Физика 8 класс внутренняя энергия способы изменения внутренней энергии тела: Урок 01. температура и тепловое движение. внутренняя энергия. способы изменения внутренней энергии — Физика — 8 класс

Содержание

Физика 8 класс. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют

друг с другом.
Они обладают одновременно кинетической

и потенциальной энергией.
Эти энергии и составляют внутреннюю энергию тела.

Таким образом, внутренняя энергия —

это энергия движения и взаимодействия частиц,
из которых состоит тело.
Внутренняя энергия характеризует тепловое

состояние тела.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ !

ДОМАШНИЕ ОПЫТЫ

1.

Сделайте около 50 интенсивных ударов молотком

по железному предмету.
Проверьте на ощупь изменение температуры металла и молотка. Объясните явление.

 

2.

Положите монету на кусок деревянной доски и энергично потрите ее, прижимая к поверхности,
в течение нескольких минут. Руками проверьте, как изменилась температура монеты.
Объясните результат.

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.

Если работу совершает само тело,

его внутренняя энергия уменьшается.

ДОМАШНИЕ ОПЫТЫ

1.

Возьмите новый целый полиэтиленовый пакет. Ополосните пакет внутри горячей водой так,
чтобы остались капли. Герметично привяжите его к наконечнику велосипедного

насоса
или большой резиновой груши. Энергично накачайте

воздух в пакет, чтобы он лопнул.
В воздухе появится туман. Объясните наблюдаемое явление.

2.

Измерьте домашним термометром температуру

воды, налитой в банку или бутылку.
Плотно закройте сосуд и 10–15 мин интенсивно

встряхивайте его,
после чего вновь измерьте температуру.
Чтобы исключить передачу тепла от рук, наденьте варежки или заверните

сосуд в полотенце.
Какой способ изменения внутренней энергии вы использовали? Поясните.

3.

Возьмите резиновую ленту, связанную кольцом, приложите ленту

ко лбу и запомните ее температуру. Удерживая резину пальцами руки, несколько раз энергично

растяните и в растянутом виде снова прижмите ко лбу. Сделайте вывод о температуре и причинах, вызвавших изменение.

ЗАДАЧИ ДЛЯ ЛЮБИТЕЛЕЙ ПОДУМАТЬ

(или «5» падают с неба)

1. Если кусок алюминиевой проволоки

расклепать на наковальне или быстро

изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую

сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.

2. Молоток нагревается и когда им

бьют, например, по наковальне, и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.

3. Два одинаковых латунных шарика

упали с одной и той же высоты. Первый

упал в глину, а второй, ударившись о камень, отскочил и был пойман

рукой на некоторой высоте. Который из шариков больше изменил свою

внутреннюю энергию?

Жду ответов!

«ВОЗДУШНОЕ ОГНИВО»

Устали? — Отдыхаем!

Способы изменения внутренней энергии

На предыдущем уроке мы
уже узнали, от чего зависит внутренняя энергия. Теперь попытаемся разобраться,
как её можно изменить. При повышении температуры увеличивается скорость
движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия и
внутренняя энергия тела. И, наоборот: при понижении температуры, внутренняя
энергия уменьшается.

Проведем маленький
эксперимент. Возьмем деревянные палочки и потрём их друг о друга. Через
некоторое время они нагреются, а, следовательно, их внутренняя энергия
увеличится. То же самое произойдёт и при ударе. Нетрудно догадаться, что при деформации
тело тоже нагревается, так как деформация может являться следствием удара. Во
всех этих случаях, над телом совершалась та или иная работа. Значит,
увеличение внутренней энергии происходит при совершении работы над телом.

Рассмотрим другой пример.
В стеклянный сосуд бросим несколько горящих спичек, а на горлышко сосуда
положим варёное яйцо. Через некоторое время спички потухнут, в результате чего
воздух начнёт остывать. Из-за этого яйцо засосет внутрь. Это произойдет из-за
того, что давление внутри сосуда понизится и будет не достаточным, чтобы
сдерживать давление снаружи. Из этого можно сделать вывод, что внутренняя
энергия воздуха внутри сосуда уменьшилась. Заметим, что понижение давления
произошло из-за сжатия воздуха при понижении температуры, то есть, воздух
совершил работу. Следовательно, уменьшение внутренней энергии происходит,
когда тело само совершает работу.

Однако, изменить
внутреннюю энергию можно и путём теплопередачи.

Нальём воду в чайник, и
нагреем.

Для того, чтобы вода
закипела, мы должны сообщить ей некоторое количество теплоты, то есть, произвести
теплопередачу. Чем дольше продолжается теплопередача, тем больше становится
температура воды и её внутренняя энергия. Через некоторое время вода закипит,
а, значит, её внутренняя энергия увеличится.

Проведем ещё один
эксперимент. Нальем в кружку горячий чай. Через некоторое время кружка
нагреется, а чай, напротив, остынет, а, значит, его внутренняя энергия
уменьшится.

Дело в том, что в этом случае,
чай сам совершил теплопередачу, а именно, — нагрел кружку и часть окружающего
воздуха.

Как видим, теплопередача
всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой
температурой.
Когда температуры тел выравниваются, теплопередача
прекращается. Способами теплопередачи являются теплопроводность, конвекция и
излучение.
О них мы поговорим на следующих уроках.

Итак, изменить внутреннюю
энергию тела можно с помощью механической работы или теплопередачи.

Упражнения.

Изменится ли внутренняя
энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить в воздух?

Нет, потому что бросок не
изменил ни температуру мяча, ни его агрегатное состояние. Над мячом не была
совершена работа, и сам мяч не совершал работы. Теплопередача тоже
отсутствовала, поэтому внутренняя энергия меча не изменилась.

Изменится ли внутренняя
энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить так, чтоб он отскочил от
потолка?

Да, потому что при ударе
о потолок мяч на время деформируется, а, следовательно, его внутренняя энергия
возрастёт, так как над мячом была совершена работа.

Изменится ли внутренняя
энергия льда, если его растопить?

Конечно. Ведь растопить
лед — значит, превратить его в воду, а это изменение агрегатного состояния, да
и температуры тоже. Кроме того, чтобы растопить лёд нужно осуществить
теплопередачу.

Изменится ли внутренняя
энергия кусочка мела, если провести им по доске? Конечно. Ведь мел пишет только
тогда, когда трение достаточно велико, а трение, как мы помним из примера,
совершает работу над телом. Кроме того, часть мела останется на доске. Это
изменит количество молекул, содержащихся в данном кусочке, а, как мы помним,
внутренняя энергия тела — это суммарная энергия всех молекул этого тела.

Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.




















1.

Вычисли работу, если даны путь и сила


Сложность:
лёгкое



2.

Вычисли путь, если даны работа и сила


Сложность:
лёгкое



3.

Определи силу, если даны путь, работа и направление силы


Сложность:
лёгкое



4.

Найди кинетическую и потенциальную энергию


Сложность:
среднее



5.

Найди кинетическую, потенциальную энергию и высоту


Сложность:
среднее



6.

Найди кинетическую, потенциальную энергию и скорость


Сложность:
среднее



7.

Найди полную механическую энергию, высоту и скорость тележки


Сложность:
среднее



8.

Определи энергию тележки, её высоту и скорость


Сложность:
сложное



9.

Найди полную механическую энергию, высоту и скорость скейтера


Сложность:
сложное



10.

Найди силу, путь, работу и мощность


Сложность:
среднее



11.

Найди работу, кинетическую энергию и скорость


Сложность:
среднее



12.

Вычисли мощность и работу подъёмного крана


Сложность:
лёгкое



13.

Изменение потенциальной энергии пружины


Сложность:
среднее



14.

Определи энергию груза, используя закон сохранения энергии


Сложность:
среднее



15.

Работа, выполненная при вертикальном подъёме тела.


Сложность:
среднее



16.

Определение кинетической, потенциальной, полной механической энергии, высоты и скорости


Сложность:
сложное



17.

Вычисли работу


Сложность:
среднее



18.

Вычисли работу и мощность


Сложность:
среднее


Внутренняя энергия тела и способы её изменения

Вы
знаете, что существует два вида механической энергии — кинетическая и
потенциальная. Давайте вспомним, что кинетической энергией обладает всякое
движущееся тело: .

Потенциальная
энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или отдельных
частей тела: Eп = mgh.

Изучая
механические явления, вы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут
превращаться друг в друга таким образом, что их сумма остаётся постоянной величиной:
E = Ek + Eп = const.

В этом
заключается один из наиболее общих и фундаментальных законов природы — закон
сохранения и превращения энергии.

Однако,
вы знаете, что в реальных опытах закономерности превращения энергии выглядят
гораздо сложнее.

Например,
возьмём гирю из какого-либо мягкого металла, например, из свинца, и стальную
плиту. Поднимем гирю вверх на какую-либо высоту, тем самым сообщив ей некоторый
запас потенциальной энергии. А затем отпустим. Во время полёта гири её
потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая, наоборот, увеличивается.
После падения, гиря остановится. Её потенциальная энергия относительно плиты
равна нулю, как равна нулю и кинетическая энергия, поскольку гиря неподвижна.
Означает ли это, что нарушился основной закон природы, и энергия бесследно
исчезла?

Конечно
же нет. Механическая энергия перешла в другой вид энергии. Если внимательно
посмотреть на гирю после удара, то мы обнаружим, что она, как и плита, слегка
сплющилась, то есть деформировалась. А если мы измерим её температуру до и
после падения, то окажется, что она увеличилась.

Мы уже
знаем, что при изменении температуры тела, изменяется скорость движения его
молекул. Помимо этого, в результате деформации гири, изменилось и взаимное
расположение молекул друг относительно друга. Значит изменилась и их
потенциальная энергия.

Следовательно,
механическая энергия, которой обладала гиря в начале опыта, не исчезла: она перешла
в потенциальную и кинетическую энергию её молекул.

Сумма
кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и
потенциальной энергии их взаимодействия, называется внутренней энергией тела.

Обозначают
внутреннюю энергию буквой U. А измеряют её в тех
же единицах, что и механическую энергию: [U] = [Дж].

Возникает
логичный вопрос: а каково значение внутренней энергии какого-либо тела?

Для
примера рассмотрим какой-нибудь газ, например, кислород. Потенциальная энергия
взаимодействия его молекул между собой практически отсутствует. А кинетическая
энергия одной молекулы кислорода очень мала. Расчёты показывают, что среднее
значение кинетической энергии молекулы кислорода при комнатной температуре
равно 3,7 ∙ 10−21 Дж.

Кто-то
скажет, что это очень маленькая величина, и будет прав. Но, например, в 1 м3
газообразного кислорода содержится примерно 2,7 ∙ 1025. А их
общая энергия равна почти 100 кДж. А это значение энергии уже весьма
значительно. Такой энергией, например, будет обладать одна тонный бизон, если
его поднять на высоту десяти метров.

Теперь
выясним, от чего зависит внутренняя энергия тела?

Вы уже
знаете, что чем больше температура тела, тем быстрее движутся молекулы. Чем
больше скорость движения, тем больше их кинетическая энергия. Значит,
внутренняя энергия тела зависит от его температуры.

Также вам
должно быть известно, что для перевода вещества из жидкого состояния в
газообразное, например, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести энергию.
Следовательно, пар будет обладать большей внутренней энергией, чем вода той же
массы. Значит, внутренняя энергия тела при неизменной массе зависит от его
агрегатного состояния.

Т. к.
масса тела равна сумме масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия
зависит и от массы тела.

Но
внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения и от его
взаимодействия с другими телами. Так, например, внутренняя энергия мяча,
лежащего на полу и поднятого на некоторую высоту от пола, одинакова, так же,
как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь силами
сопротивления его движению).

Возникает
вопрос, а может ли у тела отсутствовать внутренняя энергия?

Чтобы
правильно на него ответить, достаточно вспомнить, что движение частиц, из
которых состоит тело, никогда не прекращается, даже при очень низких
температурах. Поэтому тело всегда обладает внутренней энергией.

Как
правило, значение внутренней энергии в большинстве случаев вычислить очень
трудно, поскольку каждое тело состоит из огромного числа частиц. Однако нас
чаще будет интересовать не само значение внутренней энергии, а её изменение. А
о нём можно судить, в частности, по значению совершённой работы.

Вот мы
и подошли ко второй важной проблеме — можно ли как-то изменить внутреннюю
энергию тела?

Рассуждаем
последовательно. Внутренняя энергия определяется энергией движения и энергией
взаимодействия частиц. Следовательно, если мы сможем изменить скорость движения
частиц, либо усилить или ослабить их взаимодействие друг с другом, то мы сможем
изменить и внутреннюю энергию тела.

Рассмотрим
каждую из возможностей изменения внутренней энергии отдельно.

Мы уже
знаем, что изменить кинетическую энергию частиц тела можно путём увеличения или
уменьшения температуры тела.

Существует
два способа это сделать. Рассмотрим их на конкретных примерах. И так, возьмём
закрытый сосуд с воздухом, к которому присоединим манометр. И начнём натирать
сосуд с помощью тряпочки или сукна.

Уровень
жидкости в левом колене манометра начинает понижаться. Это обусловлено тем, что
воздух в колбе начинает нагреваться, вследствие чего, увеличивается его
давление. Значит увеличивается и кинетическая энергия молекул воздуха. Таким
образом, совершив механическую работу (трение сукна о колбу) мы смогли
увеличить кинетическую энергию молекул находящегося в колбе воздуха.

Проделаем
ещё один опыт. Возьмём толстостенный стеклянный сосуд, на дне которого
находится небольшое количество воды. Закроем его пробкой с пропущенной через
неё трубкой. Соединим трубку с насосом и начнём накачивать в сосуд воздух.
Через некоторое время пробка из сосуда вылетит и в нём образуется туман.

Туман
— это превратившийся в воду водяной пар.

Подумайте,
когда образуется туман? Наверняка каждый из вас замечал, что чаще всего туман
образуется тогда, когда после тёплого дня, наступает прохладная ночь, т. е. при
значительном понижении температуры.

Следовательно,
температура воздуха в сосуде понизилась. А понизилась она из-за того, что
воздух, находящийся в сосуде, совершил работу. Вследствие чего, внутренняя
энергия молекул воздуха в сосуде уменьшилась.

Таким
образом, мы с вами можем сделать важный вывод о том, что внутренняя энергия
тела изменяется при совершении работы. При этом если тело совершает работу,
то его внутренняя энергия уменьшается
. А если над телом совершают
работу, то его внутренняя энергия увеличивается
.

Теперь
подумаем, можно ли изменить внутреннюю энергию тела, без совершения
механической работы?

Вернёмся
к опыту с колбой и манометром. Теперь не будем натирать колбу, а нагреем в ней
воздух при помощи спиртовки. И опять через небольшой промежуток времени уровень
жидкости в левом колене манометра начнёт понижаться. Что свидетельствует о том,
что опять происходит изменение внутренней энергии воздуха в колбе.

Теперь
обратимся к ситуации, с которой вы сталкиваетесь в жизни постоянно. Возьмём
стакан с горячим чаем и металлическую ложку. Вы хорошо знаете, что если ложку
опустить в стакан с чаем, то она через некоторое время тоже становится горячей.

 

В этом
случае, как и в предыдущем, работа не совершается, но внутренняя энергия ложки
увеличивается, о чём и свидетельствует повышение её температуры.

Поскольку
вначале температура воды выше, чем температура ложки, то и средняя скорость
молекул воды больше. А это значит, что молекулы воды обладают большей
кинетической энергией, чем частицы металла, из которого сделана ложка. При
столкновении с частицами металла молекулы воды передают им часть своей энергии,
и кинетическая энергия частиц металла увеличивается. А кинетическая энергия
молекул воды при этом уменьшается.

В
рассмотренных нами примерах внутренняя энергия тел изменялась путём теплопередачи.

Теплопередача
— способ изменения внутренней энергии тела, при котором энергия передаётся от
одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.

Стоит
обратить внимание на то, что процесс теплопередачи происходит в определённом
направлении — от более нагретых тел к менее нагретым, но не наоборот. А
когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

Таким
образом, возможны два способа изменения внутренней энергии —совершение
механической работы и теплопередача.

Существует
три вида теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение. Но о
них мы с вами поговорим на следующих занятиях.

Способы изменения внутренней энергии | Физика

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).

Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.

Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения. Легко ли это? Когда таким способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна «Таинственный остров», у них ничего не вышло.

«Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.

После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав:
— Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую».

Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С. А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!

Многие люди и в наше время «добывают» огонь трением — трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг. XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании — всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара. Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название «шведские спички») Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.

Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Если же тело само совершает работу (за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.

Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием. Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис. 62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д.

Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.

Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается. Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.

Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой Q и называют количеством теплоты.

Q — количество теплоты.

Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) — в джоулях.

При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.

Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1) совершение работы и 2) теплообмен. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них — на величину, равную количеству переданной теплоты Q.

Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели — путем трения или соприкосновения с горячим телом. В принципе могло быть как то, так и другое.

1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается? 5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?

Экспериментальное задание. Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения. Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?

Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней

Тема урока: Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии тела.

Цель урока: выяснить, какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела.

Ход урока

  1. Актуализация знаний.

  1. Какое движение называется тепловым?

  2. Как связана скорость движения молекул и температура тела?

  3. Опишите характер движения молекул а твердых телах, жидкостях и газах?

  4. Что называется внутренней энергией тела?

  5. Зависит ли внутренняя энергия тела от того, движется тело или покоится?

  6. Зависит ли внутренняя энергия тела от положения тела относительно других тел?

Решение качественных задач

  1. Бросим свинцовый шар на свинцовую плиту. Потенциальная энергия превратилась в кинетическую, затем снова исчезла. Сможете ли вы опровергнуть это утверждение?

  2. Выведем из положения равновесия шар, подвешенный на нити. Через некоторое время он остановится. Куда исчезла его механическая энергия?

  3. В один стакан налита холодная вола, в другой – горячая такой же массы. Одинакова ли внутренняя энергия в этих стаканах?

  4. На столе стакан и графин с водой одинаковой температуры. Одинакова ли внутренняя энергия воды в этих сосудах?

  1. Изучение нового материала.

  1. Зажгите свечу и подержите ладонь над свечой.

  2. Потрите ладони друг о друга. Какие результаты эксперимента? Каким способом изменилась внутренняя энергия ладоней в 1-ом и 2-ом случаях?

  3. Зажгите одну спичку о коробок, а другую спичку внесите в пламя свечи. В чем различие причин, приведших к воспламенению спички?

  4. Согните алюминиевую проволоку несколько раз. Затем аккуратно исследуйте сгиб проволоки. Изменилась ли внутренняя энергия сгиба? Каким способом?

  5. Стеклянную колбу с помощью резинового шланга соедините с манометром. Осторожно опустите колбу в сосуд с холодной водой. Наблюдайте за уровнями жидкости в манометре.

Определите:

А) В каком случае внутренняя энергия воздуха увеличивается, а в каком – уменьшается?

Б) Каким способом была изменена внутренняя энергия воздуха?

В) За счет какой энергии совершилась механическая работа по подъему жидкости в манометре?

  1. Методические рекомендации.

Необходимо выяснить, от каких факторов зависит внутренняя энергия тела:

А) от температуры, так как именно она характеризует среднюю скорость движения молекул, а значит, и среднюю кинетическую энергию частиц вещества;

Б) внутренняя энергия меняется при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое, так как меняется энергия взаимодействия частиц, составляющих тело.

Следует отметить, что тепловые процессы связаны с изменением температуры тела и агрегатного состояния вещества.

Исторические сведения

  1. Наши предки добывали огонь, изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения.

  2. Римляне стучали камнем о камень и пытались высеченной искрой поджечь лучину, покрытую серой.

  3. В 1861 г. англичанин Роберт Бойл изобрел первые, легко зажигающиеся спички – лучины, покрытые серой.

  4. Английский аптекарь Джон Уокер изобрел первые практичные спички, которые зажигались о бумагу с нанесенным на нее толченым стеклом.

  5. Первые безопасные спички были изобретены в Швеции в 1855 г.

Итоги урока.

Задание на дом: §1,2 читать

Способы изменения внутренней энергии тела. 8 класс

Чайная ложка опущена в стакан с горячей водой.

При резком торможении грузовика от тормозов пошел запах гари.

В электрочайнике закипает вода.

Замерзшие руки человек согревает, прижав их к теплому радиатору.

12.2 Первый закон термодинамики: тепловая энергия и работа

Биология: биологическая термодинамика

Мы часто думаем о термодинамике как о полезной для изобретения или тестирования оборудования, такого как двигатели или паровые турбины. Однако термодинамика также применима к живым системам, таким как наши собственные тела. Это составляет основу биологической термодинамики (рис. 12.7).

Рис. 12.7 (a) Первый закон термодинамики применим к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, тогда как прием пищи заменяет ее.(Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую организмом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой энергии солнечного света в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтез .

Сама жизнь зависит от биологической передачи энергии. Посредством фотосинтеза растения поглощают солнечную энергию и используют эту энергию для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. Фотосинтез принимает одну форму энергии — свет — и преобразует ее в другую форму — химическую потенциальную энергию (глюкозу и другие углеводы).

Метаболизм человека — это преобразование пищи в энергию, выделяемую теплом, работой, выполняемой клетками организма, и накопленным жиром. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии; это неромантичный взгляд на хороший буррито.

Организм усваивает всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, при котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Упражнения помогают сбросить вес, поскольку они обеспечивают передачу энергии от вашего тела за счет тепла и работы и повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя.

Биологическая термодинамика также включает изучение трансдукции между клетками и живыми организмами. Трансдукция — это процесс, при котором генетический материал — ДНК — передается от одной клетки к другой. Это часто происходит во время вирусной инфекции (например, гриппа), и именно так вирус распространяется, а именно путем передачи своего генетического материала все большему количеству ранее здоровых клеток.Когда инфицировано достаточное количество клеток, вы начинаете ощущать воздействие вируса (симптомы гриппа — мышечная слабость, кашель и заложенность носа).

Энергия передается вместе с генетическим материалом и, таким образом, подчиняется первому закону термодинамики. Энергия передается — а не создается и не уничтожается — в процессе. Когда с элементом выполняется работа или тепло передает энергию ячейке, внутренняя энергия ячейки увеличивается. Когда клетка работает или теряет тепло, ее внутренняя энергия уменьшается. Если количество работы, выполняемой ячейкой, такое же, как количество энергии, передаваемой теплом, или количество работы, выполняемой ячейкой, соответствует количеству энергии, передаваемой теплом, чистого изменения внутренней энергии не будет. .

Проверка захвата

Исходя из того, что вы знаете о теплопередаче и о первом законе термодинамики, нужно ли вам есть больше или меньше, чтобы поддерживать постоянный вес в холодную погоду? Объяснить, почему.

  1. подробнее; поскольку в холодную погоду организм теряет больше энергии, потребность в еде увеличивается, чтобы поддерживать постоянный вес
  2. Еще

  3. ; употребление большего количества пищи означает накопление большего количества жира, что защитит организм от холодной погоды и уменьшит потерю энергии
  4. На

  5. меньше; поскольку в холодную погоду организм теряет меньше энергии, потребность в еде уменьшается, чтобы поддерживать постоянный вес
  6. На

  7. меньше; употребление меньшего количества пищи означает накопление меньшего количества жира, поэтому для сжигания жира потребуется меньше энергии, и, как следствие, вес останется постоянным

Эффективность человеческого тела — Физика тела: движение к метаболизму

Это сканирование с помощью фМРТ показывает повышенный уровень потребления энергии в зрительном центре мозга.Здесь пациента просили узнавать лица. Изображение предоставлено: NIH через Wikimedia Commons

Все функции организма, от мышления до подъема тяжестей, требуют энергии. Многие мелкие мышечные движения, сопровождающие любую спокойную деятельность, от сна до чесания головы, в конечном итоге превращаются в тепловую энергию, как и менее заметные мышечные действия сердца, легких и пищеварительного тракта. Уровень , при котором организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма.Общий коэффициент преобразования энергии человека в состоянии покоя называется базальным уровнем метаболизма (BMR) и распределяется между различными системами в организме, как показано в следующей таблице:

Скорость основного обмена (BMR)
Орган Мощность, потребляемая в состоянии покоя (Вт) Потребление кислорода (мл / мин) Процент от BMR
Печень и селезенка 23 67 27
Мозг 16 47 19
Скелетная мышца 15 45 18
Почки 9 26 10
Сердце 6 17 7
Другое 16 48 19
Итого 85 Вт 250 мл / мин 100%

Наибольшая часть энергии поступает в печень и селезенку, а затем в мозг.Около 75% калорий, сжигаемых за день, идет на эти основные функции. Полные 25% всей основной метаболической энергии, потребляемой организмом, используется для поддержания электрических потенциалов во всех живых клетках. (Нервные клетки используют этот электрический потенциал в нервных импульсах.) Эта биоэлектрическая энергия в конечном итоге становится в основном тепловой энергией, но некоторая ее часть используется для питания химических процессов, например, в почках и печени, а также при производстве жира. BMR — это функция возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем телесный жир).Благодаря этому последнему фактору у спортсменов больше BMR. Конечно, во время интенсивных упражнений потребление энергии скелетными мышцами и сердцем заметно возрастает. Следующая диаграмма суммирует основные энергетические функции человеческого тела.

Самые основные функции человеческого тела сопоставлены с основными концепциями, рассматриваемыми в этом учебнике (химическая потенциальная энергия на самом деле является формой электрической потенциальной энергии, но мы не будем специально обсуждать электрическую потенциальную энергию в этом учебнике, поэтому мы разделили их.)

Тепло

Тело способно накапливать химическую потенциальную энергию и тепловую энергию внутри. Помня, что тепловая энергия — это просто кинетическая энергия атомов и молекул, мы признаем, что эти два типа энергии хранятся в микроскопическом и внутреннем виде в теле. Поэтому мы часто объединяем эти два типа микроскопической энергии во внутреннюю энергию (). Когда объект теплее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться от объекта к окружению, но если объект холоднее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться объекту из его окружения.Количество тепловой энергии, передаваемой из-за разницы температур, часто называют теплом (). Когда тепло передается из тела в окружающую среду, мы говорим, что это тепло выхлопных газов, как показано на предыдущем рисунке. Мы узнаем больше о том, как связаны температура и теплопередача, в следующем разделе.

Энергосбережение

Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Следовательно, если тело выполняет полезную работу по передаче механической энергии своему окружению () или передаче тепловой энергии в окружающую среду в виде тепла, тогда эта энергия должна исходить из внутренней энергии тела.Мы наблюдаем это повсюду в природе как Первый закон термодинамики:

.

(1)

Тепловые двигатели

Ваше тело использует химическую потенциальную энергию, хранящуюся внутри, для выполнения работы, и этот процесс также генерирует тепловую энергию, которую вы выделяете в виде тепла выхлопных газов. Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащено большинство автомобилей, работают аналогичным образом, преобразуя химическую потенциальную энергию топлива в тепловую энергию посредством сгорания, затем преобразуя часть тепловой энергии в полезную работу и сбрасывая часть в тепло выхлопных газов.Ваше тело способно высвобождать химическую потенциальную энергию из вашей пищи без возгорания, и это хорошо, потому что вы не можете использовать тепловую энергию вашей внутренней энергии для выполнения работы. Машины, которые могут использовать тепловую энергию для работы, например двигатель внутреннего сгорания, известны как тепловые двигатели. Тепловые двигатели по-прежнему подчиняются Первому закону термодинамики, поэтому любое тепло выхлопных газов должно быть тепловой энергией, которая не использовалась для работы. Тепловая энергия, которую можно использовать для работы, а не тратить впустую в виде тепла выхлопных газов, определяет эффективность теплового двигателя.

Эффективность человеческого тела в преобразовании химической потенциальной энергии в полезную работу известна как механическая эффективность тела. Мы часто вычисляем механический КПД тела в процентах:

(2)

Механическая эффективность тела ограничена, потому что энергия, используемая для метаболических процессов, не может использоваться для полезной работы. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая в ходе химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения наряду с трением в суставах и других тканях, еще больше снижает эффективность людей..

«Увы, наши тела не на 100 % эффективны при преобразовании энергии пищи в механическую продукцию. Но при КПД около 25 % мы на удивление хороши, учитывая, что большинство автомобилей составляет около 20 % , а кукурузное поле Айовы составляет всего 1,5 % эффективности при преобразовании поступающего солнечного света в химическое хранилище [потенциальной энергии]. ” Для превосходного обсуждения механической эффективности человека и сравнения с другими машинами и источниками топлива см. MPG of a Human Тома Мерфи, источника предыдущей цитаты.

Повседневный пример: энергия для подъема по лестнице

Предполагая, что механический КПД подъема по лестнице составляет 20%, насколько уменьшится ваша внутренняя энергия, когда человек весом 65 кг поднимется по лестнице высотой 15 м ? Сколько тепловой энергии человек передает в окружающую среду в виде тепла выхлопных газов?

Во-первых, давайте вычислим изменение гравитационной потенциальной энергии:

Человек действительно работал над преобразованием химической потенциальной энергии своего тела в механическую энергию, в частности, в потенциальную гравитационную энергию.Однако их эффективность составляет всего 20%, а это означает, что только 1/5 химической потенциальной энергии, которую они используют, идет на полезную работу. Следовательно, изменение химической потенциальной энергии должно быть в 5 раз больше, чем мощность механической работы

.

Используемая химическая потенциальная энергия возникла из внутренней энергии человека, поэтому:

Мы можем использовать Первый закон термодинамики, чтобы найти тепловую энергию, исчерпываемую человеком:

(3)

Перестановка на:

Мы обнаружили, что тепло отрицательно, что имеет смысл, потому что человек истощает тепловую энергию из тела в окружающую среду, поднимаясь по лестнице.

В качестве альтернативы, мы могли бы сразу знать, что выхлопное тепло должно составлять 4/5 от общей потери внутренней энергии, потому что только 1/5 идет на выполнение полезной работы. Итак, тепло выхлопа должно быть:

По историческим причинам мы часто измеряем тепловую энергию и тепло в единицах калорий ( кал, ), а не в джоулях. На калорию 4,184 джоулей. Мы измеряем химическую потенциальную энергию, хранящуюся в пище, с помощью единиц 1000 калорий или килокалорий ( ккал, ), и иногда мы записываем килокалории как калории ( ккал, ) с заглавной буквы C вместо строчной буквы c .Например, бублик с 350 кал содержит 350 ккал или 350 000 кал . Если перевести в Джоули, это будет бублик.

Примеры на каждый день

Какую долю бублика вам нужно съесть, чтобы восполнить потерю внутренней энергии (в виде химической потенциальной энергии) 47 775 Дж , которую мы рассчитали в предыдущем повседневном примере с подъемом по лестнице?

Есть 1,464,400 J / бублик

Следовательно нам нужно съесть:

Пульсоксиметр — это прибор, который измеряет количество кислорода в крови.Оксиметры можно использовать для определения скорости метаболизма человека, то есть скорости преобразования пищевой энергии в другую форму. Такие измерения могут указывать на уровень спортивной подготовки, а также на наличие определенных медицинских проблем. (кредит: UusiAjaja, Wikimedia Commons)

Пищеварительный процесс — это в основном процесс окисления пищи, поэтому потребление энергии прямо пропорционально потреблению кислорода. Таким образом, мы можем определить реальную энергию, потребляемую во время различных видов деятельности, измеряя использование кислорода.В следующей таблице показаны уровни потребления кислорода и соответствующей энергии для различных видов деятельности.

Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг
Деятельность Энергопотребление в ваттах Расход кислорода в литрах O 2 / мин
Спящий 83 0,24
Сидят в состоянии покоя 120 0.34
Стоя расслабленно 125 0,36
Сидят в классе 210 0.60
Ходьба (5 км / ч) 280 0,80
Езда на велосипеде (13–18 км / ч) 400 1,14
Дрожь 425 1,21
Играет в теннис 440 1,26
Плавание брасс 475 1.36
Каток (14,5 км / ч) 545 1,56
Подъем по лестнице (116 об / мин) 685 1,96
Езда на велосипеде (21 км / ч) 700 2,00
Беговая по пересеченной местности 740 2,12
Играющий в баскетбол 800 2,28
Велоспорт, профессиональный гонщик 1855 5.30
Спринт 2415 6,90

Примеры на каждый день: снова восхождение по лестнице

В предыдущих примерах мы предполагали, что наша механическая эффективность при подъеме по лестнице составляет 20%. Давайте воспользуемся данными из приведенной выше таблицы, чтобы проверить это предположение. Данные в таблице приведены для человека весом 76 кг , который поднимается по 116 ступеням в минуту. Давайте посчитаем скорость, с которой этот человек выполнял механическую работу, поднимаясь по лестнице, и сравним скорость, с которой он израсходовал внутреннюю энергию (первоначально из пищи).

Минимальная стандартная высота ступеньки в США составляет 6,0 дюймов (0,15 м ), тогда потенциальная гравитационная энергия человека весом 76 кг будет увеличиваться на 130 Дж с каждым шагом, как рассчитано ниже:

При подъеме по 116 ступеням в минуту скорость использования энергии или мощности будет:

Согласно нашей таблице данных, тело использует 685 W для подъема по лестнице с такой скоростью. Подсчитаем КПД:

В процентном отношении этот человек имеет 32% механической эффективности при подъеме по лестнице.Возможно, мы недооценили в предыдущих примерах, когда предполагали, что эффективность подъема по лестнице составляет 20%.

Мы часто говорим о «сжигании» калорий, чтобы похудеть, но что это на самом деле означает с научной точки зрения ?. Во-первых, мы действительно имеем в виду потерю массы, потому что это мера того, сколько веществ находится в нашем теле, а вес зависит от того, где вы находитесь (на Луне все по-другому). Во-вторых, наши тела не могут просто обмениваться массой и энергией — это разные физические величины и даже не одинаковые единицы.Так как же нам похудеть, тренируясь? На самом деле мы не удаляем атомы и молекулы, из которых состоят такие ткани тела, как жир, «сжигая» их. Вместо этого мы расщепляем молекулы жира на более мелкие молекулы, а затем разрываем связи внутри этих молекул, чтобы высвободить химическую потенциальную энергию, которую мы в конечном итоге преобразуем в работу и отводим тепло. Атомы и более мелкие молекулы, образовавшиеся в результате разрыва связей, объединяются, образуя углекислый газ и водяной пар (CO 2 и H 2 O), и мы выдыхаем их.Мы также выделяем небольшое количество H 2 O с потом и мочой. Процесс похож на сжигание дров в костре — в итоге у вас остается намного меньше массы золы, чем у оригинальных дров. Куда делась остальная масса? В воздух как CO 2 и H 2 O. То же самое верно и для топлива, сжигаемого вашей машиной. Подробнее об этой концепции смотрите в первом видео ниже. Поистине удивительный факт заключается в том, что ваше тело завершает этот химический процесс без чрезмерных температур, связанных с сжиганием древесины или топлива, которые могут повредить ваши ткани.Уловка организма заключается в использовании ферментов, которые представляют собой узкоспециализированные молекулы, которые действуют как катализаторы для повышения скорости и эффективности химических реакций, как описано и анимировано в начале второго видео ниже.

Подобно эффективности тела, эффективность любого энергетического процесса может быть описана как количество энергии, преобразованной из входной формы в желаемую форму, деленное на исходное входное количество.Следующая диаграмма показывает эффективность различных систем при преобразовании энергии в различные формы. Диаграмма не учитывает стоимость, риск опасности или воздействие на окружающую среду, связанное с требуемым топливом, строительством, техническим обслуживанием и побочными продуктами каждой системы.

Эффективность человеческого тела по сравнению с другими системами
Система Форма входной энергии Желаемая форма вывода Макс.эффективность
Человеческое тело Химический потенциал Механический 25%
Автомобильный двигатель Химический потенциал Механический 25%
Турбинные электростанции, работающие на угле / нефти / газе Химический потенциал Электрооборудование 47%
Газовые электростанции комбинированного цикла Химический потенциал Электрооборудование 58%
Биомасса / Биогаз кинетическая Электрооборудование 40%
Ядерная кинетическая Электрооборудование 36%
Солнечно-фотоэлектрическая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 15%
Солнечно-тепловая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 23%
Гидроэлектростанции и приливные электростанции Гравитационный потенциал Электрооборудование 90% +

Проверьте вкладку энергетических систем в этом моделировании, чтобы визуализировать различные системы преобразования энергии

Внутренняя энергия системы: определение и измерение — видео и стенограмма урока

Типы энергии

Системы такого типа могут представлять собой коробку с кислородом или жидкостью внутри тормозной магистрали велосипеда.Как бы то ни было, частицы, содержащиеся внутри системы, обладают определенным количеством полной энергии. Точнее, внутренняя энергия системы представляет собой сумму кинетической энергии или энергии движения частиц и потенциальной или позиционной энергии частиц.

Частицы внутри газа всегда движутся. Вы знаете, что стреляют повсюду, как астероиды и метеоры, которые часто изображают в научно-фантастических шоу, или как бильярдные шары, отскакивающие от подушек бильярдного стола.Все, что движется, содержит энергию, также известную как кинетическая энергия. Чем быстрее они движутся, тем больше кинетической энергии обладают частицы. Но объекты и частицы также обладают потенциальной энергией. Когда вы поднимаете мяч в воздух и отпускаете его, он падает на землю. Причина, по которой это происходит, заключается в том, что шар, который находится выше, содержит гравитационную потенциальную энергию. Когда вы отпускаете его, эта гравитационная потенциальная энергия высвобождается. Частицы газа такие же. В зависимости от положения относительно других частиц они обладают потенциальной энергией.Чем больше вы разделяете частицы, тем больше у них потенциальной энергии из-за притяжения между ними. Сложите эти два числа — кинетическую энергию плюс потенциальную энергию — для каждой частицы в системе, и вы получите полную внутреннюю энергию этой системы.

Измерение внутренней энергии системы

Хорошо, теоретически это неплохо, но как это сделать на самом деле? Что нужно для измерения внутренней энергии системы?

Что ж, нам нужно измерить кинетическую энергию и потенциальную энергию отдельно.Кинетическая энергия частиц — это то, что вы можете определить в повседневной жизни. Он проявляется как свойство, которое мы слышим всякий раз, когда смотрим прогноз погоды: температуру. Когда воздух горячее, молекулы воздуха движутся быстрее. Вот какая температура. Итак, температура — это мера кинетической энергии частиц. Чем выше температура, тем больше внутренней энергии должна иметь система.

Потенциальную энергию немного сложнее измерить. Но одна вещь, которая имеет отношение к потенциальной энергии, — это фаза или состояние вещества.Твердые вещества, такие как лед или дерево, содержат плотно упакованные частицы, расположенные близко друг к другу. Это означает, что у них меньше потенциальной энергии, например, когда мяч приближается к земле. В жидкостях есть частицы, которые скользят друг вокруг друга и более разделены, чем твердые частицы. У них немного больше потенциальной энергии. А в газах есть частицы, которые разлетаются в стороны, давая им много потенциальной энергии, например, когда мяч поднимается над землей. Когда мы заставляем твердое вещество плавиться в жидкость или жидкость превращаться в газ, мы добавляем энергии в систему за счет тепла.Отсюда потенциальная энергия молекул. Итак, когда вы смотрите на температуру и состояние системы, это две подсказки, которые говорят вам о внутренней энергии, которую она содержит.

Краткое содержание урока

Система — это набор связанных частей. Это могут быть части двигателя, но в термодинамике мы обычно говорим о частицах, которые находятся рядом друг с другом, так что энергия может передаваться между ними. Внутренняя энергия такой системы равна сумме всех кинетических энергий и потенциальных энергий всех частиц внутри нее.Кинетическая энергия — это энергия движения, а потенциальная энергия — это энергия положения или разделения.

Температура — это мера кинетической энергии или энергии движения частиц. Точнее, температура — это средняя кинетическая энергия частиц в веществе. Состояние или фаза — это мера потенциальной энергии частиц. Речь идет о разделении между ними. Больше разделения означает больше потенциальной энергии.

Первый закон термодинамики

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите первый закон термодинамики.
  • Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
  • Укажите примеры первого закона термодинамики, работающие в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
  • Рассчитать изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.

Рис. 1. Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику.По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)

Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой.В форме уравнения первый закон термодинамики: Δ U = Q W .

Здесь Δ U — это изменение внутренней энергии U системы. Q — это чистое тепло , переданное в систему , то есть Q — это сумма всей теплопередачи в систему и из нее. W — это чистая работа , выполненная системой , то есть W — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею.Мы используем следующие условные обозначения: если значение Q положительное, значит, в системе имеется чистый теплоперенос; если значение W положительное, значит, система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом, Δ U = Q W . Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример — в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу.(См. Рис. 2.) Теперь мы рассмотрим Q , W и Δ U .

Рис. 2. Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Q положителен для чистой передачи тепла в систему. W — это общий объем работы, выполненной в системе. W является положительным, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы Δ U связано с теплом и работой по первому закону термодинамики Δ U = Q Вт .

Установление связей: закон термодинамики и закон сохранения энергии

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

Heat

Q и Work W

Теплопередача ( Q ) и выполнение работы ( W ) — два повседневных средства подачи энергии в систему или отвода энергии из системы. Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее, тепло и работа могут дать одинаковые результаты, например, оба могут вызвать повышение температуры.Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в шине велосипеда, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину. Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменять внутреннюю энергию U системы.Внутренняя энергия — это форма энергии, полностью отличная от тепла или работы.

Внутренняя энергия

U

Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами. Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. внутренняя энергия U системы — это сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией.Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями. Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии Δ U как значение, определяемое первым законом термодинамики: Δ U = Q Вт .

Многие подробные эксперименты подтвердили, что Δ U = Q W , где Δ U — это изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул в системе. Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а — не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, U , как обнаружено, является функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например от того, была ли проведена теплопередача или проделана работа.Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем рассчитать изменения ее внутренней энергии U на основе нескольких макроскопических переменных.

Установление соединений: макроскопические и микроскопические

В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчетах поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы.Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию U 1 в состоянии 1 и имеет внутреннюю энергию. энергия U 2 в состоянии 2, независимо от того, как он попал в любое состояние. Таким образом, изменение внутренней энергии Δ U = U 2 U 1 не зависит от того, что вызвало изменение.Другими словами, Δ U не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что Δ U = Q W . И Q , и W зависят от пути , а Δ U — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию U легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.

Пример 1.Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

U производится двумя разными процессами

  1. Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25,00 Дж, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?
  2. Каково изменение внутренней энергии системы, когда в общей сложности 150,00 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159.00 Дж работы выполнено в системе? (См. Рисунок 3).

Рисунок 3. Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа потребляет в общей сложности 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q-W = 9,00 Дж. (b) Теплопередача удаляет 150,00 Дж из система во время работы вкладывает в нее 159,00 Дж, увеличивая внутреннюю энергию на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

Стратегия

В части 1 мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики (Δ U = Q W ) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для Части 1

Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

Q = 40.00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж.

Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

Вт = 10,00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

Δ U = Q Вт = 15,00 Дж — 6,00 Дж = 9,00 Дж

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Во-первых, рассмотрим теплопередачу 40,00 Дж в и 10.00 Дж работы, или Δ U 1 = Q 1 Вт 1 = 40,00 Дж — 10,00 Дж = 30,00 Дж

Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплоотдачи и 4,00 Дж работы на входе, или

Δ U 2 = Q 2 Вт 2 = –25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = –21,00 Дж

Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или Δ U = Δ U 1 + Δ U 2 = 30.00 Дж + (-21,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение по части 1

Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

Решение для Части 2

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны непосредственно равными Q = –150,00 Дж и Вт = –159,00 Дж, так что

Δ U = Q Вт = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение по части 2

Совершенно другой процесс в части 2 дает то же 9.Изменение внутренней энергии на 00 Дж, как в части 1. Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с Δ U , а не с отдельным задействованным Q с или Вт с. Система оказывается в том же состоянии в обеих частях. Части 1 и 2 представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаково — оно не зависит от пути.

Метаболизм человека и первый закон термодинамики

Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир.Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду.Это означает, что Q отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром. Это означает, что W положительный. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку Δ U = Q W отрицательно.

Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Организм метаболизирует всей пищи, которую мы потребляем.По сути, метаболизм — это процесс окисления, при котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи. Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

В химии и биохимии одна калория (обозначается строчной буквой c) определяется как энергия (или передача тепла), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия.Диетологи и любители веса склонны использовать диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C). Одна еда Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать их.

Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток).Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а пища возвращает ее. Если вы едите только нужное количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге Δ U = 0. Если вы постоянно переедаете, то Δ U всегда положительный, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если Δ U будет отрицательным в течение нескольких дней, то организм усваивает собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, отнимающую у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Тело накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным из-за более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа.Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии.

Тело дает нам отличный индикатор того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице.Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики показаны на рисунке 4. Одно большое преимущество законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета осложнения между ними.В таблице 1 представлена ​​сводка терминов, относящихся к первому закону термодинамики.

Рис. 4. (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую организмом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Таблица 1.Краткое изложение терминов первого закона термодинамики, ΔU = Q — W
Срок Определение
U Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, P , V и T ), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
Q Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. Q вход в систему положительный.
Вт Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. W , выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным.

Сводка раздела

  • Первый закон термодинамики задается как Δ U = Q — W , где Δ U — изменение внутренней энергии системы, Q — чистая теплопередача (сумма вся теплопередача в систему и из нее), а Вт — это чистая проделанная работа (сумма всей работы, выполненной в системе или ею).
  • И Q , и W представляют собой энергию в пути; только Δ U представляет собой независимую величину, которую можно хранить.
  • Внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
  • Метаболизм живых организмов и фотосинтез растений — это особые виды передачи тепла, выполнения работы и внутренней энергии систем.

Концептуальные вопросы

  1. Опишите фотографию чайника в начале этого раздела с точки зрения теплопередачи, проделанной работы и внутренней энергии. Как передается тепло? Какая работа и что делается? Как чайник поддерживает свою внутреннюю энергию?
  2. Первый закон термодинамики и закон сохранения энергии, как обсуждалось в «Сохранении энергии», явно связаны.Чем они различаются по рассматриваемым видам энергии?
  3. Теплопередача Q и выполненная работа Вт — это всегда энергия в пути, тогда как внутренняя энергия U — это энергия, запасенная в системе. Приведите пример каждого типа энергии и конкретно укажите, как он передается или находится в системе.
  4. Чем отличаются теплопередача и внутренняя энергия? В частности, что можно сохранить как таковое в системе, а что нет?
  5. Если вы сбежите по лестнице и остановитесь, что произойдет с вашей кинетической энергией и вашей начальной гравитационной потенциальной энергией?
  6. Дайте объяснение того, как пищевая энергия (калории) может рассматриваться как молекулярная потенциальная энергия (в соответствии с атомарным и молекулярным определением внутренней энергии).
  7. Определите тип энергии, передаваемой вашему телу в каждом из следующих случаев: внутренняя энергия, теплопередача или выполнение работы: (а) купание в солнечном свете; (б) употребление пищи; (c) подъем на лифте на более высокий этаж.

Задачи и упражнения

  1. Как изменится внутренняя энергия автомобиля, если в его бак залить 12 галлонов бензина? Энергетическая ценность бензина составляет 1,3 · 10 9 · 1066 8 9 · 1067 Дж / гал. Все остальные факторы, например температура в автомобиле, постоянны.
  2. Сколько тепла происходит от системы, если ее внутренняя энергия уменьшилась на 150 Дж, пока она выполняла 30,0 Дж работы?
  3. Система выполняет 1,80 × 10 8 Дж работы, в то время как 7,50 × 10 8 Дж теплопередачи происходит в окружающую среду. Каково изменение внутренней энергии системы при отсутствии других изменений (например, температуры или добавления топлива)?
  4. Каково изменение внутренней энергии системы, которая выполняет работу 4,50 × 10 5 Дж, а 3.00 × 10 6 Дж происходит теплопередача в системе, а 8.00 × 10 6 Дж теплопередачи происходит в окружающую среду?
  5. Предположим, что женщина выполняет 500 Дж работы, и в процессе работы происходит 9500 Дж передачи тепла в окружающую среду. а) Как уменьшается ее внутренняя энергия, если не меняется температура или потребление пищи? (То есть другой передачи энергии нет.) Б) Какова ее эффективность?
  6. (а) Сколько пищевой энергии человек усвоит в процессе усвоения 35.0 кДж работы при КПД 5,00%? б) Сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать постоянную температуру?
  7. (а) Какова средняя скорость метаболизма в ваттах человека, который усваивает 10 500 кДж пищевой энергии за один день? (б) Какое максимальное количество работы в джоулях он может выполнить без расщепления жира, предполагая максимальную эффективность 20,0%? (c) Сравните его производительность с дневной мощностью двигателя 187 Вт (0,250 лошадиных сил).
  8. (a) На сколько времени хватит энергии в стакане йогурта на 1470 кДж (350 ккал) у женщины, выполняющей работу с мощностью 150 Вт с эффективностью 20?0% (например, при неспешном подъеме по лестнице)? (б) Означает ли время, указанное в части (а), что легко потребить больше пищевой энергии, чем вы можете разумно ожидать, работая с упражнениями?
  9. (a) Женщина, поднимающаяся на памятник Вашингтону, усваивает 6,00 × 10 2 кДж пищевой энергии. Если ее КПД составляет 18,0%, сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать ее температуру постоянной? (б) Обсудите величину теплопередачи, указанную в (а). Это согласуется с тем, что вы быстро разминаетесь во время тренировки?

Глоссарий

первый закон термодинамики: утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой

внутренняя энергия: сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы

метаболизм человека: преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,6 × 10 9 Дж

3. −9.30 × 10 8 Дж

5. (а) -1,0 × 10 4 Дж, или -2,39 ккал; (б) 5,00%

7. (а) 122 Вт; (б) 2,10 × 10 6 Дж; (c) Работа двигателя составляет 1,61 × 10 7 Дж; таким образом, двигатель производит в 7,67 раз больше работы, чем человек

9. (а) 492 кДж; (б) Такое количество тепла соответствует тому факту, что вы быстро согреваетесь во время тренировки. Поскольку организм неэффективен, выделяемое избыточное тепло должно рассеиваться через потоотделение, дыхание и т. Д.

Теплофизика — IB Physics

См. Руководство по этой теме.

3.1 — Тепловые концепции

  • Молекулярная теория твердых тел, жидкостей и газов

Молекулы удерживаются вместе межмолекулярными силами.

Четвертое состояние плазмы не требуется изучать в текущей программе.

  • Температура и абсолютная температура

Температура описывает, насколько горячий или холодный объект, и определяет направление теплового потока между двумя телами.

Тепловая энергия передается от объекта с более высокой температурой к другому объекту с более низкой температурой. Передача энергии называется теплом (поток энергии из-за разницы температур). Объекты, находящиеся в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру.

Температуру в градусах Кельвина можно рассчитать, вычтя температуру в градусах Цельсия на 273,15.

Абсолютная температура тела по шкале Кельвина прямо пропорциональна средней кинетической энергии, приходящейся на молекулу внутри тела.

Абсолютный ноль равен 0K или -273 градуса Цельсия.

Температура не может быть ниже абсолютного нуля. Это температура, при которой частицы имеют нулевую среднюю кинетическую энергию (отсутствие случайного движения).

Внутренняя энергия — это сумма полной кинетической энергии (полной тепловой энергии) и полной потенциальной энергии.

Кинетическая энергия — это энергия, связанная со случайными / поступательными вращательными движениями молекул.

Потенциальная энергия связана с силами между молекулами.

Удельная теплоемкость вещества определяется как

.

и определяется количеством тепла, необходимым для повышения температуры 1 кг вещества на 1 К.

Различные вещества имеют разную удельную теплоемкость из-за разной плотности и физических свойств.

FYI

Теплоемкость объекта определяется как Q = cθ (или Q = cΔT) и определяется количеством тепла, необходимым для повышения температуры объекта на 1K.

Изменение фазы Процесс Кинетическая энергия Потенциальная энергия
От твердого до жидкого Плавка Без изменений Увеличивается
От жидкости до твердого вещества Замораживание Без изменений Уменьшается
От жидкости к газу Кипячение Без изменений Увеличивается
Газ — жидкость Конденсация Без изменений Уменьшается

Во время фазового перехода температура и кинетическая энергия остаются постоянными, а потенциальная энергия изменяется (которая увеличивается по мере распространения молекул и наоборот).

FYI

Кипение: Происходит только при температуре кипения (определенная температура в зависимости от вещества) и происходит во всей жидкости.

Испарение: Может происходить при любой температуре и происходит только на поверхности жидкости. Наиболее быстро движущиеся частицы испаряются, уменьшая средний KE остальных частиц. В результате температура падает.

Удельная скрытая теплота вещества определяется как

.

Удельная скрытая теплота плавления: Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг вещества из твердого в жидкое без изменения температуры.

Удельная скрытая теплота испарения: Количество тепла, необходимое для преобразования 1 кг вещества из жидкости в газ без изменения температуры.

3.2 — Моделирование газа

Давление определяется как нормальная сила на единицу площади и определяется уравнением

  • Уравнение состояния идеального газа

, где R = 8.31 (Дж / моль / К)

  • Кинетическая модель идеального газа

Предположения:

  • Столкновения между молекулами совершенно упругие.
  • Молекулы идентичны сферам.
  • Объем молекул ничтожно мал по сравнению с объемом газа.
  • Молекулы не взаимодействуют друг с другом, кроме случаев, когда они постоянны.

Последствия:

Абсолютная температура прямо пропорциональна среднему KE и средней скорости молекул идеального газа.

  • Моль, молярная масса и постоянная Авогадро

Моль:

  • Как и слово «дозон», моль — это единица измерения.23 называется постоянной Авогадро.
  • Количество молей вещества можно рассчитать, разделив количество молекул этого вещества на константу Авогадро.

Молярная масса:

  • Молярная масса — это масса 1 моля любого элемента или соединения.
  • Различные материалы / элементы имеют разные молярные массы, которые можно найти как Mr в периодической таблице.

Константа Авогадро:

6.23

  • Различия между реальным и идеальным газами

Идеальный газ основан на списке предположений, изложенных ранее. Однако в реальных газах такие предположения могут не соответствовать действительности.

  • В реальных газах между молекулами газа существуют силы (межмолекулярные силы).
  • Объем молекул нельзя пренебречь по сравнению с объемом газа в реальных газах.

Настоящие газы могут вести себя так же, как идеальные газы при высоких температурах и низком давлении.

Как это:

Нравится Загрузка …

ЧТО ТАКОЕ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ? — Swiflearn

Нажмите, чтобы оценить этот пост!

[Всего: 1 Среднее: 5]

Внутренняя энергия, возникающая из молекулярного состояния движения материи, является формой энергии, присущей любой системе. Внутренняя энергия обозначается буквой U, а единицей измерения является джоуль (Дж).

Внутренняя энергия увеличивается при повышении температуры и при переходе состояния или фазы вещества от твердого состояния к жидкости и жидкости к газу.Планетарные тела можно рассматривать как тепловые резервуары и тепловые двигатели вместе взятые. Внутренняя энергия E накапливается в тепловых резервуарах, и часть ее преобразуется в механическую, электрическую и химическую энергию тепловыми двигателями.

Объяснение внутренней энергии

Внутренняя мощность Накопленная кинетическая энергия, обусловленная движением молекул, а также потенциальная энергия, связанная с колебательным движением и электрической энергией атомов внутри молекул, составляет U системы или тела с четко определенными границами.Энергия всех химических связей входит во внутреннюю энергию. Внутренняя энергия может проявляться множеством способов на микроскопическом уровне. Любое вещество или отталкивание между отдельными молекулами.

Внутренняя энергия — это большая величина, которая является функцией состояния системы. У одного может быть соответствующее интенсивное термодинамическое свойство, называемое реальной внутренней энергией, которая представляет собой внутреннюю энергию на массу рассматриваемого материала и обычно обозначается строчной буквой u.В результате Дж / г будет единицей измерения реальной внутренней энергии в системе СИ. Если внутренняя энергия выражается в объеме вещества, она называется молярной внутренней энергией, а единицей измерения является Дж / моль.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЫ

Внутренняя энергия замкнутой системы по существу характеризуется

∆U = q + W

Здесь,

  • U — это изменение внутренней энергии системы во время работы.
  • Теплота q.
  • Механическая работа обозначается буквой W.

Если существует разница температур между системой и ее окружением, энергообмен проявляется в виде тепла; в противном случае это выглядит как работа. Энергия передается как работа, когда сила воздействует на устройство на большом расстоянии. Приведенное выше уравнение показывает, что энергия сохраняется.

ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

Любой материал имеет фиксированное количество энергии, которое определяется его химическим составом и текущим состоянием существования.Внутренняя энергия — это термин для этого. Любой материал имеет внутреннее значение энергии, равное энергиям всех его компонентов, таких как электроны, ионы или молекулы.

Во время химических реакций происходит сдвиг внутренней энергии. Разницу между внутренними энергиями двух состояний можно использовать для расчета изменения внутренней энергии реакции.

Начальные энергии в состояниях A и B соответственно равны EA и Eb. Тогда разница в начальных энергиях между двумя состояниями будет

.

∆U = EB — EA

Внутренняя энергетическая щель имеет фиксированное значение и не зависит от направления между двумя состояниями A и B.Несоответствие внутренней энергии продуктов и реагентов можно назвать сдвигом внутренней энергии химической реакции.

Eproducts — Ereactants = ∆U

В результате U является функцией состояния для внутренней энергии. Это означает, что U не зависит от направления и зависит только от начального и конечного состояний. Другими словами, даже если переход осуществляется другим способом, U останется прежним.

Модель частицы, удельная скрытая теплота, внутренняя энергия, изменение состояния давления газа, эксперименты по исследованию кривой охлаждения и нагрева igcse / O level / gcse Physics revision notes

Применение теории моделей частиц к передаче энергии при изменении состояния


Что такое внутреннее
энергия и скрытое тепло?


Движение частиц в газах и давление газа

Док Брауна
Примечания к редакции школьной физики: физика GCSE, физика IGCSE, O level
физика, ~ 8, 9 и 10 школьные курсы в США или эквивалентные для ~ 14-16 лет
студенты-физики


Подиндекс этой страницы

1.Вступление
использовать кинетические
теория частиц для объяснения состояний материи

2.
Какова внутренняя энергия вещества

3.
Передача энергии при изменении состояния и сохранение массы

4а.
Введение в скрытое тепло и состояние
изменения

4б.
Кривая нагрева
— постоянно увеличивая внутреннюю энергию системы

4с.
Кривая охлаждения
— неуклонно снижается внутренняя энергия системы

4д.Некоторые повседневные примеры скрытого
тепло — передача внутренней энергии

4e.
Определение удельной скрытой теплоты

4f.
Примеры отработанных
тепловые расчеты с учетом удельной скрытой теплоты

5а.
Модель частиц газа — движение и давление газа

5б.
Принимая во внимание
внутреннее и внешнее давление баллона с газом — эффекты
изменение количества, объема или температуры

5c.Увеличение энергии
запас газа — проделанные работы и температурные воздействия

6.
Факторы, влияющие на
скорость испарения и конденсации

7.
Какая самая низкая температура возможна? Кельвин абсолютный
шкала температур



1.
ВВЕДЕНИЕ

to u
петь кинетический
теория частиц для объяснения свойств трех различных состояний материи

Модель частиц была разработана для объяснения
свойства трех состояний материи, а именно газа, жидкости и твердого тела.

Модель частиц также позволяет описать
изменения состояния между газом, жидкостью и твердым состоянием материала.

Для изменения состояния материала требуется либо
подвод тепла или отвод тепла от материала, и это называется
скрытая теплота . и рассмотреть
понятие внутренней энергии.

Приведенные ниже «модельные» изображения частиц дают вам представление о том, как
состояния вещества (газ, жидкость и твердое тело) рассматриваются при применении теоретических идей
чтобы объяснить, как ведут себя три состояния материи, особенно когда они подвергаются
изменение температуры.

Вы должны уметь распознать
простые диаграммы для моделирования разницы между твердыми телами, жидкостями и газами
— три состояния материи.


Газы
: Почти
нет сил притяжения между частицами газа, у них самая кинетическая
энергии трех состояний, частицы могут свободно перемещаться
случайным образом, и они движутся с высокой скоростью во всех направлениях — так что у них есть
более высокий запас кинетической энергии, чем у жидкостей.Свободное перемещение
частицы обладают кинетической энергией движения и много пустого пространства
между частицами.


Жидкости
: Есть слабые
силы притяжения между частицами жидкости (если бы их не было, вы не смогли бы
есть жидкость!), частицы расположены относительно близко друг к другу, но могут свободно
перемещаться наугад, но с меньшей скоростью, чем на газе. Свободное перемещение
частицы по-прежнему обладают кинетической энергией движения из одного места в другое — не так много
кинетическая энергия хранится в виде газов.


Твердые тела
: В твердых телах есть
более сильные силы притяжения между частицами, что предотвращает
частицы движутся и проходят друг мимо друга. Частицы удерживаются в
фиксированные позиции в регулярном расположении. Их еще более низкая кинетическая энергия составляет
из-за колебаний частиц (атомов или молекул) вокруг своего среднего значения или
средние позиции в кристаллической структуре. Таким образом, твердые тела практически не имеют запаса кинетической энергии движения.
из одного места в другое, как в случае с газами или жидкостями.

См. Также
Плотность материалов и модель частиц материи

, и

Более подробные описания состояний
материи


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



2. Какова внутренняя энергия вещества

(Сокращение KE от кинетической энергии)

  • частицы твердых тел,
    жидкости и газы имеют кинетическую энергию (KE).

  • В твердых телах частицы колеблются с
    кинетическая энергия, но не может перемещаться в другое положение, но в газах и
    В жидкости частицы свободно перемещаются с места на место с кинетической энергией.

  • Частицы также имеют
    энергии в своих потенциальных хранилищах энергии из-за их позиций

    движение от их кинетической энергии удерживает их разделенными, поскольку оно противодействует
    силы, притягивающие частицы вместе.

    • Частицы в газах имеют наибольшее
      потенциальная энергия, потому что они находятся дальше всего друг от друга.

    • В порядке потенциальной энергии: газы >>
      жидкости> твердые вещества

    • Помните, что на
      среднее между частицами жидкости, но практически не между частицами
      твердый.

  • Следовательно, внутренняя энергия системы сохраняется
    частицами (атомами, ионами, молекулами) из-за их кинетической энергии
    и интервал-положение.

  • При нагревании системы энергия
    переносятся на частицы, например, в газах и жидкостях они движутся быстрее
    (увеличение KE движения от одного места к другому) или частицы
    колеблются сильнее в твердом теле (увеличение KE колебаний), поэтому
    внутренняя энергия увеличивается при нагревании материала
    .

    • Здесь за счет повышения температуры n
      увеличение накопителя тепловой энергии фактически является увеличением
      накопитель кинетической энергии частиц
      .

  • Это поглощение тепла, т.е. увеличение
    внутренняя энергия может вызвать повышение температуры ИЛИ изменение состояния
    например плавление или кипение, если частицам дается достаточно тепла
    энергия.

  • Удаление тепла уменьшает внутреннее
    энергии, поэтому материал охлаждается до более низкой температуры ИЛИ претерпевает изменение
    государства например конденсация или замерзание.

  • Размер изменения зависит от модели
    подводимая энергия
    , масса задействованного вещества и удельный
    теплоемкость
    (что зависит от характера материала).

  • См.
    Удельная теплоемкость: как ее определить, использование данных,
    расчеты и накопители тепловой энергии


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



3.

Передача энергии при изменении состояния и сохранение массы

  • А также передача тепловой энергии посредством
    проводимость, конвекция и излучение, изменения состояния, такие как испарение и конденсация
    также включает в себя передачу тепловой энергии, и модель частиц может быть использована для
    объясните им.


    • НА ОТОПЛЕНИЕ
      — добавление тепловой кинетической энергии, увеличение внутренней энергии

    • При нагревании твердого
      колебательная кинетическая энергия частиц увеличивается до тех пор, пока у них не будет достаточно KE для
      ослабить межчастичные связи, чтобы позволить расплавить , и частицы станут свободными
      перемещаться в жидком состоянии.

    • С дополнительным обогревом выше
      точки плавления, частицы получают больше кинетической энергии, а связи между частицами еще больше ослабляются, так что частицы на поверхности с самым высоким KE могут
      выходят с поверхности ( испаряются, ) или испаряются в газообразное состояние в объеме жидкости
      (пузыри!) при температуре кипения .

    • На графике ниже показано, как распределение кинетической энергии и скорости
      частиц изменяется при изменении температуры — при увеличении
      температура, средняя скорость и кинетическая энергия частиц увеличивается на
      .

    • Обратите внимание, что случайное движение и столкновения
      частицы создают широкий диапазон скоростей / кинетических энергий.

    • При повышении температуры большее количество частиц
      большая кинетическая энергия и большая скорость, , но только самые высокие
      скорость / кинетическая энергия частицы могут вылетать с поверхности
      (только
      крайняя правая часть графика кривых)

    • Ниже
      модель испарения частиц
      .


  • НА ОХЛАЖДЕНИИ
    — удаление тепловой кинетической энергии — уменьшение внутренней энергии

  • Если охладить вещество, обратное
    происходит например охладить газ, чтобы межчастичные связи приносили частицы
    вместе конденсироваться и образовывать жидкость.

  • Дальнейшее охлаждение снижает KE
    жидкие частицы, чтобы при понижении температуры до точки замерзания
    точка, межчастичные силы достаточны, чтобы «забить» частицы
    вместе, чтобы сформировать твердое тело.


  • Все эти изменения физического состояния
    обратимый
    путем добавления или удаления тепловой энергии, новые вещества не образуются
    ( НЕ химическое изменение ) и все
    масса сохраняется . Вы начинаете с
    то, чем вы закончите, и все первоначальные свойства сохраняются.

  • Единственная разница между состояниями
    вещества — это то, как расположены частицы
    (как описано в
    секция 1.выше).

  • Обратите внимание, что в
    замкнутая система, масса
    сохраняется в системе, состояние которой изменяется.

    • Если растопить 100 г льда, получится 100 г
      воды!

    • Однако даже при сохранении массы вы
      может получить изменение объема, кроме воды, при той же массе жидкости занимают
      немного больший объем, а газы занимают значительно больший объем, чем
      жидкая или твердая форма.

    • Лед необычен, чем твердый лед.
      кристаллы менее плотны, чем вода, поэтому лед плавает!


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4.
Изменения состояния и скрытая теплота


4а.

Введение в
скрытая теплота и изменения состояния г <=> л <=> с

  • Энергия, необходимая для изменения физического состояния
    вещество при постоянной температуре называется скрытой теплотой.

  • Имеется два значения скрытой теплоты:

  • Историческое любопытство — скрытое тепло
    («скрытое» тепло), которое было необъяснимо до тех пор, пока теория частиц материи
    была разработана и понимание межчастичных связей.


  • Изменения состояния можно представить в виде
    графики температура — время.

    • Кривая отопления — повышение температуры
      за счет добавления тепловой энергии, увеличивая
      внутренняя энергия системы.

    • Кривая охлаждения — снижение температуры
      за счет отвода тепловой энергии, уменьшая
      внутренняя энергия системы.

    • НО, графики не простые «кривые»,
      есть горизонтальные участки, которые необходимо пояснить с помощью концепции
      скрытая теплота.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4b.Кривая нагрева

— постоянно увеличивая внутреннюю энергию системы

  • Когда твердое тело нагревается от твердого
    состояние в газообразное состояние и измеренная температура системы
    непрерывно, на графике есть два горизонтальных участка, где
    температура не повышается, несмотря на постоянный подвод тепловой энергии
    (постоянный нагрев). Типичные результаты показаны на кривой нагрева .
    график
    ниже.

  • Этот
    называется КРИВАЯ НАГРЕВА

  • По мере того, как вы нагреваете вещество, вы увеличиваете внутреннюю энергию . НО температура остается постоянной во время изменения состояния плавления.
    при температуре Tm и кипения при температуре Tb (см. диаграмму выше).

  • Это потому, что вся лишняя («скрытая») энергия поглощается
    нагрев при этих двух температурах
    (так называемая скрытая теплота изменения состояния),
    идет на ослабление межчастичного
    силы (межмолекулярные связи).

  • Прирост тепловой энергии в этой точке равен
    тепловая энергия
    поглощено необходимо
    уменьшить межчастичные силы
    при плавлении или кипении — скрытая теплота .

  • При изменении состояния температура остается
    постоянный, пока вся скрытая теплота не будет поглощена и состояние не изменится
    завершена, поэтому повышения температуры не произойдет.

  • Между «горизонтальным» изменением состояния
    разделах графика, вы можете видеть, что подводимая энергия увеличивает
    кинетическая энергия частиц и повышение температуры
    вещества, как вы ожидаете, поскольку внутренняя энергия увеличивается.

  • Для этих изменений состояния у вас есть добавление
    скрытая теплота плавления при температуре Tm
    и добавке
    скрытая теплота кипения при температуре Tb
    .

  • Диаграмма, включающая

    коричневые полустрелы
    показывает, что происходит с запасами энергии на кривой нагрева.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4c.

Кривая охлаждения

— неуклонно уменьшая внутреннюю энергию системы

  • Охлаждая вещество, вы уменьшаете внутреннюю энергию . НО температура остается постоянной при изменении состояния
    уплотнение
    при температуре Tc и замерзания при температуре Tf (см. диаграмму ниже).

  • Аналогично при охлаждении газа от
    газовое состояние в твердое состояние и температура системы
    измеряется непрерывно, на графике есть два горизонтальных участка
    где температура не падает, несмотря на постоянное удаление
    тепловая энергия (непрерывное охлаждение).Типичные результаты показаны на графике кривой охлаждения ниже.

  • Этот
    называется КРИВАЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

  • По мере того, как вы охлаждаете вещество, вы уменьшаете внутреннюю энергию. НО температура остается постоянной при изменении состояния конденсации.
    при температуре Tc и замерзание / затвердевание при температуре Tf.

  • Это потому, что все лишнее
    («скрыто») тепловая энергия, удаляемая при охлаждении при этих температурах (
    скрытая теплота изменения состояния), снижает
    KE и потенциальная энергия частиц.

  • Потеря тепла компенсируется повышенной межмолекулярной силой.
    притяжение, выделяющее тепловую энергию.

  • При изменении состояния температура остается
    постоянным, пока не будет снята вся скрытая теплота и состояние не изменится
    завершена, поэтому падение температуры не может произойти.

  • Между «горизонтальными» участками изменения состояния
    На графике видно, что «отвод» энергии снижает кинетическую энергию
    частицы, понижающие температуру вещества.

  • Для этих изменений состояния у вас есть удаление
    скрытая теплота конденсации при температуре Tc и отвода
    скрытая теплота замерзания при температуре Тф .

  • Диаграмма, включающая

    синие полустрелки
    показывает, что происходит с накопителями энергии на кривой охлаждения.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4г.Некоторые повседневные примеры скрытого
тепло — передача внутренней энергии

  • Если материалы разные
    температуры находятся в контакте друг с другом, будет
    внутренняя энергия передача тепловой энергии от более горячего материала к
    более холодный материал.

  • (1)
    Использование льда для охлаждения напитка

    • Когда вы добавляете лед в напиток, чтобы охладить его,
      происходит изменение внутренней энергии с участием скрытой теплоты
      таяние
      .

    • Лед имеет более низкую температуру, чем
      жидкий напиток.

    • Жидкие частицы с более высокой энергией
      передают кинетическую энергию льду
      , увеличивая его внутреннюю энергию .

    • Достаточная тепловая энергия — скрытая
      теплота плавления
      , поглощается льдом, чтобы растопить его.

    • Энергия нужна, чтобы ослабить
      межмолекулярные силы
      между молекулами воды во льду
      достаточно, чтобы вызвать плавление — когда частицы обладают достаточной энергией, чтобы
      освободиться от сил притяжения между частицами.

    • Лед нагревается, а напиток остывает
      вниз — внутренняя передача тепловой энергии!

  • (2)
    Холодильник —
    морозильная камера

    • В холодильной системе электрическая
      насос используется для сжатия газа сжижать его — это насос-компрессор
      вызывает конденсацию и высвобождает скрытое тепло
      конденсация.

    • Затем жидкости дают испариться,
      поглощая его скрытую теплоту испарения .

    • Это тепловая внутренняя энергия взята
      из содержимого холодильника с морозильной камерой
      .

    • Внутренняя энергия морозильной камеры
      содержание уменьшается, понижая температуру пищи.

    • Ты чувствуешь теплый воздух в задней части
      ваш холодильник, это из-за выделения скрытой теплоты конденсации.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4e. Определение удельной скрытой теплоты

  • Удельная скрытая теплота
    вещество — количество энергии, необходимое для изменения 1 кг материала
    из одного состояния в другое без изменения температуры.

    • (a) При нагревании материала для
      изменение состояния e.грамм. плавления или кипения, удельная скрытая теплота должна быть
      добавлен.

    • (b) При охлаждении материала до
      изменение состояния, например конденсации или замерзания, удельная скрытая теплота должна
      быть удалены (освобождены) из системы.

  • Значения удельной скрытой теплоты различаются
    от вещества к веществу из-за разных значений
    межчастичные силы (межмолекулярная связь), а также изменение состояния
    сам для конкретного вещества (твердое <=> жидкое ИЛИ жидкое <=> газ).

  • Вообще говоря, скрытая теплота
    кипение / конденсация численно намного больше, чем скрытая теплота
    плавление / замораживание.

  • Скрытая теплота изменения состояния
    твердое тело <=> жидкость называется удельной скрытой теплотой плавления
    (для плавления или замораживания).

  • Скрытая теплота изменения состояния
    жидкость <=> газ называется удельной скрытой теплотой
    испарение
    (для конденсации, испарения или кипячения)

  • Конкретный
    теплоемкость рассматривается на отдельной странице


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



4f.Примеры выработанной удельной скрытой теплоты
расчеты

  • Для выработки необходимой энергии или
    выпущены для изменения состояния массы m вещества следующие
    применяется формула


    • передача тепловой энергии =
      масса x
      удельная скрытая теплоемкость

    • E (Дж) = m (кг) x L (Дж / кг)

    • E =

      мл

    • Вам также может понадобиться
      в
      уравнение удельной теплоемкости

      • e нервный
        перенесенная = масса x удельная теплоемкость x изменение температуры


      • E (Дж) = м (кг) x
        SHC (Дж / кг o C) x ∆T ( o C)

      • SHC часто обозначается c, ∆T
        часто обозначается как ∆θ

      • , поэтому уравнение просто
        E = mc∆T
        или E =
        mc∆θ

      • Немного неприятно, что
        одна и та же нотация не используется единообразно, но привыкните к ней!

    • Вам также может понадобиться электричество
      уравнения мощности
      P (W) = I
      (A) x V (V) или
      P (Вт) = E (Дж) / т (с)

  • Некоторые примеры
    расчет скрытой теплоты


    • Q1
      Скрытая теплота плавления
      вода 334000 Дж / кг (334 кДж / кг).

    • Q2 Удельная скрытая теплота
      испарение воды составляет 2 265 000 Дж / кг (2265 кДж / кг).

      • Сколько энергии нужно для кипячения 250
        г воды при 100 o ° C?

      • 250 г = 250/1000 = 0,25 кг

      • E = mL = 0,25 x 2 265 000 =
        566
        250 Дж = 566 кДж
        или 5.66 x 10 5 J
        (3 SF)


    • Q3
      Для алюминия скрытое тепло
      плавления составляет 397000 Дж / кг, а скрытая теплота парообразования составляет 11 400
      000 Дж / кг.

      • Сколько энергии нужно для
        полностью испаряется 1,5 кг алюминия

      • Для плавления: E = mL = 1.5 х 397 000 =
        595500 Дж, 595,5 кДж

      • Для испарения :: E = mL = 1,5 x 11
        400000 = 17100000 Дж, 17100 кДж

      • Общая необходимая энергия = 595,5 +
        17 100 =
        17700 кДж
        или же
        1,77 х 10 7
        J (3 SF)


    • Q4
      Какую массу льда можно растопить?
      на 1 миллион Дж тепловой энергии?

      • Скрытая теплота плавления воды 334
        000 Дж / кг

      • E = mL, перестановка дает m = E /
        L

      • м = 1000000/334 000 =
        3.0 кг


    • Q5
      В эксперименте 5 г твердого
      Для плавления золота потребовалось 322 Дж тепловой энергии при температуре 1063 o C.

      • Рассчитайте скрытую теплоту плавления золота.

      • 5 г = 5/1000 = 0,005 кг

      • E = mL, перестановка дает L = E / m

      • L = 322/0.005 =
        64400 Дж / кг

    • Примеры Q6 и Q7 немного
      сложнее работать, так что посмотрите, последуете ли вы аргументам!


    • Q6

      (а) Сколько
      энергия необходима для преобразования 500 г льда при 0 o C в пар
      при 100 o ° C?

      Вам нужны еще три штуки
      информации для завершения расчета и трех
      промежуточные расчеты, чтобы прийти к окончательному ответу.

      SHC воды 4180 Дж / кг o C,
      скрытая теплота плавления воды (льда) составляет 334 000 Дж / кг, а
      скрытая теплота парообразования воды 2265000 Дж / кг и 550 г
      = 0,50 к.

      (i) Энергия для плавления
      лед
      :

      • E = мл

      • E = 0,5 x 334 000

      • E = 167000 Дж

      (ii) энергии для подъема
      температура воды
      ° C от 0 o C до 100 o C:

      (iii) Энергия кипения
      вода
      при 100 o C:

      (iv) Наконец, добавьте все из (i)
      к (iii) вместе.


    • (б)
      Если вы следили
      повышение температуры со временем по мере нагрева льда, эскиз
      график температуры — времени, который вы можете ожидать, и объясните его особенности.

      • Изначально лед тает при температуре 0 o C.
        и смесь льда / воды остается при постоянной температуре, пока
        поглощается скрытая теплота плавления.

      • Затем жидкая вода устойчиво
        Температура повышается до тех пор, пока точка кипения не достигнет 100 o C.

      • Температура воды тогда
        остается постоянной при 100 o C, поскольку вода выкипает,
        поглощение скрытой теплоты испарения.


    • Q7
      Глыба льда
      при -10 o C плавили и далее нагревали до 20 o C.

      • ППП льда 2100 Дж / кг o C,
        SHC воды составляет 4180 Дж / кг, 9 · 1066 o 9 · 1067 C, а скрытая теплота
        плавления воды (льда) 334 000 Дж / кг.


      • (a)
        Если 200 000 Дж из
        ко льду подавалась тепловая энергия, какая была исходная
        масса льда?

        • Это включает в себя несколько этапов
          расчета и какой-то четкой логической мысли!

        • Пусть м масса
          лед.

        • (i) Энергия, необходимая для нагрева
          лед от -10 o C до 0 o C.

        • (ii) Энергия, необходимая для плавления
          лед

        • (iii) Энергия, необходимая для обогрева
          вода от 0 o C до 20 o C.

        • (iv) Общая необходимая энергия

        • (v) Теперь полная энергия
          требуется = общая поставленная энергия


      • (b)
        Если вы
        следил за повышением температуры со временем, набросал температуру —
        график времени, который вы могли бы ожидать и объяснить его особенности.

        • Первоначально твердый лед
          устойчиво нагревается от -10 o C до температуры плавления
          достигается при 0 o C.

        • Температура остается
          постоянный, поскольку лед тает, поглощая скрытое тепло
          слияние.

        • Когда весь лед растает
          температура воды постоянно повышается до 20 o C
          поскольку молекулы получают кинетическую энергию движения от места к
          место.


    • Q8
      A 500 Вт
      Нагревательный элемент используется для нагрева 1,50 кг твердого вещества до тех пор, пока он не станет ровным.
      достигает точки плавления, но еще до того, как начинает плавиться.

      • Если потребуется на 10,0 минут больше
        нагрева, чтобы расплавить все твердое, что такое скрытая теплота
        сплавление твердого тела?

      • P (Вт) = E / t (Дж / с)

      • поставленная энергия = E = P x t =
        500 x 10 x 60 = 300 000 Дж

      • тепловыделение скрытой теплоты = 300 000
        / 1.5 = 200 000
        Дж / кг

    • Q9


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



5а.
Модель частиц газа — движение и давление газа

  • Все
    частицы имеют массу
    , и их движение дает им кинетическую энергию и
    импульс.

  • Частицы в газе находятся в постоянном
    случайное движение — случайное направление, различные скорости и кинетические
    энергии.

  • Хотя столкновения происходят случайно
    в любом направлении возникает равнодействующая сила , действующая под прямым углом к
    любая поверхность
    .

  • Давление газа будет всегда,
    если контейнер не находится под вакуумом, без частиц — без столкновений — нет
    давление!

  • Когда быстро движутся частицы газа
    сталкиваются с поверхностью, их миллионы ударов создают силу, которую мы
    измерить как давление газа — суммарную силу ударов на единицу площади.

  • Частицы сталкиваются с контейнером
    поверхность полностью случайна и ударяется под любым углом, НО, эффект
    создать чистую силу под прямым углом к ​​поверхности — давление газа!

  • Более сильные столкновения на
    поверхность или большее количество столкновений на единицу площади поверхности,
    чем выше давление, если объем газа остается постоянным.

    • Если температура поддерживается постоянной и
      объем увеличился, удары стали более распространенными и менее частыми за
      единицу площади, поэтому давление газа снижается.

    • И наоборот, если газ
      сжатие в меньший объем при постоянной температуре, число
      ударов на единицу площади увеличивается, поэтому давление увеличивается.

    • Если стенки газового баллона
      являются «гибкими» (например, баллон), объем будет постоянным только тогда, когда
      внутреннее и внешнее давления равны.

    • Из измерений объемов и
      давление газов при постоянном давлении, числовой обратный закон может
      быть сформулированы — см. график справа.

    • давление x объем = постоянная
      (при постоянной температуре)

    • pV = постоянная

    • p = давление в паскалях (Па =
      Н / м 2 ),
      V = объем (м 3 )

    • Вы можете подключить два давления и
      два объема по простому уравнению

    • p 1 x V 1
      = p 2 x V 2

    • , где 1 представляет оригинал
      условия, и 2 конечная ситуация, если принудительное изменение p 1
      или V 1 .


    • Примеры простого газа
      расчеты

Дополнительные расчеты по газу см. В

P-V-T давление-объем-температура газа
законы и расчеты


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



5б. Принимая во внимание
внутреннее и внешнее давление баллона с газом


Давление в жидкостях

Жидкости — это материалы, которые могут течь
потому что силы притяжения между частицами в жидкостях слабы
и почти не существует в газах.

Поскольку частицы могут двигаться,
они сталкиваются с любой поверхностью, с которой соприкасаются.

Это дает чистую равнодействующую силу
под углом 90 o к поверхности.

Основная формула давления:

Давление = сила, нормальная к
площадь контактной поверхности

P (Па) = F (Н)
A (м 2 )

Подробнее о жидкости
давление жидкости и атмосферное см .:

Давление в жидких средах и гидравлических
системы

Давление и подъем в жидкостях, почему
объекты плавают / тонут?, изменение атмосферного давления в зависимости от
высота


Однако здесь меня беспокоит только
с объяснением давления газа, используя модель, показанную ниже
для описания, объяснения и количественной оценки поведения газа.

Эффекты изменения
сумма или
температура газа в баллоне

Частицы в газе находятся в постоянном
движение
— полет во всех направлениях с частыми столкновениями (например,
в воздухе частота столкновений 10 9 / с !!!).

Как уже было описано, увеличивая
температура газа, увеличивает запас кинетической энергии газа
частицы.

Это кинетическая энергия
движение из одного места в другое, его не колебательная кинетическая энергия.

Фактически, средняя кинетическая энергия
Частицы газа напрямую связаны с температурой
.

Чем выше температура газа, тем
больше средняя кинетическая энергия частиц,

и чем холоднее газ, тем ниже
средняя кинетическая энергия частиц.

При повышении температуры
средняя скорость частиц увеличивается, а средняя кинетическая
энергия — запомните формулу кинетической энергии:

KE = mv 2
(m = масса частицы, v = скорость частицы)

Теперь мы можем обсудить конкретное «давление»
ситуаций и отправной точкой является тот факт, что…

Давление газа вызвано
столкновение частиц с любой поверхностью

… потому что при столкновении частиц
с поверхностью, прикладывают силу к этой поверхности
.

Давление связано с числом или
сила удара частиц на единицу площади поверхности.

Чем больше ударов или сильнее
ударяется о поверхность, тем большее давление создается.

Повышение температуры газа
фактически увеличивает оба.


  • (i) Рассмотрим стальной баллон с газом —
    жесткая ограждающая стена

    • Когда газ содержится в жестком сосуде
      вы можете закачать много газа до давления намного выше, чем окружающие
      атмосферное давление.

    • Стальные цилиндры используются в промышленности для
      храним газообразные химикаты, а дома мы использовали баллоны с углеводородом.
      газы для отопления и приготовления пищи.


    • Эффект от i
      нарастающий
      количество газа в баллоне

    • Чем больше газа вы вдавливаете, тем больше
      внутреннее давление из-за увеличения количества ударов частиц за
      единица площади
      — большая концентрация частиц означает большее воздействие на
      такая же площадь поверхности.

      • Для данного баллона объем газа равен
        постоянным, а давление пропорционально количеству закачанного газа при
        постоянная температура .

      • Давление и объем обратно пропорциональны
        пропорциональны друг другу.

      • P x V = константа , P =
        давление в Па (паскалях), V = объем в м 3 .

      • При постоянной температуре увеличение
        объем уменьшает давление, потому что столкновения более распространены по
        та же площадь — меньше столкновений частиц на единицу площади.

      • При постоянной температуре уменьшение
        объем увеличивает давление, потому что столкновения более сконцентрированы над
        та же площадь — больше столкновений частиц на единицу площади.

      • См. Также

        P-V-T давление-объем-температура газа
        законы и расчеты

    • Если внутреннее и внешнее давление
      не сбалансирован, это не проблема с прочным цилиндром со стальными стенками!


    • Эффект увеличения
      температура газа в баллоне

    • Если цилиндр нагреть , он расширится
      немного, но это не компенсирует повышение давления газа, так как
      газ пытается расшириться.

    • Если баллон и его содержимое увеличиваются
      при температуре
      , то запас тепловой энергии увеличивается по мере того, как газ
      частицы приобретают кинетическую энергию.

    • Это увеличение кинетической
      запас энергии увеличивает скорость столкновения частиц И силу
      частицы ударяются о поверхность контейнера, тем самым повышая давление с
      повышение температуры.

    • Это довольно опасная ситуация,
      пожарные сталкиваются при тушении пожара на заводе, где находятся газовые баллоны.
      б / у — высокие температуры и высокое давление, создаваемое в газовых баллонах
      заставит их сильно взорваться.


  • (ii) Рассмотрим баллон с газом — a
    гибкая ограждающая стена

    • Если по бокам газ
      контейнеры являются « гибкими » (например,грамм. как воздушный шар) объем будет только
      быть постоянным, когда внутреннее и внешнее давление равны.

      • Если внешнее давление больше
        при внутреннем давлении баллон уменьшится в объеме (размере).

      • Если внутреннее давление больше, чем
        При внешнем давлении баллон увеличится в объеме (надуется).

    • Чтобы надуть воздушный шар, в который вы надуваетесь
      с силой, превышающей атмосферное давление, чтобы создать объем
      захваченный газ.

    • Размер воздушного шара определяется количеством воздуха
      вы продули и атмосферное давление окружающей среды.

    • Давление газа в воздушном шаре создает чистую внешнюю силу под прямым углом к
      поверхность контейнера из-за внутренних ударов частиц газа.

    • НО, как видите с взорванным
      воздушный шар, похоже, он не расширяется или сжимается.

    • Причина в том, что наружный воздух
      удары частиц по внешней поверхности воздушного шара создают противодействующие
      и равное уравновешивающее давление.

    • Вдуванием воздуха вы увеличиваете
      внутреннее давление и заставьте воздушный шар расширяться, толкая резиновую оболочку
      наружу, пока внутреннее и внешнее давление не сравняются при расширении
      остановится.

      • Когда вы вдыхаете, вы увеличиваете
        количество ударов частиц на единицу площади внутренней поверхности для создания
        большая сила, действующая наружу.

      • Помните, увеличение объема газа
        при постоянной температуре понижается давление (pV = постоянное).

      • Давление, которое вы создаете изначально, когда
        надувая воздушный шар, он должен уменьшаться по мере расширения — меньше ударов частиц
        на единицу площади.

      • Если вы выпустите воздух из воздушного шара, или он
        утечки, меньше ударов частиц на единицу площади и
        давление снижается, поэтому большее внешнее давление заставляет баллон
        сокращаться до тех пор, пока объем не уменьшится, создавая давление, равное
        внешнее атмосферное давление.

    • Если баллон надут воздухом
      нагретый
      , частицы газа внутри будут увеличивать кинетическую энергию
      создание большего количества столкновений и более сильных столкновений — увеличение чистой
      сила, действующая на поверхность.

      • Следовательно, давление увеличивается и
        воздушный шар расширяется.

      • НО, расширение распространяет
        столкновения (что снижает давление — меньше силы на единицу площади), поэтому
        воздушный шар расширяется только до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с внешним
        давление более холодного воздуха.

      • Когда воздушный шар остынет, он
        уменьшение размера, менее сильные столкновения частиц, воздушный шар сжимается до
        опять же, внутреннее и внешнее давления равны.

    • Когда гелиевые метеорологические шары
      выпущенные, они быстро поднимаются в атмосфере и сильно расширяются
      потому что атмосферное давление значительно уменьшается с увеличением
      высота над поверхностью земли.

      • По мере уменьшения внешнего давления
        (меньше ударов частиц на единицу площади) внутреннее давление больше (больше
        ударов), и поэтому большее количество внутренних ударов на единицу площади заставляет объем
        газ в баллоне увеличится.

      • Гелиевый шар продолжит полет.
        расширяться до тех пор, пока внешнее давление меньше внутреннего.

      • Он перестанет расширяться, когда внутренний
        давление баллона падает до того же уровня, что и внешнее давление.

      • Однако, поскольку он заполнен
        плотный гелий, он будет продолжать подниматься и подниматься!

  • (iii) Те же аргументы применимы к продувке.
    покрышку велосипеда, автомобильную шину или что-нибудь еще!

    • Любое увеличение внешнего
      давление из насосной системы позволит расширить шину, если она
      превышает внутреннее давление внутри шины — в противном случае больше ничего
      инфляция!

    • Когда вы запечатываете конец газа
      шприцем (как в химии) рукой и нажмите
      плунжер внутрь.

      • Вы можете сжать воздух, чтобы создать большее давление газа
        чем внешнее атмосферное давление. НО, хотя давление
        изначально не сбалансирован, так как в случае надувания шара это ваш дополнительный
        мышечная сила, которая помогает создать балансирующую силу.

      • внутреннее давление в шприце =
        атмосферное давление + давление от мышечной силы


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы


5c.Увеличение запаса энергии газа — работа сделана и
температурные эффекты


  • Увеличение запаса энергии газа
    путем сжатия

    • Когда вы накачиваете воздух в велосипедную шину
      настолько энергично, насколько это возможно, вы можете обнаружить повышение температуры,
      особенно возле точки подключения насоса. Итак, почему увеличение
      температура газа?

    • Когда вы сжимаете газ, применяя
      механическая сила вы делаете работу сжатия на газе .

    • Работа по сжатию газа
      увеличивает внутреннюю энергию и увеличивает температуру — увеличивает
      накопитель тепловой энергии — увеличивается запас кинетической энергии.

    • Вы должны работать на газе
      потому что когда вы сжимаете воздух в насосе, давление повышается по мере того, как
      сила удара частиц действует против вас, поэтому вы
      должны работать против этой увеличенной силы на единицу площади (давления), чтобы воздух попадал в
      шина.

    • Выполняя работу с газом таким образом
      увеличение внутреннего запаса энергии газа заканчивается как
      повышенная кинетическая энергия частиц, которая вызывает повышение температуры
      подъем
      воздух, шина и помпа.

    • Этот эффект используется в холодильниках.
      где газообразный хладагент сжимается для высвобождения энергии в замкнутом
      система — эта тепловая энергия получается из жидкого хладагента
      испарение за счет поглощения скрытой теплоты испарения из
      интерьер холодильника с морозильной камерой.

    • Если сжать газ, уменьшится
      его объем, вы увеличиваете его внутреннюю энергию, увеличивая средний
      кинетическая энергия частиц и газ нагревается с увеличением
      его температура.

    • Если вы расширите газ, увеличивая
      его объем, вы уменьшаете его внутреннюю энергию, уменьшая средний
      кинетическая энергия частиц, газ охлаждается по мере того, как температура
      уменьшенный.


  • Увеличение запаса энергии газа
    путем нагрева

    • Повышение температуры газа
      увеличивает запас кинетической энергии.

    • Повышение температуры увеличивает
      средняя скорость частиц и их кинетическая энергия.

    • Фактически, температура газа равна
      пропорциональна средней кинетической энергии частиц.

    • Это означает нагрев газа в герметичном
      контейнера больше ударов частиц и более сильных ударов по
      площадь на единицу площади.

    • Следовательно, нагрев газа при постоянной
      объем увеличивает давление газа.

    • И наоборот, если у вас холодный и запечатанный
      баллон с газом, давление снижается.

  • Подробнее о

    газы и многое другое
    газовые расчеты


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



6.Факторы, влияющие на
скорость испарения и конденсации


  • Конденсация
    происходит, когда
    газ / пар достаточно охлаждается до достаточно низкой температуры, чтобы позволить
    силы притяжения должны быть достаточно сильными, чтобы притягивать частицы вместе как
    жидкость. Это может произойти только в том случае, если кинетическая энергия частиц мала.
    достаточно (чем ниже температура, тем меньше кинетическая энергия).

    • Водяной пар в воздухе
      зимой конденсируется на холодных поверхностях, например, оконный конденсат,
      невидимый пар из кипящего чайника конденсируется в облака крошечных
      капельки воды, которая технически не является паром! и капли дождя образуются в
      более прохладные области атмосферы.

    • Факторы, влияющие на скорость
      конденсация

      • Чем холоднее газ, тем быстрее
        он конденсируется — более низшие частицы КЭ могут притягиваться вместе.

      • Чем ниже температура
        поверхность, с которой контактирует газ.

      • Нижний поток воздуха над
        поверхность, это поддерживает концентрацию конденсирующегося газа на уровне
        возможный.

    • При конденсации пара / газа
      скрытая теплота испарения должна быть удалена для охлаждения частиц
      достаточно для образования конденсата.

      • Из-за этого ошпаривание
        пар хуже, чем ошпариться кипятком.

      • Оба предполагают передачу теплового
        энергия за счет теплоемкости жидкой воды.

      • НО, водяной пар должен быть первым
        уплотняется, поэтому изначально вас ошпаривает выброс скрытого
        теплота испарения = «скрытая теплота конденсации».


  • Испарение
    — это когда
    Частицы жидкости с самой высокой кинетической энергией вылетают с поверхности, т. е. могут
    преодолеть силы притяжения основной массы частиц.Чем больше KE
    частицы жидкой поверхности, тем больше шанс ускользнуть и стать
    частица газа. Испарение может происходить при любой температуре от
    температура плавления и кипения вещества. Как высшие частицы КЭ
    улетучивается, оставляя более медленные нижние частицы KE, большая часть жидкости будет
    прохладно, поэтому испарение жидкости сопровождается охлаждающим эффектом. В
    охлаждающий эффект потоотделения обусловлен испарением воды с кожи.


  • Факторы, влияющие на скорость
    испарение

    • Чем выше жидкость
      температуры, тем быстрее скорость испарения — больше частиц с достаточным
      кинетическая энергия, уходящая с поверхности (график выше).

    • Напоминание о модели частиц испарения

    • Чем больше площадь поверхности,
      чем быстрее испарение — больше площадь, больше вероятность испарения.

    • Чем больше воздушный поток над
      поверхность тем выше скорость испарения — воздух может стать насыщенным
      с паром жидкости, поэтому его легче заменить, если уже
      испаренная жидкость уносится воздухом, протекающим по поверхности.

      • Эффективная сушка белья — это
        хороший пример этих трех факторов — вам нужен теплый солнечный день (выше
        температура), стирка
        хорошо распределены по линии (площадь поверхности) и приятный ветерок (подметает
        выпаренная вода прочь)!

    • Когда вода испаряет скрытое тепло
      испарения поглощается молекулами воды, обеспечивая охлаждение
      эффект.


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы



7.
Какая самая низкая температура возможна? Шкала абсолютных температур Кельвина

Нам известны температуры ядер
звезды могут быть миллионами градусов, поэтому, кажется, нет никакого верхнего
ограничение по температуре!

НО, есть ли предел на нижнем конце
шкала температур? Ответ ДА!

Первое экспериментальное свидетельство
нижний предел температуры взят из графиков зависимости объема от температуры и
давление в зависимости от температуры для фиксированной массы газа.

Графики для них были линейными до
газ сжиженный или жидкость затвердевшая.

НО, если вы экстраполировали газовые данные
назад, вы обнаружите, что каждая линия заканчивается теоретическим давлением нуля и
температура -273 o С.


Пояснение
….

При охлаждении материала частицы
иметь все меньше и меньше кинетической энергии движения вокруг (газы или жидкости) или
вибрация в фиксированных положениях (твердое тело).

Кинетическая энергия частиц равна
функция температуры.

Вы также можете сказать, что мы
измерять как температуру, является мерой средней кинетической энергии
частицы имеют.

НО, со временем практически все движение прекращается
при температуре -273 o C частицы имеют ~ нулевую кинетическую
энергия.

Итак, что касается
частица KE, а температура, как мы ее знаем, не может упасть дальше
— больше не нужно убирать внутреннюю энергию!

Итак, минимально возможная температура
то есть -273 o C
.(-273 по шкале Цельсия, ед.
o C ).

Теоретически при этой температуре
частицы не имеют кинетической энергии движения или вибрации, самые холодные они
может быть — ничего не осталось в запасе кинетической энергии частиц .

Фактически к тому времени каждое вещество будет
затвердели, но при -273 o C отсутствует вибрация
частицы.

В 1848 году шотландско-ирландский ученый позвонил
Уильям Томпсон (позже стал лордом Кельвином) предложил новую шкалу температур.
начиная с нуля (называемого абсолютным нулем ), который стал известен как
Шкала температуры Кельвина
— единица К .

Следовательно, разница между
Шкала Цельсия и Кельвина — 273.

Чтобы преобразовать одно в другое,
Применяются следующие простые формулы.


К = 273 + o С

или o C = K — 273
(абсолютный ноль 0 K такая же температура, как -273 o C )

Примеры температуры по Цельсию ( o C) и
Преобразование шкалы Кельвина ( K ):

Температура замерзания воды = 0 o C ,
следовательно, 0 + 273 = 273 K .

Температура кипения воды = 100 o C ,
следовательно, 100 + 273 = 373 K .

Температура плавления чистого железа = 1811
K
, следовательно 1811 — 273 = 1538 o C

Примечание: НЕ пишите градусы Кельвина, делать
НЕ пишите o K
!!!,

и не пишите только C для
Цельсия, вам тоже нужен символ градуса o !!


НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы


Версия IGCSE
заметки модель частицы скрытая теплота изменений состояния KS4 физика Научные заметки на
модель частиц скрытая теплота изменения состояния. руководство по физике GCSE.
примечания к модели частиц скрытая теплота изменений состояния для школ, колледжей, академий, преподавателей курсов естественных наук, изображений
рисунки диаграммы для модели частиц скрытая теплота состояния изменяет научные исправления примечания на
скрытая теплота изменения состояния модели частиц для пересмотра модулей физики примечания к темам физики, чтобы помочь в понимании
модель частицы скрытая теплота изменений состояния университетские курсы технических наук
карьера в области физики вакансии в отрасли
технический лаборант
стажировки технические стажировки по инженерной физике США 8 класс 9 класс 10 AQA
физика GCSE
примечания к модели частиц скрытая теплота изменений состояния Edexcel Physical Science Notes on
модель частиц скрытой теплоты изменения состояния для OCR 21 века
физика наука OCR GCSE Gateway физика наука
Примечания WJEC gcse science CCEA / CEA gcse science

НАЧАЛО СТРАНИЦЫ и
субиндекс для страницы

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.