Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.
Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).
Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.
Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения. Легко ли это? Когда таким способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна «Таинственный остров», у них ничего не вышло.
«Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.
После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав:
- Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую».
Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С. А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!
Многие люди и в наше время «добывают» огонь трением - трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг. XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании - всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара. Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название «шведские спички») Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.
Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Если же тело само совершает работу (за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.
Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием. Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис. 62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д.
Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.
Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.
Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается. Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.
Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой Q и называют количеством теплоты.
Q - количество теплоты.
Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) - в джоулях.
При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.
Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1) совершение работы и 2) теплообмен. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них - на величину, равную количеству переданной теплоты Q.
Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели - путем трения или соприкосновения с горячим телом. В принципе могло быть как то, так и другое.
1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается? 5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?
Экспериментальное задание . Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения. Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?
Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:
- кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
- потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
- внутриатомная и внутриядерная энергии.
В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому
под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела .
\(~U = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac {m}{M} \cdot R \cdot T,\)
где i - степень свободы. Для одноатомного газа (например, инертные газы) i = 3, для двухатомного - i = 5.
Из этих формул видно, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и числа молекул и не зависит ни от объема, ни от давления. Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера процесса, в котором газ переходит из одного состояния в другое:
\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac{m}{M} \cdot R \cdot \Delta T ,\)
где ΔT = T 2 - T 1 .
- Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией W p , которая зависит от расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема. Таким образом, внутренняя энергия реального газа зависит от его температуры, объема и структуры молекул.
*Вывод формулы
Средняя кинетическая энергия молекулы \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac {i}{2} \cdot k \cdot T\).
Число молекул в газе \(~N = \dfrac {m}{M} \cdot N_A\).
Следовательно, внутренняя энергия идеального газа
\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac {m}{M} \cdot N_A \cdot \dfrac {i}{2} \cdot k \cdot T .\)
Учитывая, что k⋅N A = R - универсальная газовая постоянная, имеем
\(~U = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac {m}{M} \cdot R \cdot T\) - внутренняя энергия идеального газа.
Изменение внутренней энергии
Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U 2 - U 1 . Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:
- При совершении механической работы . а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела. б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии. в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.
- При помощи теплообмена . Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.
Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).
Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.
а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.
б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.
в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.
Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии.
Механическая работа
При рассмотрении термодинамических процессов механическое перемещение макротел в целом не рассматривается. Понятие работы здесь связывается с изменением объема тела, т.е. перемещением частей макротела друг относительно друга. Процесс этот приводит к изменению расстояния между частицами, а также часто к изменению скоростей их движения, следовательно, к изменению внутренней энергии тела.
Изобарный процесс
Рассмотрим вначале изобарный процесс. Пусть в цилиндре с подвижным поршнем находится газ при температуре T 1 (рис. 1).
Будем медленно нагревать газ до температуры T 2 . Газ будет изобарически расширяться, и поршень переместится из положения 1 в положение 2 на расстояние Δl . Сила давления газа при этом совершит работу над внешними телами. Так как p = const, то и сила давления F = p⋅S тоже постоянная. Поэтому работу этой силы можно рассчитать по формуле
\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)
где ΔV - изменение объема газа.
- Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работа газа равна нулю.
- Газ выполняет работу только в процессе изменения своего объема.
При расширении (ΔV > 0) газа совершается положительная работа (А > 0); при сжатии (ΔV < 0) газа совершается отрицательная работа (А < 0).
- Если рассматривать работу внешних сил A " (А " = –А ), то при расширении (ΔV > 0) газа А " < 0); при сжатии (ΔV < 0) А " > 0.
Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева для двух состояний газа:
\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)
\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)
Следовательно, при изобарном процессе
\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)
Если ν = 1 моль, то при ΔΤ = 1 К получим, что R численно равна A .
Отсюда вытекает физический смысл универсальной газовой постоянной : она численно равна работе, совершаемой 1 моль идеального газа при его изобарном нагревании на 1 К.
Не изобарный процесс
На графике p (V ) при изобарном процессе работа равна площади заштрихованного на рисунке 2, а прямоугольника.
Если процесс не изобарный (рис. 2, б), то кривую функции p = f (V ) можно представить как ломаную, состоящую из большого количества изохор и изобар. Работа на изохорных участках равна нулю, а суммарная работа на всех изобарных участках будет равна
\(~A = \lim_{\Delta V \to 0} \sum^n_{i=1} p_i \cdot \Delta V_i\), или \(~A = \int p(V) \cdot dV,\)
т.е. будет равна площади заштрихованной фигуры .
При изотермическом процессе (Т = const) работа равна площади заштрихованной фигуры, изображенной на рисунке 2, в.
Определить работу, используя последнюю формулу, можно только в том случае, если известно, как изменяется давление газа при изменении его объема, т.е. известен вид функции p = f (V ).
Таким образом, видно, что даже при одном и том же изменении объема газа работа будет зависеть от способа перехода (т.е. от процесса: изотермический, изобарный …) из начального состояния газа в конечное. Следовательно, можно сделать вывод, что
- Работа в термодинамике является функцией процесса и не является функцией состояния.
Количество теплоты
Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:
\(~\Delta W = A.\)
При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.
Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии в процессе теплообмена.
Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны внутренней энергии. Они не характеризуют само состояние системы (как это делает внутренняя энергия), а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.
Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что
- работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю);
- количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.
Нагревание (охлаждение)
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры T 1 до температуры T 2 , рассчитывается по формуле
\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)
где c - удельная теплоемкость вещества (табличная величина);
\(~c = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T}.\)
Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).
Удельная теплоемкость c численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.
Кроме удельной теплоемкости рассматривают и такую величину, как теплоемкость тела.
Теплоемкость тела C численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:
\(~C = \dfrac{Q}{\Delta T} = c \cdot m.\)
Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).
Парообразование (конденсация)
Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты
\(~Q = L \cdot m,\)
где L - удельная теплота парообразования (табличная величина). При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.
Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).
Плавление (кристаллизация)
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты
\(~Q = \lambda \cdot m,\)
где λ - удельная теплота плавления (табличная величина). При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.
Единицей удельной теплоты плавления в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).
Сгорание топлива
Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m ,
\(~Q = q \cdot m,\)
где q - удельная теплота сгорания (табличная величина).
Единицей удельной теплоты сгорания в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 129-133, 152-161.
Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.
Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура - это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.
Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.
Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы - работу совершили молоток и сила трения о доску.
Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.
Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу . В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться - его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.
Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.
Изменение внутренней энергии: теплопередача
Теплопередача - это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы . Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом .
Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Сейчас мы рассмотрим их более подробно.
Теплопроводность
Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.
Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню - от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 18) .
Рис. 18. Теплопроводность
Теплопроводность - это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела.
Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).
Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела - такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона. Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната? Происходит это вследствие другого вида теплопередачи - конвекции.
Конвекция
Конвекция - это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества.
Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух , с которым повторяется то же самое.
В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции - распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.
Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).
Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 19.
Рис. 19. Конвекция
В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.
Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать . Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет - тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.
Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.
Тепловое излучение
Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.
Здесь работает третий вид теплопередачи - тепловое излучение . Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?
Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем . В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле...
В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна - «зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой - в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет - частный случай электромагнитных волн.
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: 300000 км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.
Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет - это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше - частоты ультрафиолетового излучения.
Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называютя тепловым излучением - в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.
Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.
При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна - довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока (6000 ◦ C), что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем. Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 20) .
Рис. 20. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
Количество теплоты
Как мы знаем, одним из способов изменения внутренней энергии является теплопередача (теплообмен). Предположим, что тело участвует в теплообмене с другими телами, и при этом не совершается механическая работа - ни самим телом, ни другими телами над этим телом.
Если в процессе теплообмена внутренняя энергия тела изменилась на величину ∆U, то говорят, что тело получило соответствующее количество теплоты: Q = ∆U.
Если при этом величина ∆U отрицательна, т.е. тело отдавало энергию, то говорят также, что тело отдавало тепло . Например, вместо формально верной, но несколько нелепой фразы «тело получило −5 Дж тепла» мы скажем: «тело отдало 5 Дж тепла».
Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться.
При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается , так как увеличивается средняя скорость движения молекул.
Следовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается .
Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул .
Попытаемся выяснить, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул. Для этого проделаем следующий опыт. Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 3). Нальём в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьём верёвкой и начнём быстро двигать её то в одну сторону, то в другую. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел.
Рис. 3. Увеличение внутренней энергии тела при совершении работы над ним
Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки верёвкой.
Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, т. е. при деформации. Внутренняя энергия тела во всех приведённых примерах увеличивается.
Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу .
Если же работу совершает само тело, то его внутренняя, энергия уменьшается .
Проделаем следующий опыт.
В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней (рис. 4).
Рис. 4. Уменьшение внутренней энергии тела при совершении работы самим телом
Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счёт своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде. Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путём совершения работы .
Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления, крыши домов нагреваются лучами солнца и т. п. Во всех этих случаях повышается температура тел, а значит, увеличивается их внутренняя энергия. Но при этом работа не совершается.
Значит, изменение внутренней энергии может происходить не только в результате совершения работы .
Как можно объяснить увеличение внутренней энергии в этих случаях?
Рассмотрим следующий пример.
Опустим в стакан с горячей водой металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды при взаимодействии с частицами холодного металла будут передавать им часть своей кинетической энергии. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц металла будет увеличиваться. Температура воды уменьшится, а температура металлической спицы постепенно увеличится. Через некоторое время их температуры выравняются. Этот опыт демонстрирует изменение внутренней энергии тел.
Итак, внутреннюю энергию тел можно изменить путём теплопередачи .
Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.
Теплопередача всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел выравняются, теплопередача прекращается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.
Теплопередача, в свою очередь, может осуществляться: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением .
Вопросы
- Пользуясь рисунком 3, расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу.
- Опишите опыт, показывающий, что за счёт внутренней энергии тело может совершить работу.
- Приведите примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
- Объясните на основе молекулярного строения вещества нагревание спицы, опущенной в горячую воду.
- Что такое теплопередача?
- Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Упражнение 2
- Сила трения совершает над телом работу. Меняется ли при этом внутренняя энергия тела? По каким признакам можно судить об этом?
- При быстром спуске по канату нагреваются руки. Объясните, почему это происходит.
Задание
Положите монету на лист фанеры или деревянную доску. Прижмите монету к доске и двигайте её быстро то в одну, то в другую сторону. Заметьте, сколько раз надо передвинуть монету, чтобы она стала тёплой, горячей. Сделайте вывод о связи между выполненной работой и увеличением внутренней энергии тела.
