Поместим в сосуд немного

Основная цель урока: рассмотреть каким образом можно изменить внутреннюю энергию, как эти изменения повлияют на тело, каким образом при подобных процессах тела взаимодействуют между собой.

Ссылка на видеоурок:

Конспект урока

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

Чтобы понять, каким способом можно изменить внутреннюю энергию, необходимо знать, от чего она зависит. Мы уже знаем, что внутренняя энергия зависит от средней кинетической энергии частиц, составляющих тело, и, следовательно, от его температуры. Значит, для изменения внутренней энергии тела нужно изменить его температуру.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И РАБОТА

Опыт 1. Сделайте около 50 интенсивных ударов молотком по железному предмету. Проверьте на ощупь изменение температуры металла и молотка. Объясните явление.

Опыт 2. Положите монету на кусок деревянной доски и энергично потрите ее, прижимая к поверхности, в течение нескольких минут. Руками проверьте, как изменилась температура монеты.Объясните результат.

Опыт 3. Возьмите новый целый полиэтиленовый пакет. Ополосните пакет внутри горячей водой так, чтобы остались капли. Герметично привяжите его к наконечнику велосипедного насоса или большой резиновой груши. Энергично накачайте воздух в пакет, чтобы он лопнул. В воздухе появится туман. Объясните наблюдаемое явление.

Опыт 4. 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.

Совершая работу, мы можем изменить, например, потенциальную энергию тела. Подняв тело над поверхностью земли, мы тем самым увеличили его потенциальную энергию. Совершив работу, можно также изменить и внутреннюю энергию тела.

При трении тела нагреваются. Если потереть одну ладонь о другую, кожа нагреется. Если быстро спуститься по спортивному канату, то кожу на ладонях можно даже обжечь. Нагревание при трении люди использовали в древности для добывания огня. В наше время одним из способов добывания огня является трение спичечной головки о спичечный коробок.

В специализированной физической лаборатории при соблюдении всех мер предосторожности можно провести следующий опыт. На подставке укрепляется тонкостенная латунная трубка. В неё наливается немного эфира, и она закрывается пробкой. Затем трубка обвивается верёвкой. Если быстро натирать трубку верёвкой, то через некоторое время эфир закипит и пар вытолкнет пробку.

Этот опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась, ведь он нагрелся и даже закипел. А причиной изменения внутренней энергии эфира стала наша работа против сил трения.

Именно из-за того, что температура в сосуде понижается, и появляется туман. Как и почему это происходит, мы с вами обсудим немного позднее. Всем, кто открывал бутылки с лимонадом, это явление хорошо знакомо: над горлышком появляется туман.

Увеличить внутреннюю энергию тела можно путём деформации. Если несколько раз ударить молотком по свинцовому шарику, он деформируется и заметно нагреется. Совершённая при этом работа приведёт к изменению взаимного расположения атомов свинца и к изменению характера их движения.

Рассмотрим пример, когда совершённая работа приводит к уменьшению внутренней энергии тела. В стеклянный толстостенный сосуд, закрытый резиновой пробкой, с помощью насоса нагнетается воздух, содержащий водяной пар. Через некоторое время пробка вылетает из сосуда, а в самом сосуде образуется туман, представляющий собой мельчайшие капельки воды.

Накачивая воздух в сосуд, мы совершаем работу. Число молекул в сосуде возрастает, увеличивается частота и сила их ударов, возрастает скорость их движения, и, следовательно, увеличивается внутренняя энергия и температура воздуха в сосуде. Затем сжатый воздух выталкивает пробку, совершая работу. При этом его внутренняя энергия уменьшается, и температура воздуха в сосуде понижается.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения механической работы. Например, внутреннюю энергию воды можно увеличить, нагрев на плите чайник. Если поставить горячую кастрюлю на холодную подставку, то с течением времени она остынет. Во всех приведённых примерах внутренняя энергия изменяется, хотя работа при этом не совершается.

Опустим металлическую ложку в стакан с горячей водой. Начальная температура воды выше температуры ложки. Значит, средняя кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы воды, сталкиваясь с атомами металла, передают им часть своей энергии. При этом кинетическая энергия частиц металла увеличивается, а кинетическая энергия молекул воды уменьшается. В результате температура воды уменьшится, а температура ложки увеличится. С течением времени их температуры станут равными.

При непосредственном контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу, температура которого изначально была ниже. При этом внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а внутренняя энергия тела с меньшей температурой увеличивается.

Процесс передачи энергии от более нагретого тела или участков тела к менее нагретым называют теплопередачей или теплообменом.

Когда температуры тел становятся равными, теплопередача прекращается. При этом процесс теплопередачи необратим. Это означает, что невозможен самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от холодного тела к нагретому.

В XVIII в. французскими химиками была выдвинута идея теплорода — некой субстанции, объясняющей явления, связанные с теплотой и теплопередачей. Считалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга, но притягивают частицы других веществ. Повышение температуры тела связывалось с увеличение количества теплорода, а понижение температуры — с его уменьшением. В середине XIX в. теория теплорода была отвергнута. Ей на смену пришла молекулярно-кинетическая теория строения вещества.

Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) (1753 — 1814) Английский физик. В его честь Лондонское королевское общество учредило награду для выдающихся учёных — медаль Румфорда.

В 1798г. Румфорд сделал важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Для более точного исследования он проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал поместили тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 мин операции температура повысилась на десятки градусов Цельсия. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагрелась и спустя 2,5 ч закипела.

Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

                       если +А, тоU                         если +Q, тоt иU

                       если -А, тоU                          если –Q, тоt иU

U– внутренняя энергия,    t – температура.

+A – работа совершается над телом,    –A – тело совершает работу,

+Q – тело принимает тепло,             –Q – тело отдаёт тепло.

Вопросы (тест) для самоконтроля:

1. Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела?

А. Только совершением работы.

Б. Совершением работы и теплопередачей.

В. Только теплопередачей.

Г.  Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

2. Первый стакан с водой охладили, получив от него 1 Дж количества теплоты, а второй стакан подняли вверх, совершив работу в 1 Дж. Изменилась ли внутренняя энергия воды в первом и втором стаканах?

А. В 1 — уменьшилась, во 2 — не изменилась

Б. Ни в одном стакане не изменилась.

В. В 1 — не изменилась, во 2 — увеличилась.

Г.  В обоих стаканах уменьшилась.

Д. В 1 — уменьшилась, во 2 — увеличилась.

3.  Первая пластина перемещалась по горизонтальной поверхности и в результате действия силы трения нагрелась, а вторая пластина была поднята вверх над горизонтальной поверхностью. В обоих случаях была совершена одинаковая работа. Изменилась ли внутренняя энергия пластин?

А. У первой пластины не изменилась, у второй увеличилась.

Б. У обеих пластин увеличилась.

В. У первой пластины увеличилась, а у второй не изменилась.

Г.  Не изменилась ни у первой, ни у второй пластин.

4. Два одинаковых камня лежали на земле. Первый камень подняли и положили на стол, а второй подбросили вверх. Изменилась ли внутренняя энергия камней?

А. У первого камня не изменилась, у второго – увеличилась.

Б. У обоих камней увеличилась.

В. У первого камня увеличилась, а у второго не изменилась.

Г. У обоих камней не изменилась.

5. Первую пластину подняли вверх над горизонтальной поверхностью, а вторую несколько раз изогнули, в результате чего она нагрелась. Работа в обоих случаях была совершена одинаковая. Изменилась ли внутренняя энергия пластин?

А. У первой пластины увеличилась, а у второй не изменилась.

Б. Нигде не изменилась.

В. У первой не изменилась, а у второй увеличилась.

Г.  У обеих пластин увеличилась.

6. Два камня лежали на столе. Первый камень начал падать со стола, а второй взяли и положили на землю. Изменилась ли внутренняя энергия камней?

А. У первого увеличилась, а у второго не изменилась.

Б. У обоих камней уменьшилась.

В. У первого не изменилась, а у второго уменьшилась.

Г. Ни у одного камня не изменилась.

7. После того как распилили бревно, пила нагрелась. Каким способом изменили внутреннюю энергию пилы?

А. При совершении работы.       Б. При теплопередаче.

8. Сок поставили в холодильник и охладили. Каким способом изменили внутреннюю энергию сока?

А. При совершении работы.           Б. При теплопередаче.

9. В сосуде находится газ. Чтобы внутренняя энергия газа уменьшилась, нужно…

A. Сжать газ.                         Б. Увеличить объем газа.

10. Чтобы увеличить внутреннюю энергию автомобильной шины, нужно…

А. Выпустить из шины воздух.  Б. Накачать в шину воздух.

11. Пружину слегка сжали. Что нужно сделать, чтобы увеличить внутреннюю энергию пружины?

А. Сжать пружину сильнее.           Б. Отпустить пружину.

12. Резиновую нить слегка растянули. Чтобы внутренняя энергия нити увеличилась ее надо…

А. Растянуть сильнее.          Б. Отпустить.

13. В каком из перечисленных случаев внутренняя энергия чашки не изменилась: 1) чашку переставили из шкафа на стол; 2) чашку передвинули по столу; 3) в чашку налили горячий чай.

А. 1,2, 3.      Б. 1.      В. 2.      Г. 3.      Д. 1 и 2.      Е. 1 и 3.     Ж. 2 и 3.

14. Два алюминиевых бруска массами 100 и 300 г, взятых при комнатной температуре, нагрели до одинаковой температуры. У какого бруска внутренняя энергия изменилась больше?

A. У обоих не изменилась.

Б. У обоих одинаково.

B. У первого бруска.

Г. У второго бруска.

15. В две одинаковые кастрюли налили одинаковое количество воды. В первой кастрюле воду довели до кипения, а во второй слегка подогрели. В каком случае внутренняя энергия воды изменилась меньше?

А. В обоих случаях не изменилась.

Б. В первой кастрюле.

B. Во второй кастрюле.

Г. В обоих случаях одинаково.

16. Одну из двух одинаковых серебряных ложек опустили в стакан с кипятком, а другую в стакан с тёплой водой. В каком случае внутренняя энергия ложки изменится меньше?

А. В обоих случаях не изменится.

Б. И обоим случаях одинаково.

В. В первом случае.

Г. Во втором случае.