Тема. Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и работа

Урок 2 (8 класс)

1. Введение

С понятием энергия мы столкнулись еще в 7 классе. Давайте вспомним определение этого понятия.

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 (см. Рис. 1). Так вот, именно способность тела к выполнению механической работы характеризуется механической энергией тела.

Рис. 1.

Мы знаем, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной - вследствие своего взаимодействия с другими телами.

Изучая механические явления, мы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга.

Рассмотрим еще один пример. Предположим, что на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим (рис. 59, а). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, так как шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 59, б). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент стали равными нулю.

Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Но мы уже знаем, что при нагревании происходит увеличение средней кинетической энергии молекул тела. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом - притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются друг от друга. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, мы можем утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит изменение как кинетической, так и потенциальной энергии частиц этих тел. Это означает, что механическая энергия, которой обладал в начале опыта шар, не исчезла бесследно: она перешла в энергию молекул.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.
U - внутренняя энергия.

Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.

Изучение тепловых явлений показывает, что на сколько в них уменьшается механическая энергия тел, на столько же увеличивается их внутренняя энергия. Полная же энергия тел, равная сумме их механической и внутренней энергий, при любых процессах остается неизменной. В этом заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное (общее) значение.

Так, например, при взлете ракеты происходит превращение внутренней энергии сгорающего топлива в механическую энергию оболочки ракеты; при возникновении ветра внутренняя энергия нагретого воздуха превращается в кинетическую энергию движущихся воздушных масс и т. д.

Одним из первых, кто обратил внимание на взаимопревращаемость различных видов энергии, был немецкий ученый Юлиус Роберт Майер (1814-1878). В 1838 г. он защитил диссертацию на степень доктора медицины и через два года в качестве корабельного врача отправился в плавание на остров Яву. Во время плавания он задумался над тем, почему после сильной бури вода в море всегда оказывается теплее, чем до нее. А прибыв на остров, Майер обратил внимание на непривычно яркий цвет крови у матросов, которых он лечил. В северных широтах кровь у людей имела иной, более темный оттенок. Возникал вопрос: почему? Эта проблема настолько увлекла Майера. что больше он ни о чем не думал. В письме своему другу он потом написал: "Я с такой любовью ухватился за работу, что мало интересовался - над чем иной может посмеяться - той далекой частью света; охотнее всего я оставался на борту, где я мог беспрепятственно отдаваться своей работе и где я в некоторые часы чувствовал себя как бы вдохновленным и ни раньше, ни позже ничего подобного, насколько помню, не переживал".

Размышляя о процессах, происходящих в человеческом организме (в зависимости от температурных условий, в которых находится человек), и энергии, выделяющейся в нем при "сгорании" пищи, Майер в конце концов открыл один из самых фундаментальных законов физики - закон сохранения и превращения энергии.

2. Виды механической энергии

Виды механической энергии удобно изобразить с помощью схемы

Кинетическая энергия – часть механической энергии, которая определяет движение тела.

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.

3. 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 (см. 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.

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 мгновение 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 (см. 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.

4. Введение понятия внутренняя энергия 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.

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.

Вспомним предыдущий урок, на нем мы говорили о том, что движение частиц тела характеризует его температура, 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.

5. Связь между внутренней энергией тела и температурой

Следует особое внимание обратить на то, что внутренняя энергия тела не зависит от потенциальной и кинетической энергии самого тела, а только от потенциальной и кинетической энергии его частиц. Эти понятия важно не путать.

6. Взаимосвязь внутренней энергии с различными типами процессов

Взаимосвязь между внутренней энергией и различными видами процессов можно изобразить на схеме:

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.