внутренняя энергия 8 класс. 16 внутренняя энергия. Введение с понятием энергия
 Скачать 1.35 Mb.
|
|
На данном уроке мы вспомним такое важнейшее в курсе физики понятие, как энергия. Повторим конкретные виды механической энергии, которые нам известны, вспомним, от чего они зависят и как меняются при движении тела. Затем будет введено понятие внутренней энергии и будут оговорены ее основные свойства. Мы узнаем взаимосвязь между понятиями внутренняя энергия и температура, а также как они связаны с движением частиц тела (атомов и молекул). В ходе урока будут приведены несколько наглядных практических примеров. Введение С понятием энергия мы столкнулись еще в 7 классе. Давайте вспомним его определение. Определение. Энергия – физическая величина, которая характеризует способность тела или системы тел выполнить определенную работу. Само понятие работа является знакомым и привычным из повседневной жизни. Она делится на множество видов, мы же пока изучили только понятие механической работы. Если вспомнить, то механическая работа – это величина, с помощью которой возможно описывать процессы перемещения тела при приложении определенной силы. Например, можно оценить работу, которую необходимо выполнить, чтобы перевезти тяжелый груз с одного места на другое (рис. 1). Так вот, именно способность тела к выполнению механической работы характеризуется механической энергией тела.  Рис. 1. Работа силы тяги Виды механической энергии Удобно изобразить с помощью схемы.  Определение.Кинетическая энергия – часть механической энергии, которая определяет движение тела. Определение. Потенциальная энергия – энергия, которую имеют тела или части одного тела из-за того, что взаимодействуют с другими телами (или частями тел). Обозначения в приведенных формулах:  – масса тела, кг, – скорость движения тела, м/с, – ускорение свободного падения, Н/кг (м/с2), – высота тела над поверхностью, м, – жесткость пружины, Н/м, – растяжение пружины, м.Взаимные превращения механической энергии Кроме упомянутых понятий, следует вспомнить и то, что два типа механической энергии могут превращаться (переходить) друг в друга, например при падении тела (рис. 2). Рассмотрим свободно падающий шарик. Очевидно, что при падении его высота над поверхностью уменьшается, а скорость увеличивается. Это означает, что уменьшается его потенциальная энергия, а кинетическая увеличивается. Следует понимать, что эти два процесса не происходят отдельно, они взаимосвязаны, и говорят, что потенциальная энергия переходит в кинетическую.      Рис. 2. Падение груза Представлять себе процессы превращения механических энергий при падении тела удобно следующим образом: сумму всех энергий (полную механическую энергию) представить как полное ведро воды с надписью «потенциальная энергия», из которого начинают переливать воду в ведро с надписью «кинетическая энергия». Получается, что ведро с «потенциальной энергией» мельчает, а с «кинетической» наполняется, общий объем воды при этом не меняется – этим уже поясняется закон сохранения механической энергии. Из приведенного примера становится ясно, что в мгновении непосредственно перед падением тела на поверхность (высота равна нулю) вся потенциальная энергия переходит в кинетическую (одно ведро перелито в другое). Возникает вопрос: что же происходит с кинетической энергией тела после удара о поверхность, ведь тело останавливается и его высота над поверхностью становится равной нулю? Куда же перешла вся энергия? Она преобразуется в новый для нас тип энергии, о котором мы поговорим позже. Можно рассмотреть и другой пример превращения энергии: колебания груза на пружине (рис. 3). В данном случае наблюдается похожая ситуация – превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Этот случай отличается от процесса падения тела тем, что в нижней точке колебания груза пружина сжимается обратно, тем самым позволяя происходить превращениям энергий периодично из потенциальной – в кинетическую – снова в потенциальную и т. д., пока не прекратятся колебания. Если разобраться подробнее, то в данном процессе превращения энергий происходят сложнее, например, при движении груза с нижней точки деформированной пружины происходит переход потенциальной энергии пружины в потенциальную энергию груза (он поднимается) и его кинетическую энергию (он разгоняется). Т. е. на этом примере мы видим, что в превращениях могут участвовать сразу несколько видов энергий, которые могут относиться к разным телам (пружина и груз).   Рис. 3. Колебания груза на пружине Понятие внутренней энергии тела Вернемся к вопросу о том, во что превращается кинетическая энергия тела сразу после падения на поверхность. Она превращается во внутреннюю энергию, что и является основным объектом изучения данного урока. Чтобы понять, что такое внутренняя энергия, следует обратить внимание на микромир частиц вещества (атомы и молекулы) и вспомнить, что они находятся в непрерывном движении – это уже подсказывает о наличии у них кинетической энергии. Кроме того, частицы взаимодействуют друг с другом, что приводит к возникновению у них потенциальной энергии (рис. 4). Рис.4. Внутренняя энергия Определение. Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. Внутреннюю энергию обозначают  и измеряется она, как и все другие виды энергии, в Дж (джоулях).Следовательно, имеем формулу для внутренней энергии тела:  , где под  понимается кинетическая энергия частиц тела, а под  их потенциальная энергия.Связь между внутренней энергией тела и температурой Вспомним предыдущий урок, на нем мы говорили о том, что движение частиц тела характеризует его температура, а, с другой стороны, внутренняя энергия тела связана с характером (активностью) движения частиц. Следовательно, внутренняя энергия и температура – взаимосвязанные понятия. При повышении температуры тела его внутренняя энергия тоже повышается, при понижении – уменьшается. Взаимосвязь внутренней энергии с различными типами процессов Взаимосвязь между внутренней энергией и различными видами процессов можно изобразить на схеме:  Следует обратить особое внимание на то, что внутренняя энергия тела не зависит от потенциальной и кинетической энергии самого тела, а только от потенциальной и кинетической энергии его частиц (рис. 5). Эти понятия важно не путать. Если сравнивать внутреннюю энергию с другими видами энергий, то она как понятие существует отдельно и имеет особое свойство: любое тело при любых условиях всегда имеет некий запас внутренней энергии. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, И ПОЗНАКОМИМСЯ С ПОНЯТИЕМ ТЕПЛООБМЕН. Связь внутренней энергии с температурой Как мы уже обговаривали на прошлом занятии, внутренняя энергия тела не является постоянной величиной и связана с изменением температуры тела 1) при повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, т. к. молекулы тела начинают активнее двигаться, расстояние между ними увеличивается и возрастает их кинетическая и потенциальная энергия,  ;2) при понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается, т. к. молекулы тела начинают двигаться менее активно, расстояние между ними уменьшается и понижается их кинетическая и потенциальная энергия,  . Рис. 1. Зависимость внутренней энергии тела от температуры Таким образом, температура – это главная характеристика внутренней энергии тела. была раскритикована и сегодня не упоминается в научных трудах, как и теория теплорода. Изменение внутренней энергии вследствие совершения работы Мы будем рассматривать возможные варианты изменения внутренней энергии с точки зрения развития науки, поэтому сначала обсудим изменение внутренней энергии благодаря совершению работы. Вы уже знакомы с понятием «механическая работа тела», она связана с перемещением тела при приложении к нему определенной силы. Если совершается механическая работа, то меняется энергия тела (рис. 2), аналогичное можно утверждать конкретно про внутреннюю энергию тела.  Рис. 2. Механическая работа Это удобно изобразить на схеме.  Внутренняя энергия не постоянная величина. Она может изменяться. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится (увеличится средняя скорость движения молекул). При понижении температуры внутренняя энергия тела уменьшается. Заткнем шприц с одной стороны пробкой и начнем давить на ручку шприца. Мы давим на ручку, тем самым сжимаем воздух внутри шприца, внутренняя энергия увеличивается.   После этого пробка выстреливает и сжатый внутри шприца воздух разжимается и выходит из него, тем самым остывая – внутренняя энергия уменьшается. Первые опыты по доказательству несостоятельности теории теплорода и подтверждению влияния процесса совершения работы на изменение внутренней энергии тела провел английский инженер и физик Бенджамин Румфорд (рис. 7), который в конце XVIII века при изготовлении пушек занимался сверлением их ствола. Он заметил, что при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение конской тягой. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура резко поднялась. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой (рис. 8). В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала.  Рис. 8. Опыт Румфорда по нагреванию воды из-за трения сверла Опыт Румфорда доказал, что процесс совершения работы оказывает непосредственное влияние изменение внутренней энергии тела и внутренняя энергия тела может быть изменена при совершении работы. Таким образом, работа является мерой изменения внутренней энергии при превращении механической энергии во внутреннюю или внутренней энергии в механическую. Изменение внутренней энергии вследствие теплопередачи Второй способ изменения внутренней энергии тела мы можем легко наблюдать каждый день в повседневной жизни, и он был давно всем известен – это теплопередача. Определение. Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Примеров процесса теплопередачи множество – это и нагревание чайника на плите, и охлаждение комнаты с помощью кондиционера, и нагревание оконного подоконника в солнечный день, и т. п. Указанные процессы делятся на три вида: теплопроводность, конвекция и излучение (рис. 9).  Теперь мы можем изобразить два варианты изменения внутренней энергии тела на схеме.  |