення (біля вогню люди зігрівалися, смажили дичину, захищалися від хижаків). Яким чином добували вогонь в ті часи? Проведемо дослід, що в загальних рисах відтворює процес добування вогню.

Обертаючи паличку, ми виконуємо механічну роботу. Нагрівання деревини та поява вогню свідчить про збільшення температури тіл, які ми розглядаємо. Таким чином, виконуючи механічну роботу над тілом, можна змінити його температуру.

Іншим прикладом зміни теплового стану внаслідок виконання механічної роботи є дослід з латунною трубкою, наповненою ефіром та щільно закоркованою. Як і в попередньому прикладі, внаслідок нагрівання тертям було збільшено температуру ефіру.

Оскільки виконання механічної роботи спричиняє зміну температури тіла, яка, в свою чергу, безпосередньо пов’язана зі зміною його внутрішньої енергії, можна дійти висновку, що внутрішню енергію тіла можна змінити за рахунок виконання механічної роботи. Кінетична енергія руху палички та мотузки переходить у внутрішню енергію деревини та ефіру.

Змінити внутрішню енергію тіла можна за рахунок виконання механічної роботи: ∆U = A.

З іншого боку, за рахунок зміни внутрішньої енергії тіла може виконуватися робота. Якщо повільно нагнітати повітря насосом у товстостінну, щільно закорковану, скляну посудину з кількома крапельками води всередині, то через деякий час корок вилетить, а в посудині утвориться туман. Це означає, що повітря у посудині стало холоднішим і, отже, його внутрішня енергія зменшилася.

На що ж вона була витрачена? Перш за все, на надання кінетичної енергії пробці, що вилетіла, а також на виконання роботи сили тертя пробки об скло горловини посудини. Тобто, за рахунок зменшення внутрішньої енергії повітря виконується механічна робота і здійснюється перехід внутрішньої енергії в механічну.

Механічна робота є мірою зміни внутрішньої енергії тіла.

Для того, щоб змінити температуру тіла, а отже і його внутрішню енергію, не обов’язково виконувати роботу.

Якщо взяти в руки склянку з холодною водою і потримати її деякий час, щільно охопивши долонями, вода нагріється до температури долонь. Продукти з морозильної камери холодильника перед використанням опускають у воду кімнатної температури. Поступово продукти розморожуються (нагріваються), а температура води зменшується. Як у першому, так і в другому прикладі, температури двох тіл, що перебувають у контакті, вирівнюються, тобто, встановлюється термодинамічна, або теплова рівновага. Більш нагріте тіло передає частину теплоти, а отже й внутрішньої енергії, менш нагрітому тілу.

Теплообмін - це процес обміну внутрішньою енергією між тілами, що дотикаються, їх частинами та оточуючим середовищем без виконання роботи.

Кількісною характеристикою теплообміну є кількість теплоти (Q) - енергія, передана тілом у процесі теплообміну.

Кількість теплоти є мірою зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну.

Якщо в процесі теплообміну тіло віддає або отримує певну кількість теплоти, це означає, що його внутрішня енергія, відповідно, або зменшується або збільшується.

Кількість теплоти, переданої або отриманої тілом в процесі теплообміну, дорівнює зміні його внутрішньої енергії:

Q = ∆U.

Кількість теплоти, так само, як і робота та енергія, вимірюється в джоулях (Дж).

Особливістю кількості теплоти є те, що вона є кількісно характеристикою саме теплових процесів. Тепловий стан того чи іншого тіла за відсутності теплообміну характеризується внутрішньою енергією.

Таким чином, змінити внутрішню енергію можна шляхом виконання механічної роботи або теплообміну.

Будь-які зміни внутрішньої енергії тіла пов’язані з виконанням механічної роботи або теплообміном. Цікаво, що є теплові процеси, під час яких відбувається зміна внутрішньої енергії двома способами одночасно. Якщо скляну колбу з трубкою заповнити водою і нагрівати спиртівкою, то після закипання води пара обертатиме модель турбіни.

Між полум’ям спиртівки та колбою з водою відбувається теплообмін, внаслідок якого внутрішня енергія води зростає і вона закипає. Пара виконує роботу за рахунок своєї внутрішньої енергії і турбіна обертається. Таким чином, у даному випадку одночасно відбувається теплообмін та виконується механічна робота. Далі ми побачимо, наскільки важливими є такі теплові процеси, і як вони використовуються в техніці.

Перевірка знань:

1. Виберіть характеристики тіла, від яких залежить його внутрішня енергія:

a) Швидкість руху тіла

b) Кінетичної енергія тіла

c) Висота тіла над земною поверхнею

d) Енергія теплового руху та взаємодії мікрочастинок тіла

2. Вкажіть співвідношення складових внутрішньої енергії рідини:

a) Визначається головним чином кінетичною енергією теплового руху молекул

b) Дорівнює потенціальній енергії взаємодії молекул

c) Складається з приблизно рівних часток кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії молекул

d) Дорівнює нулю

3. Виберіть теплові процеси, у яких внутрішня енергія змінюється за рахунок виконання механічної роботи:

a) Нагрівання повітря в кімнаті від батареї парового опалення

b) Нагрівання рук взимку внаслідок їх тертя одна об одну

c) Нагрівання пробірки з водою на спиртівці

d) Охолодження повітря в скляній посудині в момент вильоту корка

4. Дайте відповідь на питання: як зміниться внутрішня енергія тіла, якщо його температура зменшиться?

a) Залишиться сталою

b) Зменшиться

c) Збільшиться

d) Перейде в енергію теплового руху молекул

5. Вкажіть, яка із перелічених характеристик теплового стану змінюється під час теплообміну?

a) Кінетична енергія тіл в цілому

b) Внутрішня енергія тіл

c) Енергія теплового руху мікрочастинок тіл

d) Температура тіл