Когда внутренняя энергия уменьшается. Способы изменения внутренней энергии

Темы кодификатора ЕГЭ : внутренняя энергия, теплопередача, виды теплопередачи.

Частицы любого тела - атомы или молекулы - совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение ). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т.е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела - это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом .

Внутренняя энергия термодинамической системы - это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему .

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества - идеального газа - для внутренней энергии можно получить явную формулу.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии). Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного (у многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул) движения его атомов. Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа на среднюю кинетическую энергию одного атома:

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма - ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

Функция состояния

Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.

Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.

Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:

Совершение механической работы;
теплопередача.

Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь:-) Рассмотрим эти способы подробнее.

Изменение внутренней энергии: совершение работы

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 (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным . Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики). 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. 1 )(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).

Рис. 1. 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 (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), 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. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).

Рис. 2. 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 (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию). 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: 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 называются 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 , 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. 3 )(изображения с сайта beodom.com).

Рис. 3. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) - это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:

Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики

Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:

Температура, измеренная в кельвинах

Энтропия, измеренная в джоулях/кельвин

Давление, измеренное в паскалях

Химический потенциал

Количество частиц в систем

Теплота сгорания топлива. Условное топливо. Количество воздуха необходимое для горения топлива.

О качестве топлива судят по его теплоте сгорания. Для характеристики твердых и жидких видов топлива служит показатель удельной теплоты сгорания, который представляет собой количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг). Для газообразных видов топлива применяется показатель объемной теплоты сгорания, представляющий собой количество теплоты выделяемое при сгорании единицы объема (кДж/м3). Кроме того, газообразное топливо в ряде случаев оценивают по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газ (кДж/моль).

Теплоту сгорания определяют не только теоретически, но и опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах, называемых калориметрами. Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в колориметре. Результаты, полученные этим методом, близки к значениям, рассчитанным по элементарному составу топлива.

Вопрос 14 Изменение внутренней энергии при нагревании и охлаждении. Работа газа при изменении обьема.

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.

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 и называютколичеством 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.

Работа при изобарном расширении газа. Одним из основных термодинамических процессов, совершающихся в большинстве тепловых машин, является процесс расширения газа с совершением работы. Легко определить работу, совершаемую при изобарном расширении газа.

Если при изобарном расширении газа от объема V1 до объема V2 происходит перемещение поршня в цилиндре на расстояние l (рис. 106), то работа A", совершенная газом, равна

Где p - давление газа, - изменение его объема.

Работа при произвольном процессе расширения газа. Произвольный процесс расширения газа от объема V1 до объема V2 можно представить как совокупность чередующихся изобарных и изохорных процессов.

Работа при изотермическом расширении газа . Сравнивая площади фигур под участками изотермы и изобары, можно сделать вывод, что расширение газа от объема V1 до объема V2 при одинаковом начальном значении давления газа сопровождается в случае изобарного расширения совершением большей работы.

Работа при сжатии газа. При расширении газа направление вектора силы давления газа совпадает с направлением вектора перемещения, поэтому работа A", совершенная газом, положительна (A" > 0), а работа А внешних сил отрицательна: A = -A" < 0.

При сжатии газа направление вектора внешней силы совпадает с направлением перемещения, поэтому работа А внешних сил положительна (A > 0), а работа A", совершенная газом, отрицательна (A" < 0).

Адиабатный процесс . Кроме изобарного, изохорного и изотермического процессов, в термодинамике часто рассматриваются адиабатные процессы.

Адиабатным процессом называется процесс, происходящий в термодинамической системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами, т. е. при условии Q = 0.

Вопрос 15 Условия равновесия тела. Момент силы. Виды равновесия.

Равновесие, или баланс, некоторого числа связанных явлений в естественных и гуманитарных науках.

Система считается находящейся в положении равновесия, если все воздействия на эту систему компенсируются другими или отсутствуют вообще. Сходное понятие - устойчивость. Равновесие может быть устойчивым, неустойчивым или безразличным.

Характерные примеры равновесия:

1. Механическое равновесие, также известно как статическое равновесие, - состояние тела, находящегося в покое, или движущегося равномерно, в котором сумма сил и моментов, действующих на него, равна нулю.

2. Химическое равновесие - положение, в котором химическая реакция протекает в той же степени, как и обратная реакция, и в результате не происходит изменения количества каждого компонента.

3. Физический баланс людей и животных, который поддерживается за счёт понимания его необходимости и в некоторых случаях - при помощи искусственного поддержания этого баланса[источник не указан 948 дней].

4. Термодинамическое равновесие - состояние системы, в котором его внутренние процессы не приводят к изменениям макроскопических параметров (таких, как температура и давление).

Р авенство нулю алгебраической суммы моментов сил не означает также, что при этом тело обязательно находится в покое. На протяжении нескольких миллиардов лет с постоянным периодом продолжается вращение Земли вокруг оси именно потому, что алгебраическая сумма моментов сил, действующих на Землю со стороны других тел, очень мала. По той же причине продолжает вращение с постоянной частотой раскрученное велосипедное колесо, и только внешние силы останавливают это вращение.

Виды равновесия . В практике большую роль играет не только выполнение условия равновесия тел, но и качественная характеристика равновесия, называемая устойчивостью. Различают три вида равновесия тел: устойчивое, неустойчивое и безразличное. Равновесие называется устойчивым, если после небольших внешних воздействий тело возвращается в исходное состояние равновесия. Это происходит, если при небольшом смещении тела в любом направлении от первоначального положения равнодействующая сил, действующих на тело, становится отличной от нуля и направлена к положению равновесия. В устойчивом равновесии находится, например, шар на дне углубления.

Общее условие равновесия тела . Объединяя два вывода, можно сформулировать общее условие равновесия тела: тело находится в равновесии, если равны нулю геометрическая сумма векторов всех приложенных к нему сил и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно оси вращения.

Вопрос 16 Парообразование и конденсация. Испарение. Кипение жидкости. Зависимость кипения жидкости от давления.

Парообразование - свойство капельных жидкостей изменять свое агрегатное состояние и превращаться в пар. Парообразование, происходящее лишь на поверхности капельной жидкости, называется испарением. Парообразование по всему объему жидкости называется кипением; оно происходит при определенной температуре, зависящей от давления. Давление, при котором жидкость закипает при данной температуре, называется давлением насыщенных паров pнп, его значение зависит от рода жидкости и ее температуры.

Испаре́ние - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое. Испарение(парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, то есть когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара.

Кипе́ние - процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние), с возникновением границ разделения фаз. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества.

Кипение различают по типу:

1. кипение при свободной конвекции в большом объеме;

2. кипение при вынужденной конвекции;

3. а так же по отношению средней температуры жидкости к температуре насыщения:

4. кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (поверхностное кипение);

5. кипение жидкости, догретой до температуры насыщения

Пузырьковый

Кипение, при котором пар образуется в виде периодическизарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, как правило на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром. За счёт интенсивного испарения жидкости внутрь пузырьков, они растут, всплывают, и пар высвобождается в паровую фазу над жидкостью. При этом в пристеночном слое жидкость находится в слегка перегретом состоянии, т. е. её температура превышает номинальную температуру кипения. В обычных условиях эта разница невелика (порядка одного градуса).

Плёночный

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20

ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.

[Q]=Дж. Q=DU.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Плавление и кристаллизация.

Одно и то же вещество может находиться при определенных условиях в твердом, жидком и газообразном состояниях, называемых агрегатными.

ПЕРЕХОД ИЗ ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЕ НАЗЫВАЕТСЯ ПЛАВЛЕНИЕМ. Плавление происходит при температуре, называемой температурой плавления. Температуры плавления веществ различны, т.к. различно их строение. Температура плавления - табличная величина. Во время процесса плавления температура не изменяется, т.к. подводимая теплота расходуется на разрушение кристаллической решетки твердого тела.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ 1 КГ ТВЕРДОГО ТЕЛА, ВЗЯТОГО ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПЛАВЛЕНИЯ, В ЖИДКОСТЬ ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПЛАВЛЕНИЯ . [l]=Дж/кг.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДОЕ . Температура плавления вещества равна температуре его кристаллизации. Как и в процессе плавления, при кристаллизации температура не изменяется, т.к. при кристаллизации выделяется та теплота, которая когда - то была затрачена на плавление тела. Она и поддерживает температуру кристаллизующегося тела постоянной. В соответствии с законом сохранения энергии при расчете количества теплоты, выделившейся при кристаллизации, используется та же формула, что и при плавлении. Чтобы показать направление теплообмена, в нее вводится знак "минус".

Испарение и конденсация.

ИСПАРЕНИЕМ НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЕ . Молекулы жидкости притягивают друг друга, поэтому из жидкости могут вылететь только самые быстрые молекулы, обладающие большой кинетической энергией. Если нет притока тепла, то температура испаряющейся жидкости понижается. Скорость испарения зависит от температуры жидкости, площади ее поверхности, от рода жидкости и наличия ветра над ее поверхностью.

КОНДЕНСАЦИЕЙ НАЗЫВАЕТСЯ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ПАР . В открытом сосуде скорость испарения превышает скорость конденсации. В закрытом сосуде скорости испарения и конденсации равны.

При нагревании жидкости на дне и стенках сосуда начинается выделение растворенного в жидкости воздуха. Внутрь этих пузырьков происходит испарение жидкости. Под действием архимедовой силы пузырьки отрываются от стенок сосуда и всплывают вверх. Они попадают в еще непрогретую жидкость, пар конденсируется. Пузырьки схлопываются. При этом слышен характерный шум.

При прогревании жидкости конденсация пара в пузырьках прекращается. И пузырек пара, увеличиваясь в размерах из - за продолжающегося испарения, достигает поверхности жидкости, лопается, выбрасывая содержащийся в нем пар в атмосферу. Жидкость кипит. КИПЕНИЕ - ЭТО ПАРООБРАЗОВАНИЕ, ПРОИСХОДЯЩЕЕ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ ЖИДКОСТИ . Кипение происходит при температуре, называемой температурой кипения, зависящей от рода жидкости и давления над ее поверхностью. При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается. Во время процесса кипения температура жидкости остается постоянной, т.к. подводимая энергия расходуется на преодоление взаимного притяжения молекул жидкости.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ 1 КГ ЖИДКОСТИ В ПАР ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПАРАОБРАЗОВАНИЯ. [L] = Дж/кг. Удельная теплота парообразования у разных жидкостей различна и ее численное значение - табличная величина. Чтобы рассчитать количество теплоты, требующееся для испарение жидкости, надо удельную теплоту парообразования этой жидкости умножить на массу испарившейся жидкости.

При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на ее испарение. Интенсивная конденсация пара происходит при температуре конденсации, равной температуре кипения.

Сгорание топлива.

При сгорании топлива идет процесс образования молекул углекислого газа из атомов углерода топлива и атомов кислорода атмосферного воздуха. Этот окислительный процесс сопровождается выделением большого количества теплоты. Для характеристики разных видов топлива вводится УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА - КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЕСЯ ПРИ ПОЛНОМ СГОРАНИИ 1 КГ ТОПЛИВА . [q]=Дж/кг. Как и все остальные удельные величины, удельная теплота сгорания топлива - табличная величина. Для вычисления количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива, надо удельную теплоту сгорания топлива умножить на массу топлива.

Сгорание топлива - необратимый процесс, т.е. он протекает только в одном направлении.

ЗАКОН КУЛОНА.

Точечным зарядом называется заряд, находящийся на теле, размерами и формой которого можно пренебречь в данных условиях. Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов был найден экспериментально с помощью крутильных весов Ш.Кулоном в 1785 г.

Крутильные весы представляют собой легкое изолирующее коромысло с закрепленными на его концах маленькими проводящими шариками, один из которых в опыте не участвует, а лишь является противовесом. Коромысло подвешивается на тонкой упругой нити. Через крышку прибора внутрь опускается третий такой же заряженный шарик. Один из шариков коромысла притягивается к введенному шарику. При этом заряд делится между ними пополам, т.е. на шариках будут одноименные одинаковые по величине заряды. Шарики оттолкнутся друг от друга. Силу взаимодействия между шариками измеряют по углу закручивания нити. Величину заряда можно изменять, извлекая из прибора третий шарик и снимая с него заряд. После введения его в прибор и нового разделения зарядов на шариках останется половина первоначального заряда. Изменяя величины зарядов и расстояния между ними Кулон установил, что СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОЧЕЧНЫХ ЗАРЯДОВ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА МОДУЛЯМ ЗАРЯДОВ И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА КВАДРАТУ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ НИМИ . Точечными называют заряды, находящиеся на телах размером и формой которых можно пренебречь в данной конкретной ситуации.

F ~ q 1 , F~q 2 , F~1/r 2 Þ F~½q 1 ½½q 2 ½/r 2 .

Кроме того, было установлено, что сила взаимодействия между зарядами в вакууме больше, чем в любой диэлектрической среде. Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в данной среде, называется диэлектрической проницаемостью среды. Диэлектрическая проницаемость среды - табличная величина.

e = F в /F. [e] = 1.

Экспериментально установлено, что коэффициент пропорциональности в законе Кулона k=9*1О 9 Нм 2 /Кл 2 - это сила, с которой взаимодействовали бы в вакууме два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м.

F = k |q 1 | |q 2 |/ er 2 .

Закон Кулона справедлив также для заряженных шаров. Под r в этом случае понимают расстояние между их центрами.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ.

Увеличение разности потенциалов на концах проводника вызывает увеличение силы тока в нем. Ом экспериментально доказал, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов на нем.

При включении разных потребителей в одну и ту же электрическую цепь сила тока в них различна. Значит разные потребители по - разному препятсявуют прохождению по ним электрического тока. ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРОВОДНИКА ПРЕПЯТСТВОВАТЬ ПРОХОЖДЕНИЮ ПО НЕМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, НАЗЫВАЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ . Сопротивление данного проводника - это постоянная величина при постоянной температуре. При повышении температуры сопротивление металлов возрастает, жидкостей - падает. [R] = Ом. 1 Ом - это сопротивление такого проводника, по которому течет ток 1 А при разности потенциалов на его концах 1В. Чаще всего используются металлические проводники. Носителями тока в них являются свободные электроны. При движении по проводнику они взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки, отдавая им часть своей энергии и теряя при этом скорость. Для получения нужного сопротивления используют магазин сопротивлений. Магазин сопротивлений представляет собой набор проволочных спиралей с известными сопротивлениями, которые можно включать в цепь в нужной комбинации.

Ом экспериментально установил, что СИЛА ТОКА В ОДНОРОДНОМ УЧАСТКЕ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ НА КОНЦАХ ЭТОГО УЧАСТКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СОПРОТИВЛЕНИЮ ЭТОГО УЧАСТКА.

Однородным участком цепи называется участок, на котором нет источников тока. Это закон Ома для однородного участка цепи - основа всех электротехнических расчетов.

Включая проводники разной длины, разного поперечного сечения, сделанные из разных материалов, было установлено: СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ДЛИНЕ ПРОВОДНИКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПЛОЩАДИ ЕГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ. СОПРОТИВЛЕНИЕ КУБА С РЕБРОМ В 1 МЕТР, СДЕЛАННОГО ИЗ КАКОГО - ТО ВЕЩЕСТВА, ЕСЛИ ТОК ИДЕТ ПЕРЕПЕНДИКУЛЯРНО ЕГО ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ГРАНЯМ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ЭТОГО ВЕЩЕСТВА . [r] = Ом м. Часто используется и несистемная единица удельного сопротивления - сопротивление проводника с площадью поперечного сечения 1 мм 2 и длиной 1 м. [r]=Ом мм 2 /м.

Удельное сопротивление вещества - табличная величина. Сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению.

На зависимости сопротивления проводника от его длины основано действие ползунковых и ступенчатых реостатов. Ползунковый реостат представляет собой керамический цилиндр с намотанной на него никелиновой проволокой. Подключение реостата в цепь осуществляется с помощью ползуна, включающего в цепь большую или меньшую длину обмотки. Проволока покрывается слоем окалины, изолирующей витки друг от друга.

А)ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.

Часто в электрическую цепь включается несколько потребителей тока. Это связано с тем, что не рационально иметь у каждого потребителя свой источник тока. Существует два способа включения потебителей: последовательное и параллельное, и их комбинации в виде смешанного соединения.

а) Последовательное соединение потребителей.

При последовательном соединении потебители образуют непрерывную цепочку, в которой потребители соединяются друг за другом. При последовательном соединении нет ответвлений соединительных проводов. Рассмотрим для простоты цепь из двух последовательно соединенных потребителей. Электрический заряд, прошедший через один из потребителей, пройдет и через второй, т.к. в проводнике, соединяющем потребители не может быть исчезновения, возникновения и накапливания зарядов. q=q 1 =q 2 . Разделив полученное уравнение на время прохождения тока по цепи, получим связь между током, протекающим по всему соединению, и токами, протекающими по его участкам.

Очевидно, что работа по перемещению единичного положительного заряда по всему соединению слагается из работ по перемещению этого заряда по всем его участкам. Т.е. V=V 1 +V 2 (2).

Общая разность потенциалов на последовательно соединенных потребителях равна сумме разностей потенциалов на потребителях.

Разделим обе части уравнения (2) на силу тока в цепи, получим: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Т.е. сопротивление всего последовательно соединенного участка равно сумме сопротивлений потебителей его составляющих.

Б) Паралельное соединение потребителей.

Это самый распространенный способ включения потребителей. При этом соединении все потребители включаются на две общие для всех потребителей точки.

При прохождении параллельного соединения, электрический заряд, идущий по цепи, делится на несколько частей, идущих по отдельным потребителям. По закону сохранения заряда q=q 1 +q 2 . Разделив данное уравнение на время прохождения заряда, получим связь между общим током, идущим по цепи, и токами, идущими по отдельным потребителям.

В соответствии с определением разности потенциалов V=V 1 =V 2 (2).

По закону Ома для участка цепи заменим силы токов в уравнении (1) на отношение разности потенциалов к сопротивлению. Получим: V/R=V/R 1 +V/R 2 . После сокращения: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,

т.е. величина, обратная сопротивлению параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных его ветвей.

ПРАВИЛА КИРХГОФА.

Для рассчета разветвленных электрических цепей применяют правила Кирхгофа.

Точка цепи, в которой пересекаются три и более проводников называется узлом. По закону сохранения заряда cумма токов, приходящих вузел и выходящих из него равна нулю. I = O. (Первое правило Кирхгофа). АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ТОКОВ, ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ УЗЕЛ РАВНА НУЛЮ.

Ток, входящий в узел, считается положительным, выходящий из узла отрицательным. Направления токов в участках цепи можно выбирать произвольно.

Из уравнения (2) следует, что ПРИ ОБХОДЕ ЛЮБОГО ЗАМКНУТОГО КОНТУРА АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ПАДЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ СУММЕ ЭДС В ЭТОМ КОТУРЕ , - (второе правило Кирхгофа).

Направление обхода контура выбирается произвольно. Напряжение на участке цепи считается положительным, если направление тока на этом участке совпадает с направлением обхода контура. ЭДС считается положительной, если при обходе по контуру источник проходится от отрицательного полюса к положительному.

Если цепь содержит m узлов, то можно составить m - 1 уравнение по первому правилу. Каждое новое уравнение должно включать в себя хотя бы один новый элемент. Полное число уравнений, составленных по правилам Кирхгофа, должно совпадать с числом участков между узлами,т.е. с числом токов.

ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ.

Усиление магнитного поля соленоида при введении в него железного сердечника связано с тем, что железо в магнитном поле намагничивается и его магнитное поле, накладываясь на магнитное поле катушки усиливает его. Железо относится к сильномагнитным материалам, в число которых входят также никель, кобальт, гадолиний и их соединения. Намагниченность железного сердечника сохраняется и после выведения его из катушки. Тело, сохраняющее магнитные свойства, называется постоянным магнитом. У всякого постоянного магнита имеются два полюса - северный и южный. Это те места на магните, где магнитное поле наибольшее. Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные - притягиваются. Конфигурацию поля постоянных магнитов легко исследовать с помощью железных опилок.

Естественно намагниченные куски железа или железной руды уже в Древнем Китае использовали для ориентации на Земле, которая сама является громадным постоянным магнитом. Южный магнитный полюс Земли находится в районе северного географического полюса, но не совпадает с ним, северный магнитный полюс - в районе южного географического полюса. Положение магнитных полюсов не является постоянным. Кроме того, анализ осадочных пород Земли говорит о том, что магнитное поле Земли неоднократно изменяло полярность. Магнитное поле Земли играет огромную роль для всего живого на ней, т.к. оно защищает нас от потока быстрых частиц, летящих на Землю из космического пространства, большей частью - от Солнца. При изменении этого потока на Земле наблюдаются магнитные бури - кратковременные изменения магнитного поля Земли, вызывающие нарушение радиосвязи, отклонения в положении магнитных стрелок.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА.

В 182О г. Эрстед открыл, что магнитная стрелка, расположенная рядом с проводником, по которому идет электрический ток, поворачивается так, что ее ось совпадает с касательной к окружности, охватывающей этот проводник.

В том же году Ампер обнаружил взаимодействие проводников с током и нашел закон, которому подчиняется это взаимодействие. Действие проводника с током на магнитную стрелку и взаимодействие проводников с током можно объяснить тем, что проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле, которое и обнаруживается магнитной стрелкой или другим проводником с током.

Магнитное поле - особый вид материи, создаваемый движущимися электрическими зарядами (током) и обнаруживающееся по действию на движущиеся электрические заряды (ток). Магнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. Оно убывает с увеличением расстояния от создающего его тока. Магнитное поле обладает энергией.

Для исследования магнитных полей используются маленькие магнитные стрелки, с помощью которых был найден удобный способ графического изображения магнитных полей, используя магнитные линии. Магнитная линия - это линия, вдоль которой располагаются оси маленьких магнитных стрелок в магнитном поле. Вид магнитных линий легко устанавливается с помощью мелких железных опилок, насыпанных на картон и внесенных в магнитное поле. При этом опилки, намагничиваясь в поле, располагаются цепочками вдоль магнитных линий. За направление этих линий принимается направление, которое указывал бы северный полюс магнитной стрелки.

Магнитные линии прямолинейного проводника с током представляют собой окружности, центром которых является проводник с током. Направление линий определяется правилом буравчика: если поступательное движение буравчика (правый винт) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращательного движения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных линий.

Магнитные линии катушки с током (соленоида) представляют собой замкнутые кривые, охватывающие витки катушки. Направление этих линий легко определить по следующему правилу: если катушку взять правой рукой так, чтобы согнутые пальцы были направлены по току в ней, то отогнутый большой палец покажет направление магнитных линий по оси катушки.

Катушка с током представляет собой электромагнит подобный полосовому постоянному магниту. Магнитное поле катушки возрастает с увеличением числа ее витков и силы тока в ней. Для усиления магнитного поля используется железный сердечник, вводимый в катушку. То место, откуда магнитные линии выходят из катушки, является северным полюсом электромагнита, куда входят - южным полюсом.

Электромагниты широко используются в технике как для перемещения тяжелых железных деталей, железного лома, так и во многих электротехнических и радиотехнических устройствах.

Магнитное поле действует с некоторой силой на находящийся в нем проводник с током. Эта сила называется силой Ампера и зависит прямопропорционально от длины прорводника, силы тока в нем. Она зависит также от величины поля и от расположения проводника. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы.

Действие магнитного поля на проводник с током используется в электродвигателях. Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и подвижной - ротора. В пазах статора укладывается катушка, создающая магнитное поле. Ротор представляет собой катушку из многих витков, ток к которым подводится с помощью скользящих контактов - щеток. Для увеличения магнитного поля ротор и статор изготовляют из листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга. Ротор приводится в движение силой Ампера. Для поддержания постоянного вращения направление тока в обмотке ротора периодически изменяется с помощью коллектора, представляющего собой в простейшем случае два полукольца, контактирующих со щетками. При движении ротора щетка переходит с одного полукольца на другое, изменяя направление тока в катушке ротора. Это дает ей возможность повернуться еще на полоборота, когда ток опять изменит направление.

Т.к. КПД электродвигателей (до 98 %) гораздо больше, чем у тепловых, то электродвигатели широко применяются на транспорте, на заводах и фабриках и т.д. Электродвигатели компактны, не загрязняют окружающую среду, легко управляемы.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.

Фотоаппарат.

Фотоаппарат состоит из двух главных частей: светонепроницаемой камеры и объектива. В простейшем случае объективом может служить собирающая линза. Чтобы изображение было качественным по всему полю фотоснимка, объективы современных фотоаппаратов представляют собой сложную систему линз, в целом играющую роль собирающей линзы. Объектив фотоаппарата дает на фотопленке, покрытой светочувствительным слоем, действительное, обратное и, как правило, уменьшенное изображение фотографируемого предмета. Фотоаппарат работает на формуле тонкой линзы. Для получения четкого (резкого) изображения предмета объектив фотоаппарата делается подвижным. Перемещая объектив, добиваются необходимой резкости изображения. Фотографируемые предметы могут находиться одновременно на разных расстояниях от фотоаппарата. Глубина резкости достигается тем, что окно объектива может частично перекрываться диафрагмой. Чем меньше окно объектива, тем более четкими будут на снимке предметы, разноудаленные от фотоаппрарата.

При фотографировании объектив фотоаппарата автоматически открывается на небольшое время, называемое временем экспозиции. Чтобы изображение стало видимым, пленку проявляют в специальном растворе и закрепляют. Полученное изображение называется негативом, т.к. на нем наблюдается обратная светопередача. Те места фотопленки, на которые падало больше света, темнее и наоборот. Для получения фотокарточки (позитива) полученное изображение с помощью фотоувеличителя проецируется на фотобумагу. Затем бумага проявляется и закрепляется.

Современные фотоаппрараты могут давать цветное и даже объемное изображение. Некоторые аппараты дают сразу готовый фотоснимок. Развитием фотографии стало кино.

Фотография широко применяется в научных целях, в технике, криминалистике и т.д. Она может сделать нас свидетелями исторических событий. Широко распространена художественная фотография.

Проекционный аппарат.

Проекционный аппарат служит для получения действительного, увеличенного, обратного изображения тел на экране. Если получается изображение в проходящем свете (фото- и кинопленка, изображение на стекле), то аппарат называется диаскопом, в отраженном свете - эпископом. Часто применяется комбинация этих аппаратов - эпидиаскоп. Диаскоп состоит из источника света, конденсора и объектива. Для увеличения освещенности экрана за источником света часто располагают одно или несколько зеркал. Конденсор (две плоско - выпуклые линзы) направляет рассходящийся от источника свет в объектив. Простейшим объективом может служить собирающая линза. Предмет, изображение которого надо получить на экране, размещается между конденсором и объективом. Четкости изображения добиваются перемещением объектива.

Фотоувеличители, фильмоскопы, киноаппараты, кодоскопы являются проекционными аппаратами.

Глаз. Очки.

По своему устройству глаз напоминает фотоаппарат. Он состоит из: склеры - внешней части глаза, защищающей глаз от механических повреждений; роговицы - передней прозрачной части склеры; радужной оболочки с отверстием переменного диаметра в ней - зрачка; хрусталика - двояковыпуклой линзы; стекловидного тела, заполняющего объем глаза; сетчатки - нервных окончаний, передающих информацию в мозг. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено водянистой жидкостью, которая, в основном, и преломляет свет. Глаз работает на формуле тонкой линзы. Т.к. предметы могут располагаться от глаза на разных расстояниях, то для получения четкого изображения кривизна хрусталика может изменяться с помощию глазных мышц. Способность глаза давать четкое изображение предметов, находящихся от него на разных расстояниях, называется аккомодацией. Расстояние, на котором глаз дает возможность рассмотреть без большого напряжения мелкие детали предметов, называется расстоянием наилучшего зрения. Для здорового глаза оно равно 25 см. Ближний предел аккомодации около 12 см. Глубина резкости определяется площадью зрачка. Сетчатка состоит из палочек, дающих черно - белое изображение, и колбочек, дающих цветное изображение. Изображение на сетчатке глаза действительное, уменьшенное, обратное. Объемное зрение дают два глаза.

Если изображение, создаваемое глазом, лежит перед сетчаткой, то глаз называется близоруким. Чтобы рассмотреть предмет, близорукий человек подносит его близко к глазам и сильно напрягает глазные мышцы. Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими линзами. Дальнозоркий глаз создает изображение за сетчаткой. Дальнозоркость исправляется ношением очков с собирающими линзами. Надо отметить, что и близорукость, и дальнозоркость будут прогрессировать, если не использовать очки, т.к. при работе глазные мышцы будут перенапрягаться.

ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.

Изучение тепловых явлений неизбежно должно было дать величину, характеризующую степень нагретости тел - температуру. При соприкосновении тел в результате взаимодействия молекул выравнивается их средняя кинетическая энергия. Температура - мера средней кинетической энергии молекул. Она показывает направление тепловых процессов, т.к. энергия самопроизвольно передается от более нагретых тел к менее нагретым, т.е. от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Температура измеряется термометрами. Измерение температуры основано на установлении между телами, приведенными в соприкосновение теплового равновесия. На практике самое широкое распространение нашли жидкостные термометры, в которых используется изменение объема жидкости (ртуть или спирт) при нагревании. Расширяясь, жидкость поднимается по стеклянной трубочке, под которой располагается шкала. Реперными точками (т.е. точками, на которых базируется шкала температур) в международной практической системе температур, предложенной Цельсием, являются температура плавления льда (О 0 С) и температура кипения воды (1ООS0oTC). Расстояние между этими точками на шкале разбивается на 1ОО равных частей. Т.к. расширение жидкости в разных интервалах температур различно, то жидкостный термометр гарантирует правильность измерения только реперных температур. Большую точность имеют газовые термометры, в которых используется зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении или зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. В термометрах может использоваться также зависимость электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ.

Всякое тело состоит из громадного количества молекул. Молекулы тел непрерывно движутся, следовательно, они обладают кинетической энергией. Молекулы твердых и жидких тел взаимодействуют между собой, значит, они обладают и потенциальной энергией. СУММА КИНЕТИЧЕСКИХ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ МОЛЕКУЛ, СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕЛО, НАЗЫВАЕТСЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ. [U]=Дж.К внутренней энергии относится и энергия частиц, из которых состоят атомы.

Внутренняя энергия тела может изменяться во время различных тепловых процессов. Так, при нагревании, например, увеличиваются скорости движения молекул, а значит и их кинетическая энергия. При нагревании тела его объем увеличивается, изменяются расстояния между молекулами, а поэтому изменяется и потенциальная энергия их взаимодействия. Об изменении внутренней энергии можно судить по изменению температуры тела. С возрастанием температуры тела его внутренняя энергия увеличивается.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя принципиально различными способами.

1. Если над телом совершать работу, оно нагревается, т.е. его внутренняя энергия возрастает. Если само тело совершает работу над внешними телами, его внутренняя энергия уменьшается. A=DU.

2. Внутреннюю энергию можно изменить и путем теплопередачи. ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕЙ, ИЛИ ТЕПЛООБМЕНОМ, НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ СОВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ. Так, чайник, стоящий на раскаленной плите, получает энергию путем теплопередачи.

Существует три вида теплопередачи: теплопроводность - передача энергии путем обмена ею молекулами при их взаимодействии; конвекция - передача энергии потоками нагретой жидкости или газа; излучение - передача энергии посредством электромагнитных волн. Причем, последний вид теплопередачи не требует непосредственного контакта тел или наличия между ними какого либо вещества.

Мерой переданной тепловой энергии при теплопередаче служит КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ - ТА ЧАСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, КОТОРУЮ ТЕЛО ПОЛУЧАЕТ ИЛИ ОТДАЕТ ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ. [Q]=Дж. Q=DU.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Урок физики в 8-м классе по теме: "Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии"

Цели урока:

Формирование понятия «внутренняя энергия тела» на основе МКТ строения вещества.
Ознакомление со способами изменения внутренней энергии тела.
Формирование понятия «теплопередача» и умения применять знания МКТ строения вещества при объяснении тепловых явлений.
Развитие интереса к физике через демонстрацию интересных примеров проявления тепловых явлений в природе и технике.
Обоснование необходимости изучения тепловых явлений для применения этих знаний в быту.
Развитие информационно – коммуникативных компетенций учащихся.

Тип урока. Комбинированный урок.

Вид урока. Урок - презентация

Форма проведения урока. Интерактивная беседа, демонстрационный эксперимент, рассказ, самостоятельная работа

Формы работы учащихся. Коллективная работа, индивидуальная работа, работа в группах.

Оборудование: электронная презентация «Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии», компьютер, проектор.

Ход урока

Организационный момент. Добрый день! Сегодня на уроке мы познакомимся еще с одним видом энергии, узнаем от чего она зависит и как ее можно изменить.

Актуализация знаний.

Повторение опорных понятий: энергия, кинетическая и потенциальная энергия, механическая работа.

Изучение нового материала.

Учитель . Кроме упомянутых понятий следует вспомнить и то, что два типа механической энергии могут превращаться (переходить) друг в друга, например, при падении тела. Рассмотрим свободно падающий шарик. Очевидно, что при падении его высота над поверхностью уменьшается, а скорость увеличивается, это означает, что уменьшается его потенциальная энергия, а кинетическая увеличивается. Следует понимать, что эти два процесса не происходят отдельно, они взаимосвязаны, и говорят, что потенциальная энергия переходит в кинетическую .

Чтобы понять, что же такое внутренняя энергия тела, необходимо ответить на следующий вопрос, из чего состоят все тела?

Ученики . Тела состоят из частиц, которые непрерывно хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом.

Учитель . А если они движутся и взаимодействуют, то они обладают кинетической и потенциальной энергией, которые и составляют внутреннюю энергию.

Ученики. Получается, что у всех тел внутренняя энергия одинаковая, а значит и температура должна быть одинаковой. А это не так.

Учитель. Конечно не так. Тела обладают различной внутренней энергией, и мы постараемся выяснить, от чего зависит и от чего не зависит внутренняя энергия тела.

Определение.

Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела .

Внутреннюю энергию обозначают и измеряется она, как и все другие виды энергии, в Дж (джоулях).

Следовательно, имеем формулу для внутренней энергии тела: . Где под понимается кинетическая энергия частиц тела, а под – их потенциальная энергия.

Вспомним предыдущий урок, на нем мы говорили о том, что движение частиц тела характеризует его температура, с другой стороны, внутренняя энергия тела связана с характером (активностью) движения частиц. Следовательно, внутренняя энергия и температура – взаимосвязанные понятия. При повышении температуры тела его внутренняя энергия тоже повышается, при понижении – уменьшается.

Мы выяснили, что внутренняя энергия тела может изменяться. Рассмотрим способы изменения внутренней энергии тела.

Вы уже знакомы с понятием механическая работа тела, она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела, аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела. Это удобно изобразить на схеме:

Учитель .Сспособ увеличения внутренней энергии тела при трении был известен людям с глубокой древности. Именно таким способом люди добывали огонь. Работая в мастерских, например, обтачивая детали напильником, что можно пронаблюдать? (Детали нагревались ). Когда человеку холодно, он начинает непроизвольно дрожать. Как вы думаете, почему? (При дрожи происходят мышечные сокращения. За счет работы мышц внутренняя энергия тела увеличивается, становится теплее ). Какой можно сделать вывод из сказанного?

Ученики . Внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы. Если тело само совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.

Учитель . В технике, промышленности, повседневной практике мы постоянно встречаемся с изменением внутренней энергии тела при совершении работы: нагревание тел при ковке, при ударе; совершение работы сжатым воздухом или паром .

Давайте немного отдохнем, а заодно узнаем некоторые интересные факты из истории тепловых явлений (двое учащихся выступают с короткими сообщениями, приготовленными заранее).

Сообщение 1 . Как устраивались чудеса.

Древнегреческий механик Герон Александрийский, изобретатель фонтана, носящего его имя, оставил нам описание двух остроумных способов, с помощью которых египетские жрецы обманывали народ, внушая ему веру в чудеса.
На рисунке 1 вы видите пустотелый металлический жертвенник, а под ним скрытый в подземелье механизм, приводящий в движение двери храма. Жертвенник стоял снаружи его. Когда разводят огонь, воздух внутри жертвенника вследствие нагревания сильнее давит на воду в сосуде, скрытом под полом; из сосуда вода вытесняется по трубке и выливается в ведро, которое, опускаясь, приводит в действие механизм, вращающий двери (рис. 2). Изумленные зрители, ничего не подозревающие о скрытой под полом установке, видят перед собой “чудо”: как только на жертвеннике запылает огонь, двери храма, “внемля молитвам жреца”, растворяются словно сами собой...

Разоблачение “чуда” египетских жрецов: двери храма открываются действием жертвенного огня.

Сообщение 2. Как устраивались чудеса.

Другое мнимое чудо, устраивавшееся жрецами, изображено на рис. 3. Когда на жертвеннике запылает пламя, воздух, расширяясь, выводит масло из нижнего резервуара в трубки, скрытые внутри фигур жрецов, и тогда масло чудесным образом само подливается в огонь... Но стоило жрецу, заведующему этим жертвенником, незаметно вынуть пробку из крышки резервуара - и излияние масла прекращалось (потому что избыток воздуха свободно выходил через отверстие); к этой уловке жрецы прибегали тогда, когда приношение молящихся было слишком скудно.

Учитель. Как всем нам знакомо утреннее чаепитие! Так приятно заварить чай, насыпать в чашку сахарку и пить понемножечку, маленькой ложечкой. Только одно плохо - уж больно ложка горячая! Что же произошло с ложкой? Почему повысилась ее температура? Почему увеличилась ее внутренняя энергия? Мы работу над ней совершали?

Ученики . Нет, не совершали.

Учитель . Давайте выясним, почему произошло изменение внутренней энергии.

Вначале температура воды выше, чем температура ложки, а следовательно и скорость молекул воды больше. Это значит, что молекулы воды обладают большей кинетической энергией, чем частицы металла, из которого сделана ложка. При столкновении с частицами металла молекулы воды передают им часть своей энергии, и кинетическая энергия частиц металла увеличивается, а кинетическая энергия молекул воды уменьшается. Такой способ изменения внутренней энергии тел называется теплопередачей . В нашей повседневной жизни мы часто сталкиваемся с этим явлением. Например, в воде, при лежании на земле или в снегу организм охлаждается, что может привести к простудным заболеваниям или обморожениям. В сильный мороз утки охотно лезут в воду. Как вы думаете, почему? (В сильный мороз температура воды значительно выше температуры окружающего воздуха, поэтому в воде птица будет охлаждаться меньше, чем на воздухе ).Теплопередача осуществляется несколькими способами, но об этом мы поговорим на следующем уроке.

Таким образом, возможны два способа изменения внутренней энергии. Какие?

Ученики . Совершение работы и теплопередача.

Закрепление изученного материала. Теперь давайте посмотрим, насколько хорошо вы усвоили новый материал сегодняшнего урока . Я буду задавать вопросы, а вы попробуете на них ответить.

Вопрос 1 . В один стакан налита холодная вода, в другой – столько же кипятка. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией? (Во втором, т.к. ее температура выше) .

Вопрос 2. Два медных бруска имеют одинаковую температуру, но масса одного 1 кг, а другого – 0,5 кг. Какой из двух данных брусков обладает большей внутренней энергией? (Первый, т.к. его масса больше) .

Вопрос 3. Молоток нагревается, когда им бьют, например, по наковальне, и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях. (В первом случае совершение работы, а во втором - теплопередача) .

Вопрос 4 . В металлическую кружку налита вода. Какое из перечисленных ниже действий приводит к изменению внутренней энергии воды? (1, 3)

Нагревание воды на горячей плите.
Совершение работы над водой, приведение ее в поступательное движение вместе с кружкой.
Совершение работы над водой перемешиванием ее миксером.

Учитель . А сейчас я предлагаю вам поработать самостоятельно. (Учащиеся делятся на 6 групп, и дальнейшая работа будет осуществляться в группах). Перед вами лежит листок с тремя заданиями.

Задание 1. Что является причиной изменения внутренней энергии тел в приведенных ниже явлениях:

нагревание воды кипятильником;
охлаждение продуктов, положенных в холодильник;
возгорание спички при чирканье ею о коробок;
сильное нагревание и сгорание искусственных спутников земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы;
если быстро изгибать проволоку в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается;
приготовление пищи;
если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки;
нагревание воды в бассейне в жаркий летний день;
при забивании гвоздя его шляпка нагревается;
спичка вспыхивает при внесении ее в пламя свечи.

Для двух групп – при трении; других двух групп – при ударе и еще двух групп – при сжатии.

Рефлексия.

Что нового, интересного вы узнали сегодня на уроке?
Как вы усвоили пройденный материал?
Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?
Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

Подведение итогов урока. Сегодня мы с вами познакомились с основными понятиями раздела «Тепловые явления» внутренней энергией и теплопередачей и ознакомились со способами изменения внутренней энергии тел. Полученные знания помогут вам объяснить и предсказать протекание тепловых процессов, с которыми вы встретитесь в своей жизни.

Домашнее задание . § 2, 3. Экспериментальные задания:

Измерьте домашним термометром температуру воды, налитой в банку или бутылку.
Плотно закройте сосуд и 10–15 мин интенсивно встряхивайте его, после чего вновь измерьте температуру.
Чтобы исключить передачу тепла от рук, наденьте варежки или заверните сосуд в полотенце.
Какой способ изменения внутренней энергии вы использовали? Поясните.
Возьмите резиновую ленту, связанную кольцом, приложите ленту ко лбу и запомните ее температуру. Удерживая резину пальцами руки, несколько раз энергично растяните и в растянутом виде снова прижмите ко лбу. Сделайте вывод о температуре и причинах, вызвавших изменение.

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:

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.