§ 4. Способы изменения внутренней энергии

Вспомните, как вы с одноклассниками возвращаетесь в школу после игры в снежки. Кто-то энергично трет руки, кто-то прикладывает их к теплой батарее. Для чего вы это делаете? Конечно, чтобы согреть озябшие руки. А чем отличается способ нагревания рук в результате трения от способа их нагревания в результате контакта с телом, имеющим более высокую температуру?

1. Знакомимся с процессом теплопередачи и понятием количества теплоты

Если выключить из розетки горячий утюг, через некоторое время он остынет (рис. 4.1); погруженная в горячий чай холодная ложка обязательно нагреется. В каждом из этих случаев изменяется температура тел, а это значит, что изменяется их внутренняя энергия. При этом над телами не выполняют работу и сами тела тоже никакой работы не выполняют. В таких случаях говорят о передаче тепла.

Рис. 4.1. Отключенный горячий утюг остывает — передает некоторое количество теплоты окружающей среде. Этот процесс происходит до тех пор, пока не установится тепловое равновесие

Процесс изменения внутренней энергии тела без выполнения работы называют теплопередачей (теплообменом).

Для количественной характеристики теплопередачи используют понятие количества теплоты.

Количество теплоты — это физическая величина, равная энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче.

Количество теплоты обозначают символом Q. Единица количества теплоты в СИ — джоуль (Дж)*:

[Q] = 1 Дж.

* Для измерения количества теплоты изначально применяли такую единицу, как калория (от лат. calor — тепло). Сейчас эту единицу часто используют для определения энергии, выделяющейся в результате усвоения пищи: 1 кал = 4,2 Дж.

Количество теплоты, как и механическая работа, может быть положительным и отрицательным. Когда тело получает энергию, количество полученной им теплоты считают положительным; когда тело отдает энергию, количество отданной им теплоты считают отрицательным.

Опыты показывают: теплопередача возможна только при наличии разницы температур, причем произвольно тепло может передаваться только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Чем больше разница температур, тем быстрее при прочих равных условиях осуществляется передача тепла. Теплообмен будет продолжаться, пока температуры тел не станут одинаковыми, то есть до тех пор, пока между телами не установится тепловое равновесие.

2. Изменяем внутреннюю энергию, выполняя работу

Многочисленные наблюдения и эксперименты убеждают: даже при отсутствии теплообмена внутренняя энергия тела может увеличиваться, если над телом совершается работа. Первым это доказал английский физик Бенджамин Томпсон (рис. 4.2, 4.3).

Рис. 4.2. Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) (1753-1814), английский физик, в конце XVIII в. впервые экспериментально доказал, что теплота — это энергия, которую можно получить за счет выполнения работы

Рис. 4.3. Схема эксперимента Румфорда: вода в котле, поставленном на заготовку пушечного ствола, закипает в результате сверления ствола

Так, работа сил трения шин автомобиля о дорожное покрытие приводит к увеличению внутренней энергии шин и покрытия дороги — при движении шины и покрытие нагреваются. Точно так же, если интенсивно тереть ладони друг о друга, их внутренняя энергия увеличивается (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Если интенсивно потереть ладони, они разогреваются — их внутренняя энергия увеличивается в результате выполнения работы

Описанное явление наблюдается и в технике. Например, при обработке металлических деталей из-за работы сил трения заметно возрастает температура как самого инструмента (сверла, резца и т. п.), так и обрабатываемой детали.

• Рассмотрите рис. 4.3 и объясните, почему закипает вода в котле.

А как изменяется внутренняя энергия тела, если оно само выполняет работу? Проведем опыт.

Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и нальем в него немного воды. Из-за испарения в сосуде образуется водяной пар. Закупорим сосуд и через пробку пропустим трубку. Соединив трубку с насосом, начнем накачивать в сосуд воздух.

Через некоторое время пробка вылетит, при этом в сосуде появится туман — мелкие капельки воды, образовавшиеся из водяного пара (рис. 4.5). Известно, что появление тумана происходит при снижении температуры. Получается, что температура воздуха в сосуде снизилась, соответственно уменьшилась внутренняя энергия воздуха.

Рис. 4.5. Опыт, подтверждающий, что при выполнении воздухом работы его внутренняя энергия уменьшается. Доказательство — появление тумана

Итак, воздух выполнил механическую работу (вытолкнул пробку) за счет собственной внутренней энергии. Если тело само выполняет работу, то его внутренняя энергия уменьшается.

Подводим итоги

Есть два способа изменить внутреннюю энергию тела: совершение работы и теплопередача.

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии тела без выполнения работы. Энергия в процессе теплопередачи произвольно может передаваться только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Количество теплоты — это физическая величина, равная энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче. Количество теплоты обозначают символом Q и измеряют в джоулях (Дж).

Если при отсутствии теплообмена над телом совершается робота, его внутренняя энергия увеличивается, если же тело само совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается.

Контрольные вопросы

1. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела? 2. Что называют теплопередачей? 3. Приведите примеры теплопередачи. 4. Дайте определение количества теплоты. 5. Назовите единицу количества теплоты. 6. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в результате совершения работы. 7. Как изменяется внутренняя энергия тела в случае, когда оно совершает работу, и в случае, когда над ним совершают работу, при условии что теплообмен с окружающими телами отсутствует?

Упражнение № 4

1. Руки можно согреть с помощью трения или в результате взаимодействия с телом, имеющим более высокую температуру. Чем отличаются эти способы?

2. Приведите два способа зажигания спички: а) выполнением работы; б) теплопередачей.

3. Почему военные, десантирующиеся из вертолетов по канатам, надевают перчатки?

4. Истинно ли утверждение, что при теплопередаче энергия всегда передается от тела с большей внутренней энергией к телу с меньшей внутренней энергией? Обоснуйте свой ответ.

5. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела, когда одновременно совершается работа и происходит теплопередача. Может ли в таких случаях внутренняя энергия тела остаться неизменной?

6. Вспомните и запишите основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Экспериментальное задание

«Водяной коктейль». Налейте в сосуд небольшое количество воды комнатной температуры. Измерьте температуру воды. Миксером перемешивайте воду около 1 мин и снова измерьте температуру воды. Сделайте вывод.