Фізика. 8 клас. Максимович

§ 3. Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії. Теплопровідність. Конвекція. Випромінювання

Матвій і Юстина відпочивали влітку в селі в бабусі. Їм дуже сподобався лимонад, яким вона частувала їх із глиняного глечика. Хоча на вулиці стояла спека, він був завжди холодний. Бабуся приносила його з погреба, звідки віяло прохолодою. Цікаво чому?

Дізнайтеся про...

• внутрішню енергію тіла;
• способи зміни внутрішньої енергії тіла.

1. Внутрішня енергія тіла

З курсу фізики 7 класу вам відомо, що рухомі фізичні тіла мають кінетичну енергію, а тіла або частини тіла, що взаємодіють між собою, — потенціальну енергію.

Оскільки частинки, з яких складається тіло, теж рухаються (здійснюють тепловий рух) і взаємодіють між собою, то вони мають і кінетичну, і потенціальну енергії.

Внутрішня енергія тіла — сума кінетичних енергій руху молекул і потенціальних енергій їх взаємодії.

Оскільки рух молекул безперервний, тобто ніколи не припиняється, то внутрішню енергію тіло має завжди (незалежно від механічного руху тіла, його положення відносно інших тіл), а механічної енергії може не мати. Що швидше рухаються молекули, то вища температура тіла, а отже, більша внутрішня енергія.

Внутрішню енергію тіла можна змінити за допомогою теплопередачі (теплообміну) та виконання механічної роботи.

Якщо наповнити гарячою водою холодну чашку, то вона нагріється. А якщо опустити в неї ложечку, то нагріється і вона. Теплова енергія від більш нагрітого тіла (води) передається менш нагрітим тілам (чашці, ложці) (мал. 3.1) без перенесення самої речовини. Внутрішня енергія води зменшилася, а ложечки і чашки збільшилася внаслідок теплопередачі, або теплообміну.

Мал. 3.1. Передача теплової енергії від гарячого чаю до чашки та ложки

Теплопередача (теплообмін) — процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи.

2. Види теплопередачі

Літо — це період дозрівання різних ягід і плодів, з яких можна приготувати варення. Цей процес вимагає постійного перемішування суміші фруктів із цукром. Для цього використовують дерев’яну ложку, а не звичайну металеву. Чому? У металах частинки розташовані дуже щільно і здійснюють коливальний рух. Коли частина ложки, занурена в гарячу суміш, отримує тепло, то швидкість коливань її частинок збільшується. Температура цього кінця ложки підвищується. Унаслідок взаємодії та передачі енергії ланцюжком збільшується швидкість руху сусідніх частинок і ложка поступово нагрівається. З часом вона настільки нагріється, що її важко буде тримати в руках. Проте ніякого перенесення речовини не відбувається.

Деревина теж складається з частинок, але між ними є багато молекул повітря. Оскільки відстані між молекулами газів значно більші, ніж між частинками твердих тіл, процес передачі енергії від частинки до частинки відбувається дуже повільно. Тому дерев’яна ложка майже не нагрівається.

Життєвий досвід підказує, що гаряче металеве деко (мал. 3.2) з духовки можна виймати лише за допомогою спеціальної полотняної рукавички або рушника, бо деко легко нагрівається, а рукавичка та рушник значно слабше.

Мал. 3.2. Приклад теплопровідності

Теплопровідність — це вид теплопередачі, під час якого відбувається передавання енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих унаслідок теплового руху і взаємодії частинок.

Метали добре передають тепло, рідини, за винятком розплавлених металів, — гірше, а найменше передають тепло — гази.

Речовини, які погано передають тепло, використовують у побуті для теплоізоляції. Теплоізоляторами є пінопласт, мінеральна вата, повітря, ворсисті тканини та хутро, цегла, деревина та інші пористі тіла.

Конвекція — передавання енергії потоками рідини або газу.

Повітря у приміщеннях нагрівають за допомогою теплої підлоги або різноманітних приладів, які встановлюють у нижніх частинах приміщення. Це пов’язано з тим, що повітря над нагрівальними приладами нагрівається, розширюється, а його густина зменшується. Разом із розширенням цього теплого повітря зростає виштовхувальна сила, яка діє на нього з боку холоднішого повітря, і вона стає більшою за силу тяжіння. Тож тепле повітря піднімається вгору конвекційним потоком, а на його місце «приходить» холодне.

У такий самий спосіб нагрівається вода в чайнику. Теплі шари (конвекційні потоки) виштовхуються холодними шарами води вгору, і тому вода рівномірно прогрівається. За таким самим принципом можна пояснити провітрювання приміщень (мал. 3.3). Отже, перенесення енергії відбувається за допомогою перенесення речовини.

Мал. 3.3. Приклад конвекції

Гріючись біля вогнища (мал. 3.4), ми відчуваємо тепло. Як відбувається передавання енергії від вогнища? Між нами і багаттям — повітря, теплопровідність якого дуже мала. Конвекційні потоки завжди піднімаються вгору, а ми сидимо поруч. Отже, це інший вид теплопередачі, який відбувається у всіх можливих напрямках без перенесення речовини.

Мал. 3.4. Приклад теплового випромінювання

Випромінювання — передавання енергії електромагнітними хвилями у вакуумі чи середовищі.

Теплову енергію випромінюють усі тіла, що мають температуру, вищу за абсолютний нуль (-273 °С). Чим вища температура тіла, тим більше енергії передає внаслідок випромінювання.

Люди, тварини, рослини, автомобілі, стіни будинків, зорі випромінюють тепло. Темні тіла краще поглинають теплове випромінювання і тому сильніше нагріваються. Світлі або дзеркальні — відбивають випромінювання, тому значно слабше нагріваються.

Теплопровідність можлива в газах, рідинах і твердих тілах; конвекція — лише в рідинах і газах. Теплове випромінювання властиве твердим тілам, рідинам, газам та може поширюватися у вакуумі.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Яке фото горобця (мал. 3.5) зроблено влітку, а яке взимку?

Мал. 3.5.

2. На парті лежать пенал і металева лінійка. Якщо до них доторкнутись, то складеться враження, що лінійка холодніша. Поясніть чому.

3. Чому в південних районах фасади будинків фарбують білим кольором?

4. Кіт Мурчик сидів на шафі та спостерігав, як діти готуються до уроків. Невдовзі йому це набридло, він зіскочив на підлогу і вийшов з кімнати. Чи змінилася його потенціальна енергія? Внутрішня енергія?

5. Літак, що здійснював посадку, володів механічною енергією. Після зупинки на злітній смузі його механічна енергія зникла. А як же закон збереження енергії? Куди вона поділася?

6. Чому термос є теплоізольованою системою?

3. Зміна внутрішньої енергії внаслідок виконання механічної роботи

Первісні люди добували вогонь спочатку тертям, а пізніше за допомогою кременя та кресала. В обох випадках тіла нагрівалися так, що з’являлися іскри. В автомобільних перегонах «Формула-1» пілотам постійно міняють колеса, бо через тертя з дорогою їхні протектори нагріваються і стираються. Якщо ви розпиляєте дерево, а потім торкнетеся полотна пилки, то відчуєте, що воно нагрілося. Для зігрівання рук на холоді ми потираємо їх одна об одну. У всіх наведених ситуаціях збільшується внутрішня енергія тіл. Причиною цієї зміни є виконання механічної роботи.

Отже, внутрішню енергію тіла можна змінити теплопередачею та виконанням механічної роботи.

Запам'ятайте

Внутрішня енергія тіла — сума кінетичних енергій руху молекул і потенціальних енергій їхньої взаємодії.

Теплопередача (теплообмін) — процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи над тілом або самим тілом.

Теплопровідність — це вид теплопередачі, під час якого відбувається передавання енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих унаслідок теплового руху і взаємодії частинок.

Конвекція — передавання енергії потоками рідини або газу.

Випромінювання — передавання енергії електромагнітними хвилями у вакуумі чи середовищі.

Перевірте себе

1. Розпізнайте неправдиву інформацію.

Сніг — поганий теплоізолятор. Повітря між двома шибками є теплоізоляцією. У спекотні дні поверхні доріг так нагріваються, що можна побачити «тремтіння» повітря, яке відбувається внаслідок конвекції. Для кращого обігріву приміщення рекомендовано радіатори опалення встановлювати у верхній частині кімнати.

2. Чому кучеряве волосся на голові в людей, які живуть в екваторіальному поясі, допомагає їм уберегтися від перегрівання?

3. Для того щоб компот швидше вистиг, мама поклала на кришку каструлі мішечок з льодом. Чи правильно вона зробила? Поясніть.

4. Чому сучасні будинки часто «обшивають» пінопластом?

5. Чи можлива конвекція у твердих тілах? Чому?

6. Розгляньте мал. 3.6 (а-в). У якому положенні кулінарного газового пальника лід нагріється і розтопиться найшвидше? Чому?

Мал. 3.6. Нагрівання льоду

Обдумайте, змоделюйте, зробіть...

Складіть власний алгоритм дій для збільшення внутрішньої енергії води в алюмінієвій посудині за допомогою лляної мотузки. Підтвердьте експериментально правильність ваших міркувань.

Дотримуйтеся правил безпеки під час роботи!

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Внутрішня енергія тіла	Internal energy (of an object)
Теплопередача	Heat transfer
Теплопровідність	Thermal (conduction)
Теплоізолятори	Thermal insulator
Конвекція	Convection
Випромінювання	Radiation