Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 12. Внутрішня енергія та способи її зміни
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Уявіть, що зимового вечора ви повернулися додому з довгої прогулянки. Як зігріти холодні долоні? Запропонуйте щонайменше два способи. Продемонструйте їх. Які фізичні величини змінюються внаслідок застосування цих способів?
1. Яку енергію називають внутрішньою?
Ми вже звертали увагу на те, що завдяки тепловому руху кожна частинка речовини завжди має кінетичну енергію (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Сумарна кінетична енергія частинок повітря, наприклад, у великій шафі становить близько 0,4 МДж. Цієї енергії достатньо, щоб усіх учнів та учениць вашого класу підняти приблизно на 25 м
Окрім кінетичної енергії, частинки речовини мають і потенціальну енергію, тому що вони взаємодіють одна з одною — притягуються та відштовхуються.
Суму кінетичних енергій теплового руху частинок, із яких складається тіло, і потенціальних енергій їхньої взаємодії називають внутрішньою енергією тіла.
Одиниця внутрішньої енергії в СІ — джоуль (Дж).
• Згадайте інші фізичні величини, одиницею яких у СІ є джоуль.
2. Коли внутрішня енергія тіла змінюється?
Мірою середньої кінетичної енергії руху частинок речовини, з яких складається тіло, є температура. Зі зміною температури змінюється сумарна кінетична енергія всіх частинок, а отже, змінюється внутрішня енергія тіла.
Окрім того, зі зміною температури тіло розширюється або стискається. При цьому змінюється відстань між частинками речовини і, як наслідок, змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Це також зумовлює зміну внутрішньої енергії тіла.
Отже, внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною його температури: зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а зі зменшенням температури — зменшується.
Внутрішня енергія змінюється також зі зміною агрегатного стану речовини (рис. 12.2). Наприклад, під час плавлення речовини її внутрішня енергія збільшується, а під час кристалізації — зменшується (рис. 12.3). Докладніше про це ви дізнаєтеся наприкінці розділу 2 «Внутрішня енергія. Теплові явища».
Рис. 12.2. У різних агрегатних станах взаємне розташування молекул речовини є різним, тому відрізняється і потенціальна енергія взаємодії молекул
Рис. 12.3. За однакової температури внутрішня енергія льоду є меншою від внутрішньої енергії тієї самої маси води
3. Що називають теплопередачею?
Згадаємо деякі приклади із життя: якщо вимкнути з розетки гарячу праску, за якийсь час вона охолоне (рис. 12.4); 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 передавання тепла.
Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею (теплообміном).
Рис. 12.4. Вимкнена гаряча праска холоне — передає певну кількість теплоти навколишньому середовищу, доки не встановиться теплова рівновага
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] = Дж.
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 лише в разі наявності різниці температур, причому самовільно тепло може передаватися тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.
Що більшою є різниця температур, то швидше за інших однакових умов здійснюється передавання тепла. Теплопередача триватиме, доки температури тіл не зрівняються, тобто доки між тілами не встановиться теплова рівновага.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Існують речовини, температура яких завжди є вищою за температуру зовнішнього середовища. Їх називають радіоактивними. У радіоактивних речовинах відбувається перетворення одних атомів на інші з виділенням енергії. Здається, що всередині цих речовин є «пічка, що вічно працює»! На жаль, використати це джерело енергії безпосередньо в побуті неможливо, бо перетворення атомів супроводжується шкідливим випромінюванням.
Але вчені знайшли інший варіант застосування цих речовин. Резервним джерелом живлення майже всіх космічних апаратів, які відправляють досліджувати далекі космічні об'єкти, є радіоізотопний термоелектричний генератор. Це пристрій, який виробляє електроенергію завдяки тому, що температури радіоактивної речовини та навколишнього космічного простору є різними.
* Для вимірювання кількості теплоти здавна застосовували таку одиницю, як калорія (від латин. calor — тепло). Зараз цю одиницю часто використовують для обчислення енергії, що виділяється внаслідок засвоєння їжі: 1 кал = 4,2 Дж.
4. Як і чому змінюється внутрішня енергія долонь, коли ми тремо їх одна об одну?
Численні спостереження та експерименти переконують: навіть у разі відсутності теплообміну внутрішня енергія тіла може збільшуватись, якщо над тілом виконується робота.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: шматок чистої гумової стрічки або джгута.
Прикладіть стрічку в нерозтягнутому стані до верхньої губи. Запам’ятайте свої відчуття. Тепер, віддаливши стрічку від губи, розтягніть її кілька разів (що більше, то краще). І знову прикладіть до верхньої губи. Порівняйте відчуття з попередніми. Поясніть результат дослідження. Установіть поріг чутливості природного датчика температури: після якої кількості розтягувань ви фіксуєте зміни у відчуттях?
Робота, наприклад, сил тертя шин мотоцикла об дорожнє покриття спричиняє збільшення внутрішніх енергій шин та покриття дороги. Доказ цього — їхнє нагрівання під час руху мотоцикла (рис. 12.5). Так само, якщо інтенсивно терти долоні одну об одну, їхня внутрішня енергія збільшується. З описаним явищем доводиться мати справу на виробництві або в побуті. Наприклад, у процесі оброблення деталей через роботу сил тертя помітно зростає температура як самого інструмента, так і деталі, яку обробляють (рис. 12.6).
Рис. 12.5. У разі екстреного гальмування температура шин підвищується настільки сильно, що шини залишають чорний слід на дорожньому покритті
Рис. 12.6. Різання металевого листа за допомогою диска, який обертається з великою швидкістю. Гарячі металеві іскри свідчать про високу температуру в зоні різання
А як змінюється внутрішня енергія тіла, якщо воно саме виконує роботу?
Досить логічним виглядає висновок: внутрішня енергія тіла має зменшитися, якщо це тіло виконуватиме роботу. Виявилося, що такий висновок є абсолютно правильним. Підтвердженням цього є пристрої, якими користуються майже в кожній родині, — холодильники.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Основні елементи холодильника нагадують кровоносну систему ссавців. Як і серце, компресор холодильника перекачує рідину по трубках всередині корпусу, наче кров. Відмінність полягає в тому, що інженери розмістили на шляху потоку рідини перешкоду — тоненьку трубочку. Після проходження перешкоди рідина має місце для розширення, у якому вона перетворюється на пару, виконує роботу та охолоджується. Холодна пара «забирає» тепло зсередини холодильника та «віддає» його, нагріваючи оселю. Продовжуючи рух, пара знову повертається до рідкого стану. Цикл повторюється доти, доки температура в камері холодильника не сягає необхідного рівня.
Інші розповсюджені пристрої, які працюють подібно до холодильника, — це кондиціонери та теплові помпи.
А ЯК НАСПРАВДІ?
У рекламному проспекті певного пристрою зазначено, що він надзвичайно ефективно справляється із завданням передавання тепла від холодного тіла до гарячого. Як, на вашу думку, треба поставитися до такої реклами?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? завжди мають кінетичну енергію? 2. Що називають внутрішньою енергією тіла? 3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла? 4. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії? 5. У які способи можна змінити внутрішню енергію тіла? 6. Що називають теплопередачею? Наведіть приклади теплопередачі. 7. Що таке кількість теплоти? Назвіть одиницю кількості теплоти. 8. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи. 9. 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 № 12
1. У якій склянці (рис. 1) внутрішня енергія чаю є більшою?
Рис. 1
2. Наведіть два способи запалювання сірника, що відповідають двом способам зміни внутрішньої енергії тіла.
3. Установіть відповідність між зображеним об’єктом (1-3) і зміною внутрішньої енергії, яка відбувається із цим об’єктом (А-Г).
- А Внутрішня енергія зменшується внаслідок теплопередачі
- Б Внутрішня енергія збільшується внаслідок виконання роботи
- В Внутрішня енергія збільшується внаслідок теплопередачі
- Г Внутрішня енергія не змінюється
4. М’яч кинули вгору. Як під час руху м’яча змінюється його внутрішня енергія? механічна енергія? Опором повітря знехтуйте.
5. Як змінюються внутрішня й механічна енергії наплічника (рис. 2) за незмінної температури?
Рис. 2
6. На рис. 3 зображено вуличний термометр. Температура в будівлі 25 °С. Куди буде спрямований потік тепла: а) з будівлі на вулицю; б) з вулиці в будівлю? За яких умов потік тепла дорівнюватиме нулю?
Рис. 3
7. Чому каскадери, які десантуються з гелікоптерів по канатах, надягають рукавички?
8. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла, коли водночас виконується робота та відбувається теплопередача. Чи може в таких випадках внутрішня енергія залишитися незмінною?
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
«Водяний коктейль». Налийте в посудину невелику кількість води кімнатної температури. Виміряйте температуру води. Потім міксером змішуйте воду приблизно 1 хв. Знову виміряйте температуру води. Зробіть висновок.
Ключові терміни
Внутрішня енергія • Теплопередача • Кількість теплоти
