Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 7 Внутрішня енергія

Ви дізнаєтесь

- Що таке внутрішня енергія

- Як можна змінювати внутрішню енергію речовини

Пригадайте

- Що таке енергія

- Які види енергії ви знаєте

Внутрішня енергія. До цього часу ми вживали терміни «тепло», «теплота», «теплообмін». Прийшов час з’ясувати їх фізичний зміст.

Як ви вже знаєте, атоми та молекули не лише хаотично рухаються, а й взаємодіють між собою. У газах — це короткочасні зіткнення. У рідинах і твердих тілах — постійна взаємодія. Атоми, молекули або йони у твердих тілах коливаються біля відносно сталих положень, а у випадку рідин — ще можуть і переміщуватись на невеликі відстані. Рух молекул характеризується середньою кінетичною енергією, а їхня взаємодія — середньою потенціальною енергією, що разом складають енергію, яку називають внутрішньою.

Внутрішня енергія — це енергія руху і взаємодії частинок, з яких складається речовина.

Одиницею внутрішньої енергії, як і механічної, є джоуль.

Внутрішня енергія речовини залежить від її агрегатного стану. Наприклад, у газах молекули вільно переміщуються по всьому об’єму, який вони займають, і між зіткненнями практично не взаємодіють. Тому їхня внутрішня енергія визначається лише середньою кінетичною енергією руху молекул, оскільки вона набагато більша, ніж потенціальна енергія взаємодії молекул.

У рідин кінетична енергія теплового руху атомів і молекул та потенціальна енергія взаємодії приблизно однакові, що пояснюється недостатньо сильною взаємодією та рухливістю молекул.

У твердому тілі мікрочастинки взаємодіють між собою набагато сильніше. Завдяки цьому тверде тіло як завгодно довго може зберігати свою форму. Атоми, молекули або йони твердого тіла лише коливаються відносно своїх сталих положень і практично не переміщуються в його об’ємі. У твердих тілах потенціальна енергія взаємодії мікрочастинок набагато більша, ніж кінетична енергія їхнього руху.

Чи може внутрішня енергія дорівнювати нулю? Тепловий рух молекул не припиняється ніколи, навіть за дуже низьких температур (близьких до абсолютного нуля). Отже, тіло завжди має внутрішню енергію, яку можна збільшувати або зменшувати.

Яких значень може набувати внутрішня енергія тіла? Розглянемо такий випадок. За температури 20 °С і нормального атмосферного тиску молекули кисню рухаються із середньою швидкістю 478 м/с. Маса однієї молекули 5,3 ∙ 10-26 кг. Відповідно кінетична енергія руху молекули:

В 1 м3 за цих умов міститься 2,7 ∙ 1025 молекул. Тоді середня кінетична енергія руху цих молекул Е ≈ 160 кДж. Це значення є досить велике. Порівняйте (мал. 23): тіло масою 1000 кг, підняте на висоту 10 м, має потенціальну енергію 100 кДж.

Мал. 23. Порівняння значень енергій

Два способи зміни внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія — це змінна величина. Оскільки внутрішня енергія речовини визначається кінетичною та потенціальною енергіями частинок цієї речовини, то, змінюючи швидкість руху частинок або відстані між ними, можна змінити й внутрішню енергію речовини. Як це зробити?

Проведемо дослід (мал. 24). Закріпимо у штативі металеву пробірку, закриту корком. Будемо нагрівати її на вогні. Нагріваючись, повітря в трубці розширюється, збільшується кінетична енергія руху молекул, а отже — і його внутрішня енергія. Внутрішня енергія зростає настільки, що повітря, розширюючись, виштовхує корок.

Відомо, що чайник з водою, який стоїть на вогні, металева ложка, опущена в склянку з гарячою водою, пісок під сонячним промінням нагріваються. В усіх цих випадках спостерігається підвищення температури тіл, а отже — і збільшення їхньої внутрішньої енергії завдяки передаванню теплоти від одних тіл іншим. Цей спосіб зміни внутрішньої енергії тіла називається теплообміном.

Мал. 24. Збільшення внутрішньої енергії повітря

Теплообмін — це процес обміну внутрішньою енергією між тілами без виконання механічної роботи.

Внутрішню енергію тіла можна змінити і в інший спосіб. Проведемо дослід (мал. 25, с. 36). Закріпимо на підставці тонкостінну латунну трубку. Наллємо в неї незначну кількість ефіру й закриємо трубку корком. Почнемо інтенсивно натирати трубку. Через деякий час внутрішня енергія трубки з ефіром збільшиться настільки, що він закипить й утворені пари ефіру збільшаться в об'ємі й виштовхнуть корок.

Мал. 25. Дослід із збільшення внутрішньої енергії за рахунок виконання механічної роботи

Мал. 26. Дослід із зменшення внутрішньої енергії повітря за рахунок виконання ним роботи

При згинанні та розгинанні дроту нагрівається місце згину. Щоб зігріти руки взимку, треба енергійно потерти долоні, і ми відчуємо тепло. В усіх цих випадках внутрішня енергія тіла збільшувалася завдяки виконанню механічної роботи.

Отже, виконана механічна робота витрачається на збільшення внутрішньої енергії тіла.

Якщо ж роботу виконує саме тіло, то його внутрішня енергія зменшується. Наприклад, у товстостінний скляний балон, на дні якого є невелика кількість води, будемо повільно за допомогою насоса накачувати повітря доти, доки не вилетить корок (мал. 26). У момент вильоту корку в балоні утворився туман. Це свідчить про те, що температура повітря знизилась. Таким чином, внутрішня енергія повітря зменшилась у результаті того, що виштовхуючи корок, воно виконало роботу.

Наведені приклади дають змогу переконатися в універсальності закону збереження енергії: енергія не зникає й не виникає з нічого, вона перетворюється з одного виду в інший.

Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: завдяки виконанню роботи або завдяки теплообміну. Ту частину внутрішньої енергії, що передається внаслідок цих процесів, називають теплотою (теплом).

Підбиваємо підсумки

- Внутрішня енергія — це енергія руху і взаємодії частинок, з яких складається речовина.

- Одиницею внутрішньої енергії є джоуль (Дж).

- Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: завдяки виконанню роботи або завдяки теплообміну.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що таке внутрішня енергія тіла? Як внутрішня енергія тіла пов’язана з температурою?

2. Як можна змінити внутрішню енергію?

3. Як впливають зміни температури на внутрішню енергію тіла?

4. Наведіть приклади процесів, що приводять до зміни внутрішньої енергії тіла.

ПОЯСНІТЬ

1. Чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не змінюючи його температуру?

2. Опишіть процеси, зображені на малюнку 27, а, б. У колбі міститься повітря. Як пов’язані між собою тиск повітря та зміна його внутрішньої енергії?

Мал. 27 Дослід із натирання колби з повітрям

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Спробуйте перевірити, як нагрівається металевий дріт, якщо його кілька разів зігнути й розігнути.

2. Чи можна зробити так, щоб внутрішня енергія тіла, над яким виконують роботу, залишалася без змін?

3. Як зміниться внутрішня енергія склянки води, якщо її: а) перемістити зі столу на підлогу; б) помістити в холодильник; в) нагріти на 50 °С?

4. Однакова кількість води перебуває в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому і газоподібному. В якому з цих станів її внутрішня енергія буде найбільшою, а в якому найменшою?

5. Є два сталеві вироби з масами 0,2 кг і 2 кг Температура виробів однакова. Який з них має більшу внутрішню енергію?



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити