L'energia interna del corpo cambia in due modi. Variazione di energia interna: lavoro svolto

Energia interna il corpo non è una sorta di valore costante. Può cambiare nello stesso corpo.

All’aumentare della temperatura, l’energia interna di un corpo aumenta, man mano che aumenta velocità media movimenti molecolari.

Di conseguenza, l'energia cinetica delle molecole di questo corpo aumenta. Al diminuire della temperatura, al contrario, diminuisce l'energia interna del corpo.

Così, l'energia interna di un corpo cambia quando cambia la velocità di movimento delle molecole.

Proviamo a capire come aumentare o diminuire la velocità di movimento delle molecole. Per fare ciò, facciamo il seguente esperimento. Fissiamo un tubo di ottone a pareti sottili a un supporto (Fig. 3). Versare un po' di etere nel tubo e chiuderlo con un tappo. Quindi avvolgeremo il tubo con una corda e inizieremo a spostarlo rapidamente in una direzione, poi nell'altra. Dopo qualche tempo, l'etere bollirà e il vapore spingerà fuori la spina. L'esperienza mostra che l'energia interna dell'etere è aumentata: dopo tutto, si è riscaldata e persino bollita.

Riso. 3. Aumentare l'energia interna del corpo quando si lavora su di esso

L'aumento dell'energia interna si è verificato a seguito del lavoro svolto sfregando il tubo con una corda.

Il riscaldamento dei corpi avviene anche durante gli urti, l'estensione e la flessione, cioè durante la deformazione. L'energia interna del corpo in tutti gli esempi precedenti aumenta.

Quindi, L'energia interna di un corpo può essere aumentata facendo lavoro sul corpo.

Se è il corpo stesso a fare il lavoro, allora lo fa l’energia interna diminuisce.

Facciamo il seguente esperimento.

Pompiamo aria in un recipiente di vetro a pareti spesse, chiuso con un tappo, attraverso un foro speciale al suo interno (Fig. 4).

Riso. 4. Diminuzione dell'energia interna del corpo quando il lavoro viene eseguito dal corpo stesso

Dopo un po' il tappo uscirà dal recipiente. Nel momento in cui il tappo esce dal contenitore si forma la nebbia. Il suo aspetto significa che l'aria nella nave è diventata più fredda. L'aria compressa nel recipiente, spingendo fuori la spina, funziona. Fa questo lavoro a scapito della sua energia interna, che diminuisce. La diminuzione dell'energia interna può essere giudicata dal raffreddamento dell'aria nella nave. COSÌ, L'energia interna di un corpo può essere modificata svolgendo un lavoro.

L'energia interna del corpo può essere cambiata in un altro modo, senza fare lavoro. Ad esempio, l'acqua bolle in un bollitore posto sul fornello. L'aria e i vari oggetti presenti nella stanza vengono riscaldati dal radiatore del riscaldamento centralizzato, i tetti delle case vengono riscaldati dai raggi del sole, ecc. In tutti questi casi, la temperatura dei corpi aumenta, il che significa che aumenta la loro energia interna. Ma il lavoro non è finito.

Significa, un cambiamento nell'energia interna può verificarsi non solo come risultato del lavoro svolto.

Come si spiega l’aumento dell’energia interna in questi casi?

Considera il seguente esempio.

Mettilo in un bicchiere con acqua calda ferro da maglia in metallo. Energia cinetica molecole acqua calda maggiore energia cinetica delle particelle metalliche fredde. Le molecole di acqua calda, quando interagiscono con le particelle metalliche fredde, trasferiscono loro parte della loro energia cinetica. Di conseguenza, l'energia delle molecole d'acqua diminuirà in media e l'energia delle particelle metalliche aumenterà. La temperatura dell'acqua diminuirà e la temperatura del raggio metallico aumenterà gradualmente. Dopo un po' di tempo, la loro temperatura si equalizzerà. Questa esperienza dimostra un cambiamento nell'energia interna dei corpi.

COSÌ, L'energia interna dei corpi può essere modificata dallo scambio di calore.

Il processo di cambiamento dell’energia interna senza fare lavoro sul corpo o sul corpo stesso è chiamato trasferimento di calore.

Il trasferimento di calore avviene sempre in una certa direzione: da corpi con più alta temperatura a corpi con un inferiore

Quando la temperatura corporea si stabilizza, il trasferimento di calore si interrompe.

L'energia interna di un corpo può essere modificata in due modi: eseguendo lavoro meccanico o mediante trasferimento di calore.

Il trasferimento di calore, a sua volta, può essere effettuato: 1) conduttività termica; 2) convezione; 3) radiazione.

Domande

1. Utilizzando la Figura 3, spiega come cambia l'energia interna di un corpo quando viene svolto del lavoro su di esso.
2. Descrivi un esperimento che dimostra che un corpo può compiere lavoro utilizzando l'energia interna.
3. Fornire esempi di variazioni dell'energia interna di un corpo dovute allo scambio di calore.
4. Spiega, in base alla struttura molecolare della sostanza, il riscaldamento di un ferro da calza immerso in acqua calda.
5. Cos'è il trasferimento di calore?
6. Quali sono due modi per cambiare l’energia interna del corpo?

Esercizio 2

1. La forza di attrito funziona sul corpo. L’energia interna del corpo cambia? Da quali segni possiamo giudicarlo?
2. Quando ti scendi velocemente in corda doppia, le tue mani si surriscaldano. Spiega perché ciò accade.

Esercizio

Posiziona la moneta su un pezzo di compensato o una tavola di legno. Premi la moneta sul tabellone e muovila rapidamente in una direzione o nell'altra. Nota quante volte devi spostare la moneta per renderla calda, calda. Trarre una conclusione sulla connessione tra il lavoro svolto e l'aumento dell'energia interna del corpo.

Per soluzioni questioni pratiche Non è l'energia interna in sé a svolgere un ruolo significativo, ma il suo cambiamento Δ U = U 2 - U 1 . La variazione dell'energia interna viene calcolata in base alle leggi di conservazione dell'energia.

L’energia interna di un corpo può cambiare in due modi:

1. Al termine lavoro meccanico.

a) Se una forza esterna provoca la deformazione di un corpo, allora cambiano le distanze tra le particelle che lo compongono, e quindi cambia l'energia potenziale di interazione delle particelle. Durante le deformazioni anelastiche, inoltre, la temperatura corporea cambia, ad es. l'energia cinetica del movimento termico delle particelle cambia. Ma quando un corpo si deforma, viene compiuto lavoro, che è una misura del cambiamento nell'energia interna del corpo.

b) L'energia interna di un corpo cambia anche durante l'urto anelastico con un altro corpo. Come abbiamo visto prima, durante una collisione anelastica di corpi, la loro energia cinetica diminuisce, si trasforma in energia interna (ad esempio, se colpisci più volte con un martello un filo che giace su un'incudine, il filo si riscalderà). La misura della variazione dell'energia cinetica di un corpo è, secondo il teorema dell'energia cinetica, il lavoro forze attive. Questo lavoro può anche servire come misura dei cambiamenti nell’energia interna.

c) Un cambiamento nell'energia interna di un corpo avviene sotto l'influenza della forza di attrito, poiché, come è noto per esperienza, l'attrito è sempre accompagnato da un cambiamento nella temperatura dei corpi che sfregano. Il lavoro svolto dalla forza di attrito può servire come misura della variazione di energia interna.

2. Utilizzo scambio di calore. Ad esempio, se un corpo viene posto nella fiamma di un bruciatore, la sua temperatura cambierà, quindi cambierà anche la sua energia interna. Tuttavia qui non è stato svolto alcun lavoro, perché non vi era alcun movimento visibile né del corpo stesso né delle sue parti.

Viene chiamata una variazione dell'energia interna di un sistema senza compiere lavoro scambio di calore(trasferimento di calore).

Esistono tre tipi di trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento.

UN) Conduttività termicaè il processo di scambio termico tra corpi (o parti di un corpo) durante il loro contatto diretto, causato dal movimento termico caotico delle particelle corporee. Ampiezza della vibrazione molecolare solido tanto più, tanto più alta è la sua temperatura. La conduttività termica dei gas è dovuta allo scambio di energia tra le molecole di gas durante le loro collisioni. Nel caso dei liquidi funzionano entrambi i meccanismi. La conducibilità termica di una sostanza è massima allo stato solido e minima allo stato gassoso.

B) Convezione rappresenta il trasferimento di calore mediante flussi riscaldati di liquido o gas da alcune aree del volume che occupano ad altre.

c) Scambio termico a radiazione effettuata a distanza tramite onde elettromagnetiche.

Consideriamo più in dettaglio le modalità di cambiamento dell'energia interna.

Quantità di calore

Come è noto, in modo diverso processi meccanici variazioni di energia meccanica W. Una misura della variazione di energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:

Durante lo scambio di calore si verifica un cambiamento nell'energia interna del corpo. Una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.

Quantità di caloreè una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore.

Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano la variazione di energia, ma non sono identici all'energia interna. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso (come fa l'energia interna), ma determinano il processo di transizione energetica da un tipo all'altro (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono in modo significativo dalla natura del processo.

La differenza principale tra lavoro e calore è questa

§ il lavoro caratterizza il processo di modifica dell'energia interna di un sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanica a interna);

§ la quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.

§ Capacità termica, la quantità di calore consumata per variare la temperatura di 1°C. Secondo una definizione più rigorosa, capacità termica- grandezza termodinamica determinata dall'espressione:

§ dove Δ Q- la quantità di calore impartita al sistema e che ne provoca la variazione di temperatura mediante Delta; T. Rapporto alle differenze finite Δ Q/ΔТ è chiamato media capacità termica, il rapporto tra quantità infinitesime d Q/dT- VERO capacità termica. Dal d Q non è quindi un differenziale completo della funzione di stato capacità termica dipende dal percorso di transizione tra due stati del sistema. Distinguere capacità termica sistema nel suo insieme (J/K), specifico capacità termica[J/(g K)], molare capacità termica[J/(mol K)]. Tutte le formule seguenti utilizzano quantità molari capacità termica.

Domanda 32:

L’energia interna può essere modificata in due modi.

La quantità di calore (Q) è la variazione dell'energia interna di un corpo che si verifica a seguito del trasferimento di calore.

La quantità di calore viene misurata in unità SI in joule.
[Q] = 1J.

La capacità termica specifica di una sostanza indica la quantità di calore necessaria per modificare di 1°C la temperatura di un'unità di massa di una determinata sostanza.
Unità SI di capacità termica specifica:
[c] = 1 J/kg°C.

Domanda 33:

33 La prima legge della termodinamica è la quantità di calore ricevuta da un sistema che va a modificare la sua energia interna e a compiere lavoro corpi esterni. dQ=dU+dA, dove dQ è la quantità elementare di calore, dA è il lavoro elementare, dU è l'incremento di energia interna. Applicazione del primo principio della termodinamica agli isoprocessi
Tra i processi di equilibrio che si verificano con i sistemi termodinamici, spiccano i seguenti: isoprocessi, in cui uno dei principali parametri di stato rimane costante.
Processo isocoro (V=cost). Diagramma di questo processo (isocora) nelle coordinate R, Vè raffigurato come una linea retta parallela all'asse delle ordinate (Fig. 81), dove il processo 1-2 c'è riscaldamento isocoro e 1 -3 - raffreddamento isocoro. In una trasformazione isocora il gas non compie lavoro sui corpi esterni, Processo isotermico (T=cost). Come già indicato nel § 41, il processo isotermo è descritto dalla legge Boyle-Mariotte
, affinché la temperatura non diminuisca durante l'espansione del gas, è necessario fornire al gas una quantità di calore equivalente al lavoro esterno di espansione durante una trasformazione isoterma.

Domanda 34:

34 Adiabaticoè un processo in cui non avviene alcuno scambio termico ( dQ= 0)tra il sistema e ambiente. Tutti i processi veloci possono essere classificati come processi adiabatici. Ad esempio, il processo di propagazione del suono in un mezzo può essere considerato un processo adiabatico, poiché la velocità di propagazione di un'onda sonora è così elevata che lo scambio di energia tra l'onda e il mezzo non ha il tempo di avvenire. I processi adiabatici vengono utilizzati nei motori a combustione interna (espansione e compressione della miscela combustibile in cilindri), nelle unità di refrigerazione, ecc.
Dal primo principio della termodinamica ( dQ= D U+dA) per una trasformazione adiabatica ne consegue che
p /С V =γ , troviamo

Integrando l'equazione nell'intervallo da p 1 a p 2 e, di conseguenza, da V 1 a V 2, e potenziando, si arriva all'espressione

Poiché gli stati 1 e 2 sono scelti arbitrariamente, possiamo scrivere

Pertanto, modificando la temperatura del corpo, cambiamo la sua energia interna. Quando un corpo si riscalda, la sua energia interna aumenta, mentre quando si raffredda diminuisce.

Facciamo un esperimento. Fissiamo un tubo di ottone a pareti sottili al supporto. Versaci dentro un po' di etere e chiudilo bene con un tappo. Ora avvolgiamo una corda attorno al tubo e iniziamo a strofinare il tubo con essa, tirandolo rapidamente nella corda in una direzione o nell'altra. Dopo un po ', l'energia interna del tubo con l'etere aumenterà così tanto che l'etere bollirà e il vapore risultante spingerà fuori il tappo (Fig. 60).

Questa esperienza lo dimostra L'energia interna di un corpo può essere modificata eseguendo un lavoro sul corpo, in particolare mediante attrito.

Modificando l'energia interna di un pezzo di legno attraverso l'attrito, i nostri antenati producevano il fuoco. La temperatura di accensione del legno è di 250 °C. Pertanto, per ottenere il fuoco, è necessario strofinare un pezzo di legno contro un altro finché la loro temperatura non raggiunge questo valore. È facile? Quando gli eroi del romanzo di Jules Verne “L’isola misteriosa” tentarono di accendere il fuoco in questo modo, non ci riuscirono.

"Se l'energia spesa da Nab e Pencroff potesse essere convertita in calore, probabilmente sarebbe sufficiente a riscaldare la caldaia di un piroscafo oceanico. Ma il risultato dei loro sforzi fu zero. I pezzi di legno, tuttavia, si riscaldarono, ma molto meno degli stessi partecipanti a questa operazione.

Dopo un'ora di lavoro Pencroff era madido di sudore e gettò via i pezzi di legno con irritazione, dicendo:
- Non dirmi che i selvaggi fanno il fuoco in questo modo! Preferisco crederlo in estate nevicando. Probabilmente è più facile illuminarsi i palmi delle mani strofinandoli insieme.

La ragione del loro fallimento era che il fuoco doveva essere prodotto non semplicemente sfregando un pezzo di legno contro un altro, ma forando una tavola con un bastone affilato (Fig. 61). Quindi, con un po' di abilità, puoi aumentare la temperatura nell'attacco della bacchetta di 20 °C in 1 secondo. E per portare il bastoncino alla combustione ci vorranno solo 250/20 = 12,5 secondi!

Molte persone nel nostro tempo "accendono" il fuoco per attrito, sfregando i fiammiferi scatola di fiammiferi. Quanto tempo fa sono apparse le partite? La produzione dei primi fiammiferi (al fosforo) iniziò negli anni '30. XIX secolo Il fosforo si accende a fuoco abbastanza basso, solo fino a 60 ° C. Pertanto, per accendere un fiammifero al fosforo, era sufficiente accenderlo praticamente su qualsiasi superficie (dal muro più vicino alla parte superiore di uno stivale). Questi fiammiferi erano però molto pericolosi: erano velenosi e, a causa della loro facile combustione, spesso provocavano incendi. I fiammiferi di sicurezza (che usiamo ancora oggi) furono inventati nel 1855 in Svezia (da qui il loro nome "fiammiferi svedesi"). Il fosforo in questi fiammiferi viene sostituito da altre sostanze infiammabili.

Quindi, per attrito puoi aumentare la temperatura di una sostanza. Fare lavoro sul corpo(ad esempio, colpire un pezzo di piombo con un martello, piegare e distendere un filo, spostare un oggetto sulla superficie di un altro, o comprimere con un pistone un gas contenuto in un cilindro), aumentiamo la sua energia interna. Se il corpo stesso fa il lavoro" (a causa della sua energia interna), quindi l'energia interna del corpo diminuisce e il corpo si raffredda.

Osserviamolo sperimentalmente. Prendi un recipiente di vetro a pareti spesse e chiudilo ermeticamente con un tappo di gomma con un foro. Attraverso questo foro, utilizzando una pompa, inizieremo a pompare aria nel vaso. Dopo un po ', il tappo volerà rumorosamente fuori dalla nave e nella nave stessa apparirà la nebbia (Fig. 62). La comparsa della nebbia significa che l'aria nella nave è diventata più fredda e, quindi, la sua energia interna è diminuita. Ciò si spiega con il fatto che l'aria compressa nel recipiente, spingendo fuori il tappo, ha funzionato riducendo la sua energia interna. Pertanto, la temperatura dell'aria è scesa.

L'energia interna del corpo può essere cambiata senza fare lavoro. Ad esempio, può essere aumentato riscaldando un bollitore con acqua sul fornello o abbassando un cucchiaio in un bicchiere di tè caldo. Si riscalda il camino in cui è acceso il fuoco, il tetto della casa illuminato dal sole, ecc.. Un aumento della temperatura dei corpi in tutti questi casi significa un aumento della loro energia interna, ma questo aumento avviene senza compiere lavoro .

Viene chiamato un cambiamento nell'energia interna di un corpo senza compiere lavoro scambio di calore. Lo scambio di calore avviene tra corpi (o parti dello stesso corpo) che hanno temperature diverse.

Come avviene, ad esempio, il trasferimento di calore quando un cucchiaio freddo entra in contatto con l'acqua calda? Innanzitutto, la velocità media e l’energia cinetica delle molecole di acqua calda supera la velocità media e l’energia cinetica delle particelle del metallo di cui è fatto il cucchiaio. Ma nei luoghi in cui il cucchiaio entra in contatto con l'acqua, le molecole di acqua calda iniziano a trasferire parte della loro energia cinetica alle particelle del cucchiaio e queste iniziano a muoversi più velocemente. L'energia cinetica delle molecole d'acqua diminuisce e l'energia cinetica delle particelle del cucchiaio aumenta. Insieme all'energia cambia anche la temperatura: l'acqua si raffredda gradualmente e il cucchiaio si riscalda. La loro temperatura cambia fino a diventare la stessa sia nell'acqua che nel cucchiaio.

Parte dell'energia interna trasferita da un corpo all'altro durante lo scambio termico è contrassegnata da una lettera e chiamata quantità di calore.
Q è la quantità di calore.

La quantità di calore non deve essere confusa con la temperatura. La temperatura viene misurata in gradi e la quantità di calore (come qualsiasi altra energia) viene misurata in joule.

Quando i corpi entrano in contatto temperature diverse un corpo più caldo emette calore e un corpo più freddo lo riceve.

Quindi, ci sono due modi per cambiare l’energia interna: 1) Facendo un lavoro e 2) scambio di calore. Quando si implementa il primo di questi metodi, l'energia interna del corpo cambia in quantità lavoro perfetto A, e quando si implementa il secondo, in base all'importo pari all'importo calore trasferito Q

È interessante notare che entrambi i metodi considerati possono portare esattamente agli stessi risultati. Pertanto, è impossibile determinare con quale di questi metodi sia stato raggiunto il risultato finale. Pertanto, prendendo un ferro da calza in acciaio riscaldato da un tavolo, non saremo in grado di dire come è stato riscaldato: per attrito o contatto con un corpo caldo. In linea di principio, potrebbe essere l'uno o l'altro.

1. Nomina due modi per cambiare l'energia interna del corpo. 2. Fornisci esempi di come aumentare l'energia interna di un corpo eseguendo lavori su di esso. 3. Fornire esempi di aumento e diminuzione dell'energia interna di un corpo a seguito dello scambio di calore. 4. Qual è la quantità di calore? Come viene designato? 5. In quali unità viene misurata la quantità di calore? 6. In quali modi puoi accendere il fuoco? 7. Quando è iniziata la produzione dei fiammiferi?

Premi una moneta o un pezzo di pellicola su un cartone o un pezzo di legno. Dopo aver fatto prima 10, poi 20, ecc. movimenti in un senso o nell'altro, osservate cosa accade alla temperatura dei corpi durante l'attrito. In che modo la variazione dell'energia interna di un corpo dipende dalla quantità di lavoro svolto?

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