Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 4. Способи зміни внутрішньої енергії
Згадайте, як діти повертаються до школи після того, як на перерві грали в сніжки. Хтось енергійно тре руки, хтось тулить їх до теплої батареї. Для чого вони це роблять? Щоб зігріти змерзлі руки! А чим відрізняються способи нагрівання за допомогою тертя та через контакт із тілом, яке має вищу температуру?
1. Знайомимося з процесом теплопередачі та поняттям кількості теплоти
Згадаємо деякі приклади з життя: якщо вимкнути з розетки гарячу праску, за якийсь час вона охолоне (рис. 4.1); занурена в гарячий чай холодна ложка обов’язково нагріється. У кожному із цих прикладів змінюється температура тіл, і це означає, що змінюється їхня внутрішня енергія. Водночас над цими тілами не виконується робота й самі тіла також ніякої роботи не виконують. У таких випадках кажуть про передачу тепла.
Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею (теплообміном).
Для кількісної характеристики теплопередачі використовують поняття кількість теплоти.
Кількість теплоти — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує або віддає під час теплопередачі.
Кількість теплоти позначають символом Q. Одиниця кількості теплоти в СІ — джоуль (Дж)*:
[Q] = 1 Дж.
* Для вимірювання кількості теплоти здавна застосовували таку одиницю, як калорія (від латин. calor — тепло). Зараз цю одиницю часто використовують для обчислення енергії, що виділяється в результаті засвоєння їжі: 1 кал = 4,2 Дж.
Рис. 4.1. Вимкнена гаряча праска холоне — передає певну кількість теплоти навколишньому середовищу, доки не встановиться теплова рівновага
Кількість теплоти, як і механічна робота, може бути як додатною, так і від’ємною. У випадках, коли тіло одержує енергію, кількість отриманої ним теплоти вважають додатною; коли тіло віддає енергію, кількість втраченої ним теплоти вважають від’ємною.
Досліди свідчать: теплопередача є можливою тільки в разі наявності різниці температур, причому самовільно тепло може передаватися тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.
Чим більшою є різниця температур, тим швидше за інших рівних умов здійснюється передача тепла. Теплопередача триватиме, доки температури тіл не стануть однаковими, тобто доки між тілами не встановиться теплова рівновага.
2. Змінюємо внутрішню енергію, виконуючи роботу
Численні спостереження й експерименти переконують: навіть у разі відсутності теплообміну внутрішня енергія тіла може збільшуватись, якщо над тілом виконується робота. Першим це довів англійський фізик Бенджамін Томпсон (рис. 4.2, 4.3).
Так, робота сил тертя шин автомобіля об дорожнє покриття спричиняє збільшення внутрішньої енергії шин та покриття дороги. Доказ цього — їхнє нагрівання під час руху автомобіля. Так само, якщо інтенсивно терти долоні одну об одну, їхня внутрішня енергія збільшується (рис. 4.4).
З описаним явищем доводиться мати справу в техніці. Наприклад, у процесі оброблення металевих деталей через роботу сил тертя помітно зростає температура як самого інструмента (свердла, різця тощо), так і деталі, яку обробляють.
Розгляньте рис. 4.3 і поясніть, чому закипає вода в казані.
А як змінюється внутрішня енергія тіла, якщо воно саме виконує роботу? Проведемо дослід.
Рис. 4.2. Бенджамін Томпсон (граф Румфорд) (1753-1814), англійський фізик. Наприкінці XVIII ст. він уперше експериментально показав, що теплота — це енергія, яку можна одержати за рахунок виконання роботи
Рис. 4.3. Схема експерименту Румфорда: вода в казані, поставленому на заготівку гарматного дула, закипає під час свердління дула
Рис. 4.4. Якщо інтенсивно потерти долоні одна об одну, вони розігріваються — їхня внутрішня енергія збільшується внаслідок виконання роботи
Рис. 4.5. Дослід, який підтверджує, що в ході виконання повітрям роботи його внутрішня енергія зменшується. Доказом цього є поява туману в посудині
Візьмемо товстостінну скляну посудину, дно якої вкрите шаром води. Оскільки вода випаровується, в посудині буде водяна пара. Закоркуємо посудину і через корок пропустимо трубку. Сполучимо трубку з насосом та почнемо накачувати до посудини повітря.
Через деякий час корок вилетить, при цьому в посудині з’явиться туман — дрібні краплинки води, що утворилися з водяної пари (рис. 4.5). Поява туману відбувається в разі зниження температури. Отже, температура повітря в посудині зменшилася, відповідно зменшилася внутрішня енергія повітря. Таким чином, повітря виконало механічну роботу (виштовхнуло корок) за рахунок власної внутрішньої енергії. Якщо тіло саме виконує роботу, то його внутрішня енергія зменшується.
Підбиваємо підсумки
Існують два способи зміни внутрішньої енергії тіла: виконання роботи та теплопередача.
Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею. Енергія в процесі теплопередачі може самовільно передаватися тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.
Кількість теплоти — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує або віддає під час теплопередачі. Кількість теплоти позначають символом Q і вимірюють у джоулях (Дж).
Якщо за відсутності теплообміну над тілом виконують роботу, внутрішня енергія тіла збільшується, а якщо ж тіло саме виконує роботу, його внутрішня енергія зменшується.
Контрольні запитання
1. У які способи можна змінити внутрішню енергію тіла? 2. Що називають теплопередачею? 3. Наведіть приклади теплопередачі. 4. Що таке кількість теплоти? 5. Назвіть одиницю кількості теплоти. 6. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи. 7. Як змінюється внутрішня енергія тіла у випадку, коли воно виконує роботу? у випадку, коли над тілом виконують роботу? Вважайте, що теплообмін із навколишніми тілами відсутній.
Вправа № 4
1. Чим відрізняються способи нагрівання рук за допомогою тертя та внаслідок взаємодії з тілом, яке має вищу температуру?
2. Наведіть два способи запалювання сірника:
- а) виконанням роботи;
- б) теплопередачею.
3. Чому військові, що десантуються з гелікоптерів по канатах, надягають рукавички?
4. Чи істинним є твердження, що під час теплопередачі енергія завжди передається від тіла з більшою внутрішньою енергією до тіла з меншою внутрішньою енергією? Свою відповідь обґрунтуйте.
5. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла, коли водночас виконується робота та відбувається теплопередача. Чи може в таких випадках внутрішня енергія залишитися незмінною?
6. Згадайте та запишіть основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.
Експериментальне завдання
«Водяний коктейль». Налийте в посудину невелику кількість води кімнатної температури. Виміряйте температуру води. Міксером змішуйте воду близько 1 хв. Знову виміряйте температуру води. Зробіть висновок.