Итоговый годовой тест по физике 8 класс

Итоговый годовой тест по физике 8 класс с ответами. Тест включает 2 варианта, каждый состоит из 3 частей (Часть А, Часть В и часть С). В части А — 8 заданий, в части В — 2 задания и в части С — 2 задания.

1 вариант

Часть А

A1. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче. Верно ли это утверждение?

1) нет, внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической работы
2) да, абсолютно верно
3) нет, внутреннюю энергию тела изменить нельзя
4) нет, внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы, и при теп­лопередаче

А2. Как называют количество теплоты, которое требу­ется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1 °С?

1) удельная теплоемкость
2) удельная теплота сгорания
3) удельная теплота плавления
4) удельная теплота парообразования

А3. Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 1 кг, чтобы нагреть ее с 10 °С до 60 °С? (Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/кг·°С)

1) 21 кДж
2) 42 кДж
3) 210 кДж
4) 420 кДж

А4. При кристаллизации воды выделилось 1650 кДж энер­гии. Какое количество льда получилось при этом? (Удель­ная теплота кристаллизации льда 330 кДж/кг)

1) 1,65 кг
2) 3,3 кг
3) 5 кг
4) 5,3 кг

А5. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 230 кДж, а энергия, выделившаяся при сгорании бензина, оказалась равной 920 кДж. Чему равен КПД двигателя?

1) 20%
2) 25%
3) 30%
4) 35%

А6. Кусок проволоки разрезали пополам и половинки сви­ли вместе. Как изменилось сопротивление проволоки?

1) не изменилось
2) уменьшилось в 2 раза
3) уменьшилось в 4 раза
4) увеличилось в 2 раза

А7. В лампочке карманного фонарика ток равен 0,2 А. Определите энергию, потребляемую лампочкой за 2 мин, если напряжение в ней равно 2,5 В.

1) 1 Дж
2) 6 Дж
3) 10 Дж
4) 60 Дж

А8. Какое изображение получается на фотопленке в фотоаппарате?

1) увеличенное, действительное, перевернутое
2) уменьшенное, действительное, перевернутое
3) увеличенное, мнимое, прямое
4) уменьшенное, мнимое, прямое

Часть В

B1. Установите соответствие между измерительными приборами и физическими величинами, которые с их помо­щью можно измерить.

А) амперметр
Б) вольтметр
В) омметр

1) напряжение
2) сопротивление
3) мощность
4) сила тока

В2. Какова сила тока в стальном проводнике длиной 12 м и сечением 4 мм², на который подано напряжение 72 мВ? (Удельное сопротивление стали равно 0,12 Ом·мм²/м)

Часть С

C1. Куску льда массой 4 кг, имеющему температуру 0 °С, сообщили энергию 1480 кДж. Какая установится оконча­тельная температура?

С2. Сколько энергии потребуется для полного расплавле­ния и превращения в пар куска льда массой 4,5 кг и темпера­турой -10 °С? (Удельная теплоемкость льда 2100 Дж/кг·°С, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг, удельная теплота парообразования воды 23 МДж/кг.)

2 вариант

Часть А

A1. Внутреннюю энергию тела можно изменить толь­ко при совершении механической работы. Верно ли это утверждение?

1) нет, внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче
2) да, абсолютно верно
3) нет, внутреннюю энергию тела изменить нельзя
4) нет, внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы, и при теп­лопередаче

А2. Как называют количество теплоты, которое выделя­ется при полном сгорании топлива массой 1 кг?

1) удельная теплоемкость
2) удельная теплота сгорания
3) удельная теплота плавления
4) удельная теплота парообразования

А3. Чему равна масса нагретого медного шара, если он при остывании на 10 °С отдает в окружающую среду 7,6 кДж теплоты? (Удельная теплоемкость меди 380 Дж/кг·°С)

1) 0,5 кг
2) 2 кг
3) 5 кг
4) 20 кг

А4. Чему равна удельная теплота сгорания керосина, если при сгорании 200 r керосина выделяется 9200 кДж теп­лоты?

1) 18 400 Дж/кг
2) 46 000 Дж/кг
3) 18 400 кДж/кг
4) 46 000 кДж/кг

А5. Во время какого из тактов двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу?

1) во время впуска
2) во время сжатия
3) во время рабочего хода
4) во время выпуска

А6. Как изменилось сопротивление проводника, если его длину и площадь поперечного сечения увеличили в 2 раза?

1) не изменилось
2) увеличилось в 2 раза
3) уменьшилось в 2 раза
4) уменьшилось в 4 раза

А7. Работа, совершенная током за 10 мин, составляет 15 кДж. Чему равна мощность тока?

1) 15 Вт
2) 25 Вт
3) 150 Вт
4) 250 Вт

А8. Какое изображение получается на сетчатке глаза человека?

1) увеличенное, действительное, перевернутое
2) уменьшенное, действительное, перевернутое
3) увеличенное, мнимое, прямое
4) уменьшенное, мнимое, прямое

Часть В

В1. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия.

А) батарея водяного отопления
Б) паровая турбина
В) паровоз

1) совершение работы за счет внутренней энергии
2) работа пара при расширении
3) конвекция
4) излучение

В2. Какова сила тока в никелиновом проводнике длиной 12 м и сечением 4 мм², на который подано напряжение 36 мВ? (Удельное сопротивление никелина 0,4 Ом·мм²/м)

Часть С

C1. Сколько метров фехралевой проволоки диаметром 0,25 мм потребуется для намотки электродвигателя мощ­ностью 360 Вт, рассчитанного на напряжение 120 В?

С2. Сколько энергии потребуется для полного расплавле­ния и превращения в пар куска льда массой 2,5 кг, взято­го при температуре -20 °С? (Удельная теплоемкость льда 2100 Дж/кг·°С, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг, удельная теплота парообразования воды 23 МДж/кг)

Ответы на итоговый годовой тест по физике 8 класс
1 вариант
А1-4
А2-1
А3-3
А4-3
А5-2
А6-3
А7-4
А8-2
В1. А4 Б1 В2
В2. 0,2 А
С1. 9,5 °С
С2. 107 МДж
2 вариант
А1-4
А2-2
А3-2
А4-4
А5-3
А6-1
А7-2
А8-2
В1. А3 Б2 В1
В2. 0,03 А
С1. 1,5 м
С2. 60 МДж

Итоговый годовой тест по физике 8 класс. 1 вариант

Вопросы для экзамена по физике. 8 класс.

Вопросы для экзамена по физике. 8 класс. 1. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Объяснение изменения внутренней энергии на основе представления о молекулярном строении вещества. 2.

Подробнее

Итоговый тест ПО ФИЗИКЕ 7 класс

Итоговый тест ПО ФИЗИКЕ 7 класс 1. Физическое тело обозначает слово 1. вода 2. самолёт 3. метр 4. кипение 2. К световым явлениям относится 1. таяние снега 2. раскаты грома 3. рассвет 4. полёт бабочки 3.

Подробнее

Итоговый тест по физике 8 класс

Итоговый тест по физике 8 класс >>> Итоговый тест по физике 8 класс Итоговый тест по физике 8 класс К шарику незаряженного электроскопа подносят, не касаясь его, тело заряженное отрицательным зарядом.

Подробнее

ИТОГОВЫЙ ТЕСТ ПО ФИЗИКЕ Вариант 7

А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, Н. К. Гладышева и др. ИТОГОВЫЙ ТЕСТ ПО ФИЗИКЕ 8 класс Вариант 7 Ниже даны справочные материалы, которые могут понадобиться Вам при выполнении работы. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Подробнее

Билет 2. Билет 3. Билет 4. Билет 5. Билет 6

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ ПЕРЕВОДНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ФИЗИКЕ 8 КЛАССА Билет 1 1. Модели строение газов, жидкостей и твердых тел. Тепловое движение атомов и молекул. Броуновское движение и диффузия.

Подробнее

Тест 1 Виды теплопередачи. Вариант — 1

Тест 1 Виды теплопередачи. Вариант — 1 1. На каком из способов теплопередачи основано нагревание твердых тел? а. Теплопроводность. б. Конвекция. в. Излучение. 2. Какой вид теплопередачи сопровождается

Подробнее

Тест по физике в 9 классе. Вариант 2

Тест по физике в 9 классе Вариант 2 1. Чему равно нормальное атмосферное давление? А. 670 мм рт.ст. В. 760 мм рт.ст. С. 370 мм рт.ст. D. 752 мм рт.ст. Е. 730 мм рт.ст. 2. Как изменяется скорость тел при

Подробнее

II. Содержание учебного предмета

I. Требования к уровню подготовки учащихся В результате изучения курса физики 8 класса ученик должен: знать /понимать o смысл понятий: физическое явление, электрическое поле, магнитное поле, волна, атом;

Подробнее

ПОДГОТОВКА к ОГЭ ЧАСТЬ 1

ПОДГОТОВК к ОГЭ ЧСТЬ 1 ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём 1.конвекции 2.излучения и конвекции 3.теплопроводности 4.конвекции и теплопроводности 2.Внутренняя энергия

Подробнее

Лабораторные работы.

Лабораторные работы. Лабораторная работа 1. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры. Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной

Подробнее

8 класс. ТЕМА 1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ (23 ч)

8 класс урока Название темы учебника Тип урока Основное содержание Демонстрации Дата проведения ТЕМА 1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ (23 ч) Факт. дата Примечание 1/1 Тепловое движение. Техника безопасности (Т/б) в

Подробнее

Планируемые результаты

Обучающимся необходимо: Планируемые результаты знать: -понятия: температура, внутренняя энергия, количество теплоты, теплопередача, удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, удельная теплота сгорания

Подробнее

учебный год, интернет-тур

Межрегиональная предметная олимпиада Казанского федерального университета по предмету «Физика» 9 класс. Вариант 1. 2014-2015 учебный год, интернет-тур 1. (1 балл) Мальчик Петя первую половину пути от школы

Подробнее

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ А) работа тока

Демонстрационный вариант по физике в 8 классе 1.Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ А) работа тока Б) сила тока B)

Подробнее

Пояснительная записка

Пояснительная записка Данная рабочая программа по предмету «Физика» для учащихся 8 класса разработана в соответствии с утвержденным годовым календарным учебным графиком и учебным планом (приказ от 27.08.2018

Подробнее

8 класс «а», «с», «н» 1 триместр

Основные понятия: Тепловые явления Обязательный минимум по предмету физика 8 класс «а», «с», «н» 1 триместр Тепловое движение. Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии: работа и теплопередача.

Подробнее

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа составлена на основе программы Е.Н.Тихоновой «Рабочие программы. Физика.7-9 классы» издательство «Глобус», Москва 2009 год и предназначена для изучения физики в

Подробнее

8 класса. Тема 1: «Тепловые явления»

Задания для подготовки к годовой промежуточной аттестации по физике. 8 класса Тема 1: «Тепловые явления» 1. При нагревании спирт в термометре расширился. Означает ли это, что расширилась и каждая молекула

Подробнее

I. Требования к уровню подготовки учащихся

I. Требования к уровню подготовки учащихся Учащиеся должны знать: Понятия: внутренняя энергия, теплопередача, теплообмен, количество теплоты, удельная теплоемкость, удельная теплота сгорания топлива, температура

Подробнее

УДК :53 ББК 22.

3я72 С47

УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я72 С47 С47 Слепнева, Н. И. Физика. 8 класс : тесты к учебнику А. В. Перышкина / Н. И. Слепнева. 4-е изд., стереотип. М. : Дрофа, 2018. 110, [2] с. : ил. ISBN 978-5-358-20060-9

Подробнее

Строение вещества. Тепловые явления

Физика. 9 класс. Тренинг «Строение вещества. Тепловые явления» 1 Строение вещества. Тепловые явления Вариант 1 1 В одинаковые сосуды с равными массами воды при одинаковой температуре погрузили латунный

Подробнее

/ /13

1. Задание 10 36 Задания 10. Тепловые явления Сколько литров воды при 83 С нужно добавить к 4 л воды при 20 С, чтобы получить воду температу рой 65 С? Теп ло об ме ном с окру жа ю щей средой 10 л 1,6 л

Подробнее

Критерии оценивания задач

Критерии оценивания задач Баллы Правильность (ошибочность) решения 20 Полное верное решение 18 Верное решение. Имеются небольшие недочеты, в целом не влияющие на решение. 16 Решение в целом верное, однако,

Подробнее

КИМ(ы) по физике 9 класс.

9 класс.. 1.Троллейбус, трогаясь с места, движется с постоянным ускорением 1,5 м/с. Через какое время он приобретет скорость 54 км/ч? 2. С каким ускорением будет двигаться тело массой 400 г. под действием

Подробнее

Изменения агрегатных состояний вещества

Материалы для сайта по физике 8 класс (8.). Учитель: Куприкова Светлана Александровна Тема Знать Уметь Знать: определение испарения и конденсации, факторы, влияющие на процесс испарения, что данные процессы

Подробнее

Задачи к билетам с решениями за 8 класс

Задачи к билетам с решениями за 8 класс Билет 1. Задача на параллельное и последовательное соединение проводников. Последовательно соединены n равных сопротивлений. Во сколько раз изменится сопротивление

Подробнее

Пояснительная записка.

Пояснительная записка. Календарно-тематическое планирование является составной частью учебно-методического комплекта, включающего: 1) программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия.7-11кл.

Подробнее

Тест по физике в 9 классе. Вариант 6

Тест по физике в 9 классе Вариант 6 1. Как называется единица массы в Международной системе (СИ)? А. Грамм. В. Метр. С. Секунда. D. Тонна Е. Килограмм. 2. По какой формуле определяется Архимедова сила?

Подробнее

Итоговый тест №1 по физике 8 класс

Итоговый тест №1 по физике 8 класс

1. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

а) Теплопроводность.

б) Конвекция.

в) Излучение.

2. Какой вид теплопередачи играет основную роль при обогревании комнаты батареей водяного отопления?

а) Теплопроводность.

б) Конвекция.

в) Излучение.

3. Если стоять около горящего костра, то ощущается тепло. Каким образом тепло от костра передается телу человека?

а) Теплопроводностью.

б) Конвекцией.

в) Излучением.

4. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче. Верно ли это утверждение?

а) Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической работы.

б) Да, абсолютно верно.

в) Нет. Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

г) Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы и при теплопередаче.

5. Как называют количество теплоты, которое требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1°C?

а) Удельной теплоемкостью.

б) Удельной теплотой сгорания.

в) Удельной теплотой плавления.

г) Удельной теплотой парообразования.

6. Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела:

а) нагреть его;

б) поднять его на некоторую высоту;

в) привести его в движение;

г) изменить нельзя.

7. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

а) теплопроводность;

б) конвекция;

в) излучение;

г) всеми тремя способами, перечисленными в ответах а-в.

8. Какая физическая величина обозначается буквой λ и имеет размерность Дж/кг?

а) удельная теплоемкость;

б) удельная теплота сгорания топлива;

в) удельная теплота плавления;

г) удельная теплота парообразования.

9. Испарение происходит…

а) при любой температуре;

б) при температуре кипения;

в) при определенной температуре для каждой жидкости;

г) при температуре выше 20°C.

10. Если тела взаимно притягиваются, то это значит, что они заряжены …

а) отрицательно;

б) разноименно;

в) одноименно;

г) положительно.

Тренировочный тест по физике 10 класс. №38

Тренировочный тест по физике 10
класс. №38

1.
Если стоять около горящего костра, то ощущается тепло. Каким образом тепло от
костра передается телу человека?

а)
Теплопроводностью.

б)
Конвекцией.

в)
Излучением.

2.
Внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче. Верно ли это
утверждение?

а)
Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической
работы.

б)
Да, абсолютно верно.

в)
Нет. Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

г)
Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической
работы и при теплопередаче.

3.
Как называют количество теплоты, которое требуется для изменения температуры
вещества массой 1 кг на 1°C?

а)
Удельной теплоемкостью.

б)
Удельной теплотой сгорания.

в)
Удельной теплотой плавления.  

г)
Удельной теплотой парообразования.

4.
Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела:

а)
нагреть его;

б)
поднять его на некоторую высоту;

в)
привести его в движение;

г)
изменить нельзя.

5.
Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

а)
теплопроводность;

б)
конвекция;

в)
излучение;

г)
всеми тремя способами, перечисленными в ответах а-в.

6.
Какая физическая величина обозначается буквой λ и имеет размерность Дж/кг?

а)
удельная теплоемкость;

б)
удельная теплота сгорания топлива;

в)
удельная теплота плавления;

г)
удельная теплота парообразования.

7.    В каком из
следующих случаев движение тела можно рассматривать как движение материальной
точки?

A.      Движение
автомобиля из одного города в другой.

B.       Движение
конькобежца, выполняющего программу фигурного катания.

C.       Вращение
детали, обрабатываемой на станке.

8. Камень, брошенный из окна
второго этажа с высоты 4 м, падает на землю на расстоянии 3 м от стены дома.
Чему равен модуль перемещения камня?

A.     
3м

B.      
4м

C.      
5м

D.     
7м

9. Когда говорят, что смена дня и
ночи на Земле объясняется восходом и заходом Солнца, то имеют ввиду систему
отсчета связанную

A.     
с Солнцем

B.      
с любым телом

C.      
с Землей

5. При свободном падении тела с
нулевой начальной скоростью за 2  с оно проходит

расстояние, равное около

A.     
5м

B.      
10м

C.      
20м

6. При равномерном движении по
окружности не изменяется

A.     
направление скорости

B.      
модуль ускорения

C.      
перемещение тела

7. Чем отличаются друг от друга
изотопы хлора ³⁶Cl
и ³⁷Cl?

A.      числом
электронов в оболочке атома

B.       числом
протонов в ядре атома

C.        числом
нейтронов в ядре атома

D.      числом
электронов в ядре атома

Итоговый тест по физике 8 класс

ИТОГОВЫЙ ТЕСТ ПО ФИЗИКЕ. 8 класс Вариант 1.

Итоговый контрольный тест по физике за курс 8 класса | Тест по физике (8 класс) на тему:

Итоговый
контрольный тест по физике за курс 8 класса
2016-2017 учебного года

Вариант 1.

А1. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче. Верно ли это утверждение?

1) Нет, внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической работы.

2) Да, абсолютно верно.

3) Нет, внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

4) Нет, внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы, и при теплопередаче.

А2. Как называют количество теплоты, которое требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1°С?

1) Удельная теплоемкость.

2) Удельная теплота сгорания.

3) Удельная теплота плавления.

4) Удельная теплота парообразования.

А3. Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 1 кг, чтобы нагреть ее с 10°С до 60°С? (Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/кг·°С.)

1) 21 кДж.                                              3) 210 кДж.

2) 42 кДж.                                              4) 420 кДж.

А4. При кристаллизации воды выделилось 1650 кДж энергии. Какое количество льда получилось при этом? (Удельная теплота кристаллизации льда 330 000 Дж/ кг.)

1) 1, 65 кг.                                              3) 5 кг.

2) 3,3 кг.                                                 4) 5,3 кг.

А5. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 230 кДж, а энергия, выделившаяся при сгорании бензина, оказалась равной 920 кДж. Чему равен КПД двигателя?

1) 20 %.                                                  3) 30 %.

2) 25 %.                                                  4) 35 %.

А6. Кусок проволоки разрезали пополам и половинки свили вместе. Как изменилось сопротивление проволоки?

1) Не изменилось.

2) Уменьшилось в 2 раза.

3) Уменьшилось в 4 раза.

4) Увеличилось в 2 раза.

А7. В лампочке карманного фонарика ток равен 0,2 А. Определите энергию, потребляемую лампочкой за 2 мин, если напряжение в ней равно 2,5 В.

1) 1 Дж.                                                  3) 10 Дж.

2) 6 Дж.                                                  4) 60 Дж.

А8. При пропускании постоянного тока через катушку вокруг нее возникло магнитное поле. Оно обнаруживается по действию на магнитную стрелку и по способности намагничивать стальной стержень, вставленный в катушку. В каком случае это магнитное поле тока катушки исчезнет?

1) Если убрать из катушки стальной стержень.

2) Если убрать магнитную стрелку.

3) Если убрать стальной стержень и магнитную стрелку.

4) Если выключить электрический ток в катушке.

В1. Установите соответствие между измерительными приборами и физическими величинами, которые с их помощью можно измерить. Ответ запишите в виде таблицы.

А) Амперметр.                                      1) Напряжение.

Б) Вольтметр.                                        2) Сопротивление.

В) Омметр.                                            3) Мощность.

                                                                4) Сила тока.

В2. Какова сила тока в стальном проводнике длиной 12 м и сечением 4 мм², на который подано напряжение 72 мВ? (Удельное сопротивление стали равно 0,12 Ом·мм²/ м.)

_____________________________________________________________________________________

С1. Куску льда массой 4 кг, имеющему температуру 0°С, сообщили энергию 1480 кДж. Какая установится окончательная температура?

С2. Сколько энергии потребуется для полного расплавления и превращения в пар куска льда массой 4,5 кг и температурой –10°С? (Удельная теплоемкость льда 2100 Дж/ кг·°С, удельная теплота плавления льда 340 кДж/ кг, удельная теплота парообразования воды 23 МДж/ кг.)

Итоговый
контрольный тест по физике за курс 8 класса
2016-2017 учебного года

Вариант 2.

А1. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической работы. Верно ли это утверждение?

1) Нет, внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче.

2) Да, абсолютно верно.

3) Нет, внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

4) Нет, внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы, и при теплопередаче.

А2. Как называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг?

1) Удельная теплоемкость.

2) Удельная теплота сгорания.

3) Удельная теплота плавления.

4) Удельная теплота парообразования.

А3. Чему равна масса нагретого медного шара, если он при остывании на 10°С отдает в окружающую среду 7600 Дж теплоты? (Удельная теплоемкость меди 380 Дж/ кг·°С.)

1) 0,5 кг.                                                 3) 5 кг.

2) 2 кг.                                                    4) 20 кг.

А4. Чему равна удельная теплота сгорания керосина, если при сгорании 200 г керосина выделяется 9 200 000 Дж теплоты?

1) 18 400 Дж/ кг.                                              3) 18 400 кДж/ кг.

2) 46 000 Дж/ кг.                                              4) 46 000 кДж/ кг.

А5. Во время какого из тактов двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу?

1) Во время впуска.

2) Во время сжатия.

3) Во время рабочего хода.

4) Во время выпуска.

А6. Как изменилось сопротивление проводника, если его длину и площадь поперечного сечения увеличили в 2 раза?

1) Не изменилось.

2) Увеличилось в 2 раза.

3) Уменьшилось в 2 раза.

4) Уменьшилось в 4 раза.

А7. Работа, совершенная током за 10 мин, составляет 15 кДж. Чему равна мощность тока?

1) 15 Вт.                                                 3) 150 Вт.

2) 25 Вт.                                                 4) 250 Вт.

А8. При свободном подвешивании полосового магнита за середину его северный полюс указывает направление на:

1) Южный магнитный полюс Земли, расположенный в некотором удалении от Северного географического полюса.

2) Южный магнитный полюс Земли, расположенный в некотором удалении от Южного географического полюса.

3) Северный магнитный полюс Земли, расположенный в некотором удалении от Северного географического полюса.

4) Северный магнитный полюс Земли, расположенный в некотором удалении от Южного географического полюса.

В1. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе принципа их действия. Ответ запишите в виде таблицы.

А) Батарея водяного отопления.         1) Совершение работы за счет

Б) Паровая турбина.                                  внутренней энергии.

В) Паровоз.                                            2) Работа пара при расширении.

                                                                3) Конвекция.

                                                                4) Излучение.

В2. Какова сила тока в никелиновом проводнике длиной 12 м и сечением 4 мм², на который подано напряжение 36 мВ? (Удельное сопротивление никелина равно 0,4 Ом·мм²/ м.)

_____________________________________________________________________________________

С1. Сколько метров фехралевой проволоки диаметром 0,25 мм потребуется для намотки электродвигателя мощностью 360 Вт, рассчитанного на напряжение 120 В? (Удельное сопротивление фехраля 1,3 Ом*мм2/м)

С2. Сколько энергии потребуется для полного расплавления и превращения в пар куска льда массой 2,5 кг, взятого при температуре –20°С? (Удельная теплоемкость льда 2100 Дж/ кг·°С, удельная теплота плавления льда 340 кДж/ кг, удельная теплота парообразования воды 23 МДж/ кг.)

Итоговый
контрольный тест по физике за курс 8 класса
2016-2017 учебного года

Вариант 3.

А1. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

1) Теплопроводность.                

2) Конвекция.                

3) Излучение.

А2. Какой физический параметр определяет количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1кг вещества?

1) Удельная теплота сгорания.

2) Удельная теплота парообразования.

3) Удельная теплота плавления.

4) Удельная теплоёмкость.

А3. Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 1 кг, чтобы нагреть ее от 10° до 60°С? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/кг*°С?

1) 21 кДж.                3) 210 кДж.        

2) 42 кДж.        .                4) 420 кДж.

А4. При кристаллизации воды выделилось 1650 кДж энергии. Какое количество льда получилось при этом? Удельная теплота кристаллизации льда 330 кДж/кг.

1) 1,65 кг.                3) 5 кг.

2) 3,3 кг.                        4) 5,3 кг.

А5. При какой температуре жидкость не испаряется?

1) При отрицательной.

2) При температуре кристаллизации.

3) При низкой.

4) Жидкость испаряется при любой температуре.

А6. Проволоку пропустили через волочильный станок, в результате ее сечение уменьшилось вдвое, а объем не изменился. Как при этом изменилось сопротивление проволоки?

1) Не изменилось.

2) Увеличилось в 2 раза.        

3) Уменьшилось в 2 раза.

4) Увеличилось в 4 раза.

5) Уменьшилось в 4 раза.        

А7. Электрический самовар потребляет силу тока 10 А. Какое количество теплоты выделится из его спирали за 0,5 часа, если он включен в цепь напряжением 220 В?

1) 110 000 Дж.                              3) 22 000 Дж.

2) 3 960 000 Дж.                           4) 396 000 Дж.

А8. Из какого полюса магнита выходят линии магнитного поля?

1) Из северного.                2) Из южного.                3) Из обоих полюсов.        

В1. Установите соответствие между тепловыми процессами и формулами, описывающими их.

А. Плавление.                                1. Q = cm(t2 – t1)

Б. Парообразование.                        2. Q = qm

В. Нагревание  вещества.                3. Q = Lm

Г. Сгорание топлива.                        4. Q = m

В2. В электрическую цепь последовательно включены лампочка сопротивлением 13 Ом и две спирали сопротивлением 3 Ом и 2 Ом. Общее напряжение в цепи 36 В. Определите силу тока в цепи.

_____________________________________________________________________________________

С1. Башенный кран равномерно поднимает груз массой 380 кг на высоту 22м за 100с. Определите ток в электродвигателе при напряжении 220В, если известно, что КПД электродвигателя крана равен 38 %.

С2. В воду массой 400 г, взятую при температуре 100С, опустили цилиндр массой 525г, нагретый до температуры 100 0С. В результате теплообмена между телами установилась температура 20 0С. Какова удельная теплоемкость цилиндра?

Итоговый
контрольный тест по физике за курс 8 класса
2016-2017 учебного года

Вариант 4.

А1. Внутренняя энергия стального шарика изменится, если:

1) Поднять его над землей.

2) Бросить его горизонтально.

3) Сильно ударить по нему молотком.

4) Изменить нельзя.

А2. Как называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг?

1) Удельной теплоемкостью.                

2) Удельной теплотой сгорания.

3) Удельной теплотой плавления.        

4) Удельной теплотой парообразования.

А3. Чему равна масса нагретого медного шара, если он при остывании на 10°С отдает в окружающую среду 7,6 кДж теплоты? Удельная теплоемкость меди 380 Дж/кг*°С.

1) 0.5 кг.                3) 5 кг

2) 2 кг.                        4) 20 кг.

А4. Чему равна удельная теплота сгорания керосина, если при сгорании 200 г керосина выделяется 9200 кДж теплоты?

1) 18400 Дж/кг.        3) 18400 кДж/кг

2) 46000 Дж/кг.            4) 46000 кДж/кг.        

А5. Во время работы двигателя внутреннего сгорания цилиндр вместе с бензином поступает воздух. Для чего нужен воздух?

1) Для совершения работы в результате расширения при нагревании и охлаждении.

2) Для процесса горения бензина и совершения работы в результате нагревания и расширения при нагревании.

3) Для выдувания из цилиндра продуктов сгорания бензина и охлаждения цилиндра.

4) Для распыления вредных продуктов сгорания бензина.

А6. Сила тока в цепи уменьшится, если:

1) Напряжение повысится.

2) Напряжение понизится.

3) Сопротивление уменьшится.

4) Сила тока не зависит от напряжения и сопротивления.

А7. Вычислите величину силы тока в обмотке электрического утюга, если при включении его в сеть 220 В он потребляет мощность 0,88 кВт.

1) 0,25 А.        3) 4 А.        

2) 2,5 А.            4) 40 А.

А8. Какой магнитной полюс появится у шляпки гвоздя, если к ней подносить магнит северным полюсом?

1) Северный.                2) Южный.                3) Никакой.        

В1. Установите соответствие между формулами и физическими величинами.

(I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление резистора).

В2. Электрический кипятильник потребляет силу тока 20 А. Какое количество теплоты выделится из его спирали за 1,5 часа, если он включен в цепь напряжением 220 В?

_____________________________________________________________________________________

С1. С помощью кипятильника , имеющего КПД 90%, нагрели 3 кг воды от 19 0С до температуры кипения за 15 мин. Какой ток при этом потреблял кипятильник в сети с напряжением 220В?

С2. Какое количество теплоты необходимо сообщить куску льда массой 100 г, взятому при температуре -10⁰ С для того, чтобы превратить его в воду, и полученную воду полностью  испарить? Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/кг ∙ ⁰С,  удельная  теплота парообразования воды 2,3 ∙ 10 ⁶ Дж/кг, удельная теплоемкость льда 2100 Дж/ кг·°С, удельная теплота плавления льда 340000 Дж/ кг.

Тренировочный тест по физике 10 класс. №38

Тренировочный тест по физике 10 класс. №38

1. Если стоять около горящего костра, то ощущается тепло. Каким образом тепло от костра передается телу человека?

а) Теплопроводностью.

б) Конвекцией.

в) Излучением.

2. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при теплопередаче. Верно ли это утверждение?

а) Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить только при совершении механической работы.

б) Да, абсолютно верно.

в) Нет. Внутреннюю энергию тела изменить нельзя.

г) Нет. Внутреннюю энергию тела можно изменить и при совершении механической работы и при теплопередаче.

3. Как называют количество теплоты, которое требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1°C?

а) Удельной теплоемкостью.

б) Удельной теплотой сгорания.

в) Удельной теплотой плавления.

г) Удельной теплотой парообразования.

4. Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела:

а) нагреть его;

б) поднять его на некоторую высоту;

в) привести его в движение;

г) изменить нельзя.

5. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

а) теплопроводность;

б) конвекция;

в) излучение;

г) всеми тремя способами, перечисленными в ответах а-в.

6. Какая физическая величина обозначается буквой λ и имеет размерность Дж/кг?

а) удельная теплоемкость;

б) удельная теплота сгорания топлива;

в) удельная теплота плавления;

г) удельная теплота парообразования.

1. В каком из следующих случаев движение тела можно рассматривать как движение материальной точки?

1. Движение автомобиля из одного города в другой.

2. Движение конькобежца, выполняющего программу фигурного катания.

3. Вращение детали, обрабатываемой на станке.

8. Камень, брошенный из окна второго этажа с высоты 4 м, падает на землю на расстоянии 3 м от стены дома. Чему равен модуль перемещения камня?

1. 3м

2. 4м

3. 5м

4. 7м

9. Когда говорят, что смена дня и ночи на Земле объясняется восходом и заходом Солнца, то имеют ввиду систему отсчета связанную

1. с Солнцем

2. с любым телом

3. с Землей

5. При свободном падении тела с нулевой начальной скоростью за 2 с оно проходит

расстояние, равное около

1. 5м

2. 10м

3. 20м

6. При равномерном движении по окружности не изменяется

1. направление скорости

2. модуль ускорения

3. перемещение тела

7. Чем отличаются друг от друга изотопы хлора ³⁶Cl и ³⁷Cl?

1. числом электронов в оболочке атома

2. числом протонов в ядре атома

3. числом нейтронов в ядре атома

4. числом электронов в ядре атома

Первый закон термодинамики

Первый Закон

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче за вычетом чистой работы, выполненной системой.

Цели обучения

Объясните, как чистое переданное тепло и чистая работа, выполняемая в системе, соотносятся с первым законом термодинамики.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Первый закон термодинамики — это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем.
• В форме уравнения первый закон термодинамики выглядит так: [latex] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} — \ text {W} [/ latex].
• Тепловые машины — хороший пример применения 1-го закона; в них происходит передача тепла, так что они могут выполнять работу.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.
• тепло : энергия, передаваемая от одного тела к другому за счет теплового взаимодействия
• Закон сохранения энергии : Закон, гласящий, что общее количество энергии в любой изолированной системе остается постоянным и не может быть создано или уничтожено, хотя оно может менять форму.

Первый закон термодинамики — это версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем. Обычно его формулируют, утверждая, что изменение внутренней энергии замкнутой системы равно количеству тепла, подаваемого в систему, за вычетом объема работы, выполняемой системой над ее окружением.Закон сохранения энергии можно сформулировать так: энергия изолированной системы постоянна.

Первый закон термодинамики : В этом видео я продолжаю серию обучающих видео по теплофизике и термодинамике. Он рассчитан на бакалавриат и, хотя он в основном нацелен на изучение физики, должен быть полезен всем, кто изучает первый курс термодинамики, например инженерам и т. Д.

Если нас интересует, как теплопередача превращается в работу, 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. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

.

Внутренняя энергия : 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 положительно для чистой передачи тепла в систему. W — это общая работа, проделанная системой и над ней. W положительно, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы ΔU связано с теплом и работой согласно первому закону термодинамики ΔU = Q − W.

[латекс] \ Delta \ text {U} = \ text {Q} — \ text {W} [/ latex].

Здесь ΔU — это изменение внутренней энергии U системы, Q — чистое тепло, переданное системе, а W — чистая работа, выполненная системой.Мы используем следующие соглашения о знаках: если Q положительно, то в системе имеется чистый теплообмен; если W положительно, то система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом, ΔU = 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.

Постоянное давление и объем

Изобарический процесс — это процесс, в котором газ действительно работает при постоянном давлении, в то время как изохорный процесс — это процесс, в котором поддерживается постоянный объем.

Цели обучения

Контрастные изобарические и изохорные процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV.
• Изобарическое расширение газа требует теплопередачи для поддержания постоянного давления.
• Изохорный процесс — это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию.

Ключевые термины

• внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

Согласно первому закону термодинамики, тепло, передаваемое системе, может быть преобразовано во внутреннюю энергию или использовано для работы с окружающей средой.Процесс, в котором газ воздействует на окружающую среду при постоянном давлении, называется изобарическим процессом, а процесс, в котором поддерживается постоянный объем, называется изохорическим процессом.

Изобарический процесс (постоянное давление)

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа выражается как PΔV. Примером может служить подвижный поршень в цилиндре, чтобы давление внутри цилиндра всегда было атмосферным, хотя он изолирован от атмосферы.Другими словами, система динамически связана подвижной границей с резервуаром постоянного давления. Если газ должен расширяться при постоянном давлении, тепло должно передаваться в систему с определенной скоростью. Этот процесс называется изобарическим расширением.

Рис. 1 : Изобарическое расширение газа требует теплопередачи во время расширения, чтобы поддерживать постоянное давление. Поскольку давление постоянно, проделанная работа равна PΔV.

Изохорный процесс (постоянный объем)

Изохорный процесс — это процесс, в котором объем поддерживается постоянным, что означает, что работа, выполняемая системой, будет равна нулю.Отсюда следует, что для простой двухмерной системы любая тепловая энергия, передаваемая системе извне, будет поглощена как внутренняя энергия. Изохорный процесс также известен как изометрический процесс или изоволюметрический процесс. Например, можно поместить в огонь закрытую жестяную банку, содержащую только воздух. В первом приближении баллончик не будет расширяться, и единственное изменение будет заключаться в том, что газ приобретает внутреннюю энергию, о чем свидетельствует повышение его температуры и давления. Математически

[латекс] \ Delta \ text {Q} = \ Delta \ text {U} [/ latex].

Можно сказать, что система динамически изолирована жесткой границей от окружающей среды.

Изотермические процессы

Изотермический процесс — это изменение термодинамической системы, в которой температура остается постоянной.

Цели обучения

Определите типичные системы, в которых происходит изотермический процесс

Основные выводы

Ключевые моменты

• Для идеального газа произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях.
• Для идеального газа работа, связанная с переходом газа из состояния A в состояние B в результате изотермического процесса, задается как [latex] \ text {W} _ {\ text {A} \ to \ text {B}} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].
• Для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной. Отсюда следует, что в этом случае Q = -W.

Ключевые термины

• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.

Изотермический процесс — это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (тепловой ванной), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена.Напротив, адиабатический процесс — это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля.) Однако случаи, когда PV продукта является экспоненциальным членом, не соблюдаются.Значение константы равно nRT, где n — количество моль присутствующего газа, а R — постоянная идеального газа. Другими словами, применяется закон идеального газа PV = nRT. Это означает, что

[латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {nRT}} {\ text {V}} = \ frac {\ text {constant}} {\ text {V}} [/ latex]

трюмов. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = — \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Адиабатические процессы

Адиабатический процесс — это любой процесс, происходящий без увеличения или уменьшения тепла в системе.

Цели обучения

Оценить среду, в которой обычно происходят изотермические процессы

Основные выводы

Ключевые моменты

• Адиабатические процессы могут возникать, если контейнер системы имеет теплоизолированные стенки или процесс происходит за очень короткое время.
• Для адиабатически расширяющегося идеального одноатомного газа, который действительно воздействует на окружающую среду (W положительно), внутренняя энергия газа должна уменьшаться.
• В некотором смысле изотермический процесс можно рассматривать как противоположную крайность адиабатического процесса. В изотермических процессах теплообмен идет достаточно медленно, чтобы температура системы оставалась постоянной.

Ключевые термины

• Закон Бойля : Наблюдение, согласно которому давление идеального газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.
• обратимый : Возможность возврата в исходное состояние без потребления свободной энергии и увеличения энтропии.

Изотермический процесс — это изменение системы, в которой температура остается постоянной: ΔT = 0. Обычно это происходит, когда система находится в контакте с внешним тепловым резервуаром (тепловой ванной), и изменение происходит достаточно медленно, чтобы позволить система для постоянного регулирования температуры резервуара за счет теплообмена.Напротив, адиабатический процесс — это когда система не обменивается теплом с окружающей средой (Q = 0). (См. Наш атом в «Адиабатическом процессе».) Другими словами, в изотермическом процессе значение ΔT = 0, но Q 0, в то время как в адиабатическом процессе ΔT ≠ 0, но Q = 0.

Идеальный газ в изотермическом процессе

В идеале произведение давления на объем (PV) является постоянным, если газ находится в изотермических условиях. (Исторически это называется законом Бойля.) Однако случаи, когда PV продукта является экспоненциальным членом, не соблюдаются.Значение константы равно nRT, где n — количество моль присутствующего газа, а R — постоянная идеального газа. Другими словами, применяется закон идеального газа PV = nRT. Это означает, что

[латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {nRT}} {\ text {V}} = \ frac {\ text {constant}} {\ text {V}} [/ latex]

трюмов. Семейство кривых, порожденных этим уравнением, показано на. Каждая кривая называется изотермой.

Изотермы идеального газа : Несколько изотерм идеального газа на фотоэлектрической диаграмме. {\ text { V} _ \ text {B}} \ frac {1} {\ text {V}} \ text {dV} = \ text {nRT} \ ln {\ frac {\ text {V} _ \ text {B}} {\ text {V} _ \ text {A}}} [/ latex].

Также стоит отметить, что для многих систем, если температура поддерживается постоянной, внутренняя энергия системы также остается постоянной, и поэтому [latex] \ Delta \ text {U} = 0 [/ latex]. Из первого закона термодинамики следует, что [latex] \ text {Q} = — \ text {W} [/ latex] для того же изотермического процесса.

Метаболизм человека

Первый закон термодинамики объясняет метаболизм человека: преобразование пищи в энергию, которая используется телом для выполнения действий.

Цели обучения

Противоположный катаболизм и анаболизм в отношении энергии

Основные выводы

Ключевые моменты

• Обмен веществ человека — сложный процесс. Первый закон термодинамики описывает начало и конец этих процессов.
• Наше тело теряет внутреннюю энергию. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — к теплопередаче, выполнению работы и накоплению жира.
• Наш организм представляет собой хороший пример необратимых процессов.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.

Ключевые термины

• метаболизм : Полный набор химических реакций, происходящих в живых клетках.
• окисление : реакция, в которой атомы элемента теряют электроны и валентность элемента увеличивается.
• калорий : энергия, необходимая для повышения температуры 1 кг воды на 1 кельвин.Это эквивалентно 1000 (маленьких) калорий.

Метаболизм у людей — это преобразование пищи в энергию, которая затем используется организмом для выполнения действий. Это пример действия 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. Например, одним из основных факторов такой активности является температура тела, которая обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду, что означает, что Q отрицательно (т.е.е., наше тело теряет тепло). Другой фактор заключается в том, что тело обычно работает с внешним миром, а это означает, что W положительна. Таким образом, в таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − W отрицательно.

есть

Теперь рассмотрим эффекты еды. Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии. По сути, метаболизм использует процесс окисления, в 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.

Катаболизм и анаболизм

Катаболизм — это путь, который расщепляет молекулы на более мелкие единицы и производит энергию. Анаболизм — это образование молекул из более мелких единиц. Анаболизм использует энергию, произведенную катаболическим расщеплением вашей пищи, для создания молекул, более полезных для вашего тела.

Внутренняя энергия

Наше тело теряет внутреннюю энергию, и есть три места, куда эта внутренняя энергия может пойти — на передачу тепла, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Как показано на рис. 1, передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а затем пища возвращает ее. Если вы едите 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 ΔU = 0.Если вы постоянно переедаете, то ΔU всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔU отрицательное в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию. Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Метаболизм : (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.

Метаболизм

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 свою реакцию на низкое потребление энергии.Ваша основная скорость метаболизма — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую в то время, когда тело находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы компенсировать (частично) переедание или недоедание. Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вам будет легче охладиться, и вы почувствуете себя менее энергичным в результате более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают сбросить вес, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя.

Необратимость

Тело является прекрасным свидетельством 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 проиллюстрированы в. Одно большое преимущество таких законов сохранения состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов (таких как метаболизм и фотосинтез) без учета промежуточных осложнений.

17. ТЕПЛО И ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

17.1. Тепло

Два
тела, попавшие в тепловой контакт, будут изменять свою температуру до тех пор, пока
находятся при одинаковой температуре.В процессе достижения тепловых
равновесие , тепло передается от одного тела к другому.

Предположим
у нас есть интересующая система при температуре TS в окружении среды с температурой TE. Если TS> TE тепло идет от
система в окружающую среду. Если TS

Тепло
это не единственный способ передачи энергии между системами.
и его окружение. Энергия также может передаваться между системами
и его окружение с помощью работы (Вт).Единица работы — Джоуль.

Другой
обычно используемая единица — калория. Калорийность определяется как количество тепла.
это повысит температуру 1 г воды с 14,5 C до 15,5 C. Джоуль и калорийность связаны следующим образом: 1
cal = 4,1860 Дж

17.2. Теплоемкость

Когда
к объекту добавляется тепло, увеличивается его температура. Изменение
температура пропорциональна количеству добавленного тепла

Константа C называется теплоемкостью объекта.Теплоемкость
объект зависит от его массы и типа материала, из которого он изготовлен. В
теплоемкость объекта пропорциональна его массе, а тепла
емкость на единицу массы , c. В таком случае

где
m — масса объекта. Молярная теплоемкость — это теплоемкость на моль материала. Для
У большинства материалов молярная теплоемкость составляет 25 Дж / моль К.

В
для определения теплоемкости вещества нам не только нужно
знать, сколько тепла добавлено, а также условия, при которых
перевод состоялся. Для газов, добавление тепла при постоянном давлении
и при постоянной температуре приведет к очень разным значениям
удельная теплоемкость.

17.3. Тепло трансформации

Когда
тепло добавляется к твердому телу или жидкости, температура образца делает
не обязательно вставать.Во время фазового перехода (плавление, кипение) нагревают
добавляется к образцу без повышения температуры. Количество
тепла, передаваемого на единицу массы во время фазового перехода, называется теплотой
преобразования (символ L) для процесса. Количество
необходимого / отпущенного тепла составляет

где
m — масса образца.

Проблема
28П

Что
массу пара 100C необходимо смешать со 150 г льда при 0C, в термически
изолированный контейнер для производства жидкой воды при 50C?

ср
начните с расчета количества тепла, необходимого для преобразования 150 г льда при 0 ° C в 150 г.
жидкости при 0С.Теплота превращения воды 333
кДж / кг (см. Таблица 20-2, стр. 555). Превращение льда в
вода, следовательно, требует общего тепла, отдаваемого

дается тепло, необходимое для изменения температуры 150 г воды с 0C до 50C
по

Таким образом, общее количество тепла, которое необходимо добавить в систему, равно 81,5.
кДж. Это тепло должно передаваться паром. Будет выпущено тепло
когда пар превращается в жидкость, теплота превращения
для этого процесса составляет 2260 кДж / кг.Предположим, что масса пара равна
м. Общее количество тепла, выделяемого при преобразовании пара в воду
дается

тепло, выделяемое при охлаждении пара с 100 ° C до 50 ° C, определяется значением

Таким образом, общее количество тепла, выделяемого при охлаждении пара, равно 2470
м кДж. Общее необходимое количество тепла составляет 81,5 кДж, поэтому мы заключаем
что масса пара должна быть равна 33 г.

17,4. Работа

Предположим
система запускается из начального состояния, описываемого давлением pi, объемом Vi и температурой
Ti. Конечное состояние системы
описывается давлением pf, объемом Vf и температурой Tf. Переход из начального состояния в конечное состояние может
можно достичь разными способами (см., например, рисунок 17.2). В
На рис. 17.2a давление и объем изменяются одновременно.На рисунке
17.2b сначала понижают давление в системе при сохранении объема
постоянным (это может быть достигнуто, например, путем охлаждения образца), а затем,
объем увеличивается при постоянном давлении (это может быть
достигается за счет нагрева газа при увеличении объема).

Если
давление газа увеличивается, он может перемещать поршень (это происходит в
двигатель). В этом случае работа выполняется системой по мере подъема расширяющихся газовых лифтов.
поршень.С другой стороны, если мы увеличим вес поршня,
работа над системой будет производиться по мере того, как поршень опускается. Сила проявляется
газом на поршне равна p A, где A — площадь
поршневой, p — давление газа. Если поршень смещается
расстояние ds, объем проделанной работы можно рассчитать следующим образом:

В
общая работа, выполняемая во время конечного перемещения поршня, теперь легко
для расчета

Если
W положительный, работа была выполнена системой (например, расширяющийся
газ поднимает поршневой). Отрицательное значение W говорит о том, что работают
было сделано по системе (поршень прижимается, чтобы сжать
газ).

объем проделанной работы равен площади под кривой на диаграммах pV
показано на рисунке 17.2. Очевидно, что объем проделанной работы зависит от
выбранный путь. Работа W для пути, показанного на рисунке 17.2a, равна
значительно больше, чем работа W для пути, показанного на рисунке 17.2b. Любой
изменение в системе, в которой объем не меняется, не будет производить / стоить
любая работа. Работа, проделанная для путей, показанных на рисунке 17.2, может быть
легко рассчитывается

Нет
работа выполняется для пути, показанного на рисунке 17.2b между (pi, Vi) и (pf, Vi), поскольку нет изменения громкости.Работа
сделано для перехода от (pf, Vi) к (pf, Vf) вычисляется легко

Очевидно,
W2b всегда меньше, чем W2a, и мы можем сделать объем проделанной работы настолько малым или большим, насколько захотим. Для
пример, никакая работа не будет выполнена, если переход будет осуществляться по следующему пути:

(пи, Vi) (0, Vi) (0,
Vf) (pf, Vi)

А
система может быть переведена из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью
бесконечное количество процессов.В общем, работа W, а также
тепло Q будет иметь разные значения для каждого из этих процессов. Мы
говорят, что тепло и работа — это величин, зависящих от пути.

От
предыдущее обсуждение ни Q, ни W не представляет собой изменение некоторых внутренних
свойства системы. Однако экспериментально наблюдается
что величина Q — W одинакова для всех процессов. По-разному
только на начальном и конечном состояниях и неважно на каком пути
следует, чтобы перейти от одного к другому.Величина Q — W называется
изменение внутренней энергии U системы:

U = Uf — Ui = Q — W

Это
Уравнение называется первым законом термодинамики . Для небольших изменений первый закон термодинамики
можно переписать как

dU = dQ
— dW

17.4.1. Адиабатические процессы

Если
система хорошо изолирована, теплопередачи между ней и
его окружение.Это означает, что Q = 0, и первое начало термодинамики
показывает, что

U = —
W

Если
работа совершается системой (положительная W), ее внутренняя энергия уменьшается. Наоборот,
если над системой выполняется работа (отрицательная W), ее внутренняя энергия увеличивается. Для
газов, внутренняя энергия связана с температурой: более высокая внутренняя энергия
энергия означает более высокую температуру. Адиабатическое расширение газа понизит его температуру; адиабатический
сжатие газа повысит его температуру на .

17.4.2. Процессы постоянного объема

Если
объем системы остается постоянным, система не может работать (W =
0 Дж). Первый закон термодинамики показывает, что

U =

кв.

Если
в систему добавляется тепло, увеличивается ее внутренняя энергия; если тепло
удаляется из системы, его внутренняя энергия уменьшится на 90 300.

17.4.3. Циклические процессы;

Процессы
которые после определенных обменов тепла и работы возвращаются к своему
начальное состояние называют циклическими процессами.В этом случае нет собственных
свойства системы изменяются, поэтому U = 0. Первый
закон термодинамики немедленно дает

Q =

Вт

17.4.4. Бесплатное расширение

Бесплатно
расширение — это адиабатический процесс, в котором никакая работа не выполняется
система. Это означает, что Q = W = 0 J и
первый закон термодинамики теперь требует, чтобы

U = 0
J

17.5. Передача тепла

передача тепла между системой и окружающей средой может происходить
разными способами. Три разных механизма теплопередачи
Теперь мы обсудим: проводимость, конвекцию и излучение.

17.5.1. Проводимость

Рассмотрим плиту материала, показанную на рис. 17.3. В
левый конец балки поддерживается при температуре TH; правый конец балки
выдерживается при температуре ТС.В результате разницы температур тепло
будет течь через плиту от горячего конца к холодному. Экспериментально
показано, что скорость теплопередачи (Q / t) пропорциональна
площадь поперечного сечения плиты, пропорциональная разнице температур,
и обратно пропорциональна длине плиты

Здесь,
k — коэффициент теплопроводности , , постоянная величина, зависящая от типа материала.Большой
значения k определяют хорошие проводники тепла. Тепловое сопротивление R связано с теплопроводностью k следующим образом:
манера

Таким образом,
чем ниже теплопроводность материала, тем выше тепловая
сопротивление R. Из определения R сразу следует, что

Рассмотреть
композитная плита состоит из двух разных материалов с длиной
L1 и L2, а с теплопроводностью
k1 и k2, помещается между двумя термостатами (см. рисунок 17.4). Предполагать
что температура поверхности раздела между двумя плитами равна
Tx. Количество тепла, протекающего от TH к Tx, равно

.

количество тепла, протекающего от Tx до
TC присваивается

Оф
Конечно, тепло, протекающее через плиту 1, должно равняться теплу, протекающему через
плита 2. Таким образом,

Это
уравнение можно использовать для получения температуры на границе раздела между
плита 1 и плита 2:

теплоту, протекающую через плиту, теперь можно легко вычислить

А
композитная плита поэтому имеет тепловое сопротивление, равное сумме
термическое сопротивление каждой отдельной плиты.

17.5.2. Конвекция

Тепло
перенос конвекцией происходит, когда жидкость, такая как воздух или вода,
при контакте с объектом, температура которого выше, чем температура
своего окружения. Температура жидкости увеличивается и (в
в большинстве случаев) жидкость расширяется. Быть менее плотным, чем окружающий
более прохладная жидкость, она поднимается из-за выталкивающей силы. Окружающая
более холодная жидкость опускается, чтобы занять место поднимающейся более теплой жидкости и конвективного
тираж налажен.

17.5.3. Радиация

каждые
объект излучает электромагнитное излучение. Энергетический спектр испускаемого излучения
зависит от температуры объекта; средняя энергия увеличивается
при повышении температуры.

Проблема
57П

А
емкость с водой находилась на открытом воздухе в холодную погоду до толщины 5,0 см.
на его поверхности образовалась глыба льда.Воздух над льдом
-10С. Рассчитайте скорость образования льда (в
сантиметров в час) на нижней поверхности ледяной плиты. Брать
теплопроводность льда — 0,0040 кал / с. см . C
и плотность должна быть 0,92 г / см3.

вода на границе между водой и льдом будет иметь температуру
0С. В
тепло, передаваемое через 5 см льда, равно

Это
тепло выделяется, когда вода превращается в лед.Жара
трансформация этого процесса составляет 79,5 кал / г. Предположим, что масса m равна
вода каждую секунду превращается в лед. Это дает всего
тепло равно

H = 79,5
м кал / с

Это
должно быть равно тепловому потоку через лед:

79,5
m = 0,0080 А

А
масса льда m (покрывающая площадь A) будет иметь толщину d, где d —
предоставлено

Объединение
последние два выражения получаем для скорости образования льда:

Комментарии, вопросы и / или предложения отправляйте по электронной почте на адрес wolfs @ pas.rochester.edu и / или
посетите домашнюю страницу Фрэнка
Волки.

1-й закон термодинамики — Chemistry LibreTexts

Чтобы понять и выполнить любой вид термодинамических расчетов, мы должны сначала понять фундаментальные законы и концепции термодинамики. Например, работа и тепло — взаимосвязанные понятия. Тепло — это передача тепловой энергии между двумя телами, находящимися при разных температурах, и не равная тепловой энергии. Работа — это сила, используемая для передачи энергии между системой и ее окружением и необходимая для создания тепла и передачи тепловой энергии.И работа, и тепло вместе позволяют системам обмениваться энергией. Взаимосвязь между двумя концепциями можно проанализировать с помощью темы термодинамики, которая представляет собой научное исследование взаимодействия тепла и других типов энергии.

Введение

Чтобы понять взаимосвязь между работой и теплом, нам нужно понять третий, связывающий фактор: изменение внутренней энергии. Энергия не может быть создана или уничтожена, но ее можно преобразовать или передать. Внутренняя энергия относится ко всей энергии в данной системе, включая кинетическую энергию молекул и энергию, хранящуюся во всех химических связях между молекулами.Благодаря взаимодействию тепла, работы и внутренней энергии происходит передача и преобразование энергии каждый раз, когда в системе вносятся изменения. Однако во время этих передач чистая энергия не создается и не теряется.

Закон термодинамики

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую за счет взаимодействия тепла, работы и внутренней энергии, но она не может быть создана или разрушена ни при каких обстоятельствах. Математически это представлено как

\ [\ Delta U = q + w \ label {1} ​​\]

с

• \ (ΔU \) — полное изменение внутренней энергии системы,
• \ (q \) — теплообмен между системой и ее окружением, а
• \ (w \) — это работа, выполняемая системой или в ней.

Работа также равна отрицательному внешнему давлению в системе, умноженному на изменение объема:

\ [w = -p \ Delta V \ label {2} \]

где \ (P \) — внешнее давление на систему, а \ (ΔV \) — изменение объема. Это конкретно называется работой «давление-объем».

Внутренняя энергия системы уменьшится, если система будет выделять тепло или работать. Следовательно, внутренняя энергия системы увеличивается при увеличении тепла (это может быть сделано путем добавления тепла в систему).Внутренняя энергия также увеличилась бы, если бы работа выполнялась в системе. Любая работа или тепло, входящие в систему или выходящие из нее, изменяют внутреннюю энергию. Однако, поскольку энергия никогда не создается и не разрушается (таким образом, первый закон термодинамики), изменение внутренней энергии всегда равно нулю. Если энергия теряется системой, то она поглощается окружающей средой. Если энергия поглощается системой, то эта энергия была выпущена из окружающей среды:

\ [\ Delta U_ {system} = — \ Delta U_ {окружение} \]

, где ΔU _{система} — полная внутренняя энергия в системе, а ΔU _{окружающей среды} — полная энергия окружающей среды.

Рисунок выше является наглядным примером Первого закона термодинамики.Синие кубы представляют систему, а желтые круги — окружение системы. Если энергия теряется системой кубов, то она приобретается окружением. Энергия никогда не создается и не уничтожается. Поскольку площадь куба-подсказки уменьшилась, визуальная область желтого круга увеличилась. Это символизирует то, как энергия, потерянная системой, приобретается окружающей средой. Воздействие различного окружения и изменения в системе помогают определить увеличение или уменьшение внутренней энергии, тепла и работы.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Газ в системе имеет постоянное давление.Окружающая среда вокруг системы теряет 62 Дж тепла и выполняет 474 Дж работы с системой. Какова внутренняя энергия системы?

Решение

Чтобы найти внутреннюю энергию ΔU, мы должны рассмотреть взаимосвязь между системой и окружающей средой. Поскольку Первый закон термодинамики гласит, что энергия не создается и не уничтожается, мы знаем, что все, что теряется в окружающей среде, приобретается системой. Окрестности теряют тепло и работают с системой.Следовательно, q и w положительны в уравнении ΔU = q + w, потому что система накапливает тепло и выполняет работу над собой.

\ [\ begin {align} ΔU & = (62 \, J) + (474 ​​\, J) \\ [4pt] & = 536 \, J \ end {align} \]

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Система имеет постоянный объем (ΔV = 0), а тепло вокруг системы увеличивается на 45 Дж.

1. Какой знак тепла (q) для системы?
2. Чему равно ΔU?
3. Какое значение внутренней энергии системы в Джоулях?

Решение

Поскольку система имеет постоянный объем (ΔV = 0), член -PΔV = 0 и работа равна нулю.Таким образом, в уравнении ΔU = q + w w = 0 и ΔU = q. Внутренняя энергия равна теплу системы. Окружающее тепло увеличивается, поэтому тепло системы уменьшается, потому что тепло не создается и не разрушается. Таким образом, тепло отводится от системы, делая ее экзотермической и отрицательной. Значение внутренней энергии будет отрицательным значением тепла, поглощаемого окружающей средой.

1. отрицательный (q <0)
2. ΔU = q + (-PΔV) = q + 0 = q
3. ΔU = -45 Дж

15.1: Первый закон термодинамики

Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в выполнение работы, 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 утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в системе за вычетом чистой работы, выполненной системой.В форме уравнения первый закон термодинамики:

\ [\ Delta U = Q — W. \ label {first} \]

Здесь \ (\ Delta U \) — изменение внутренней энергии на \ ( 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 соглашения о знаках: если \ (Q \) положительно, то в системе имеется чистый перенос тепла; если \ (W \) положительно, то система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный \ (Q \) добавляет энергию системе, а положительный \ (W \) забирает энергию из системы. Таким образом, \ (\ Delta 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 (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).Теперь мы продолжим изучение \ (Q, \, W \) и \ (\ Delta U \).

Нагрев

Q и Работа W

Теплопередача \ (Q \) и выполнение работы \ (W \) — два повседневных средства передачи энергии в систему или извлечения 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 велосипедной шине, 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 изменить 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 \ (\ Delta U \) как значение, заданное первым законом термодинамики (уравнение \ ref {first}): \ [\ Delta U = Q — W \ nonumber \]

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

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ и МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ

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 внутреннюю энергию \ (U_2 \) в Состоянии 2, независимо от того, как она попала в любое из состояний. Итак, изменение внутренней энергии

\ [\ Delta U = U_2 — U_1 \]

не зависит от причины изменения. Другими словами, \ (\ delta U \) не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? И \ (Q \), и \ (W \) зависят от от пути , но \ (\ Delta U \) нет (уравнение \ ref {first}).Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию \ (U \) легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Расчет изменения внутренней энергии — такое 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 всего 150.00 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы выполняется в системе (рисунок \ (\ PageIndex {3} \))?

Рисунок \ (\ PageIndex {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 \ (\ delta U = Q — W = 9,00 \, Дж \). (b) Теплопередача удаляет 150,00 Дж из системы, в то время как работа дает ей 159,00 Дж, что дает увеличение на 9.00 Дж внутренней энергии. Если система начинает работу 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 (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Затем первый закон термодинамики (уравнение \ ref {first}).

можно использовать для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для (а)

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

\ [\ begin {align *} Q & = 40.00 \, J — 25.00 \, J \\ [5pt] & = 15.00 \, J \ end {align *} \]

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

\ [\ begin {align *} W & = 10.00 \, J — 4.00 \, J \\ [5pt] & = 6.00 \, J. \ end {align *} \]

Обсуждение на (а)

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

Решение для (b)

Здесь чистая теплопередача и полная работа даны как \ (Q = -150.00 \, Дж \) и \ (W = -159.00 \, Дж \), так что

\ [\ begin {align *} \ Delta U & = Q — W = -150.00 — (-159.00) \\ [5pt] & = 9.00 \, J. \ end {align *} \]

Обсуждение на (б)

Совершенно другой процесс в части (b) дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с \ (\ Delta U \), а не с отдельными участвующими \ (Q \) или \ (W \) s.Система оказывается в том же состоянии как в (a), так и (b). Части (a) и (b) представляют два разных пути, по которым система должна следовать 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 \) отрицательно. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром.Это означает, что \ (W \) положительно. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку \ (\ Delta 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 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 \ (\ Delta U = 0 \). Если вы постоянно переедаете, то \ (\ Delta U \) всегда положительный результат, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если значение \ (\ Delta U \) отрицательное в течение нескольких дней, то тело метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает 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 свою реакцию 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 будете легче мерзнуть и почувствуете 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 приложения первого закона термодинамики показаны на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Одним из больших преимуществ законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, является то, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета промежуточных осложнений.

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

Сводка

В таблице представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.

• Первый закон термодинамики задается как \ (\ Delta U = Q — W \), где \ (\ Delta U \) — изменение внутренней энергии системы, \ (Q \) — чистая теплопередача (сумма всей теплопередачи в систему и из нее), а \ (W \) — чистая проделанная работа (сумма всей работы, проделанной в системе или ею).
• И \ (Q \), и \ (W \) — энергия в пути; только \ (\ Delta U \) представляет собой независимую величину, которую можно сохранить.
• 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.

Термодинамика: определение и законы | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которую вещество или система имеет благодаря своей температуре, т.е.е., энергия движущихся или колеблющихся молекул, согласно веб-сайту Energy Education Агентства образования Техаса. Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури, может быть «чрезвычайно сложным». «Системы, которые мы изучаем в термодинамике … состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом. Но если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесными, их можно описать с помощью очень небольшого количества измерений или числа.Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел. Три числа описывают 10 ²⁶ или 10 ³⁰ номинальных независимых переменных ».

Тепло

Термодинамика, таким образом, касается нескольких свойств материи; главным из них является тепло. Тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами за счет разница температур между ними, согласно Energy Education.Как форма энергии, тепло сохраняется, то есть не может быть создано или уничтожено. Однако его можно переносить из одного места в другое. Тепло также может быть преобразовано в другие формы энергии и обратно. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическую энергию для работы генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую. Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью преобразуется обратно в тепло.

Температура

Количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества движущихся атомов или молекул, согласно Energy Education.Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура и чем больше атомов или молекул находится в движении, тем большее количество тепла они переносят.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных на стандартной шкале», согласно словарю American Heritage Dictionary. Чаще всего используется шкала температур по Цельсию, которая основана на точках замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 и 100 градусов Цельсия.Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 F и 212 F соответственно.

Ученые всего мира, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она работает в расчетах. Эта шкала использует то же приращение, что и шкала Цельсия, т. Е. Изменение температуры на 1 C равно 1 K. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и вся молекулярная энергия. движение останавливается.Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество тепла, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенное количество, называется удельной теплоемкостью или удельной теплоемкостью. емкость, согласно Wolfram Research. Традиционной единицей измерения является калорий на грамм на кельвин. Калорийность определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 C на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце, а не от его массы.Например, килограмм алюминия может поглотить в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако атомы свинца могут поглощать только примерно на 8 процентов больше тепла, чем такое же количество атомов алюминия. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем равная масса алюминия. Удельная теплоемкость газа более сложна и зависит от того, измеряется ли она при постоянном давлении или постоянном объеме.

Теплопроводность

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через указанный материал, выраженная как количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом в один градус на единицу. расстояние », согласно Оксфордскому словарю.Единица измерения для k — ватты (Вт) на метр (м) на кельвин (К). Значения k для металлов, таких как медь и серебро, относительно высоки и составляют 401 и 428 Вт / м · К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения для компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Наивысшее значение k для любого природного вещества — алмаз при 2200 Вт / м · К.

Другие материалы полезны, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как минеральная вата, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции внешних стен зданий, зимних пальто и термокружек. R — значение дано в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на британскую тепловую единицу (футы ² · ° F · ч / британские тепловые единицы) для плиты толщиной 1 дюйм.

Закон охлаждения Ньютона

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые изложил свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala Graduum Caloris» («Шкала степеней тепла») в «Философских трудах Королевского общества».Утверждение закона Ньютона переводится с оригинального латинского языка как «превышение степеней жары … было в геометрической прогрессии, когда время в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию закона, поскольку «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному спаду разницы температур.Например, если в течение определенного времени поместить теплый предмет в холодную ванну, разница в их температурах уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторное уменьшение вдвое разницы температур будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком маленькой для измерения.

Теплопередача

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Проводимость — это передача энергии через твердый материал . Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция — это передача тепла жидкой среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам перемещаться на место и повторять процесс. Эффективность можно повысить, увеличив площадь нагреваемой или охлаждаемой поверхности, как в случае с радиатором, и заставив жидкость перемещаться по поверхности, как в случае вентилятора.

Излучение — это излучение электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. Все вещества испускают и поглощают некоторое электромагнитное излучение, чистое количество которого определяет, приведет ли это к потере или приросту тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель теплового двигателя, основанную на так называемом цикле Карно. Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и работать вне системы.

Сжатие газа увеличивает его температуру, поэтому он становится горячее окружающей среды. Затем тепло можно отводить от горячего газа с помощью теплообменника. Затем, если позволить ему расшириться, он остынет. Это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

И наоборот, нагревание газа увеличивает его давление, заставляя его расширяться. Затем давление расширения можно использовать для приведения в движение поршня, таким образом преобразуя тепловую энергию в кинетическую.Это основной принцип тепловых двигателей.

Энтропия

Все термодинамические системы производят отходящее тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая для закрытой системы является «количественной мерой количества тепловой энергии, недоступной для выполнения работы», согласно American Heritage Dictionary. Энтропия в любой закрытой системе всегда увеличивается на ; он никогда не убывает . Кроме того, движущиеся части выделяют отходящее тепло из-за трения, и радиационное тепло неизбежно выходит из системы.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури, объясняет: «Вы не можете построить двигатель со 100-процентной эффективностью, что означает, что вы не можете построить вечный двигатель. Однако есть много людей, которые все еще не делают этого». Я не верю этому, и есть люди, которые все еще пытаются построить вечные двигатели ».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо увеличивается.Вы можете смешать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочная, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную без добавления энергии в систему. Другими словами, вы не можете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Хотя некоторые процессы кажутся полностью обратимыми, на практике это не так. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах.Позже было установлено, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было прямо указывать. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были приняты и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой изменения нумерации существующих законов, что вызовет значительную путаницу, или помещения главного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая разрешила дилемму: он назвал новый закон «нулевым законом». Вкратце, это следующие законы:

Нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная в системе.В нем говорится, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения.

Второй закон гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит денег.

Третий закон гласит, что энтропия чистого кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «пустой тратой энергии», т.е.е. энергия, которая не может выполнять работу, и поскольку нет никакой тепловой энергии при абсолютном нуле, не может быть потерь энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, которое вызывает беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с более низкой энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.

Наука термодинамика развивалась веками, и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам.Его важность в современных технологиях невозможно переоценить.

Дополнительные ресурсы

15.1 Первый закон термодинамики

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 UU размером 12 {U} {} системы представляет собой сумму 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 ΔUΔU размером 12 {ΔU} {} как значение, определяемое первым законом термодинамики

15.2 ΔU = Q − W. ΔU = Q − W. размер 12 {ΔU = Q — W} {}

Многие подробные эксперименты подтвердили, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}, где ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} — это изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекулы в системе. Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия UU размером 12 {U} {} системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, размер UU 12 {U} {} оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например, была ли проведена теплопередача или проделана работа. .Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии UU размером 12 {U} {} на основе нескольких макроскопических переменных.

Соединения в реальном мире: Поршни

В предыдущей главе температура была связана со средней кинетической энергией отдельных молекул в материале. Это относится к концепции полной внутренней энергии в системе. Напомним, что полная внутренняя энергия системы определяется как сумма всех кинетических энергий всех элементов системы плюс сумма всех потенциальных энергий взаимодействий между всеми парами элементов в системе.Например, рассмотрим двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень находится в цилиндре. Сначала поршень сжимает газ в цилиндре, заставляя молекулы ближе друг к другу и изменяя их потенциальную энергию за счет внешней силы, выполняющей работу с системой. Это ход сжатия, рисунок 15.4 (б). Затем топливо сгорает в цилиндре, повышая температуру и, следовательно, кинетическую энергию всех молекул. Следовательно, внутренняя энергия системы была преобразована в химическую потенциальную энергию в кинетическую.Это происходит между тактами сжатия и мощности на рисунке. Затем поршень выталкивается обратно, используя часть внутренней энергии системы для работы с внешней системой, как показано в рабочем ходе на рисунке.

Рисунок 15.4 Поршни двигателя внутреннего сгорания в цилиндре.

Установление соединений: макроскопическое и микроскопическое

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 U1U1 размером 12 {U rSub {размер 8 {1}}} {} в Состоянии 1, и он имеет внутреннюю энергию U2U2 размером 12 {U rSub {размер 8 {2}}} {} в Состоянии 2, независимо от того, как он попал в любое из состояний.Таким образом, изменение внутренней энергии ΔU = U2-U1ΔU = U2-U1 размер 12 {ΔU = U rSub {размер 8 {2}} — U rSub {размер 8 {1}}} {} не зависит от того, что вызвало изменение. Другими словами, ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}. И размер QQ 12 {Q} {}, и размер WW 12 {W} {} зависят от пути , а размер ΔUΔU 12 {ΔU} {} — нет. Эта независимость пути означает, что внутреннюю энергию UU размером 12 {U} {} легче учесть, чем передачу тепла или проделанную работу.

Пример 15.1. Расчет изменения внутренней энергии: такое же изменение в UU размером 12 {U} {} производится двумя разными процессами

(a) Предположим, что теплопередача в систему составляет 40 Дж, в то время как система выполняет работу 10 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25 Дж, в то время как в системе выполняется 4 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

(b) Каково изменение внутренней энергии системы, когда в общей сложности 150 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159 Дж работы выполняется в системе? (См. Рисунок 15.5).

Стратегия

В части (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики (ΔU = Q − W) (ΔU = Q − W размер 12 {ΔU = 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 (а)

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

15.3 Q = 40,00 Дж − 25,00 Дж = 15,00 Дж. Q = 40,00 Дж − 25,00 Дж = 15,00 Дж. размер 12 {Q = «40» «.» «00» «J» — «25» «.» «00» «J» = «15» «.» «00» «J»} {}

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

15,4 W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J.W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J. Размер 12 {W = «10» «.» «00» «J» -4 «.» «00» «J» = 6 «.» «00» «J»} {}

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики,

15,5 ΔU = Q − W = 15,00 Дж − 6,00 Дж = 9,00 Дж. ΔU = Q − W = 15,00 Дж − 6,00 Дж = 9,00 Дж.размер 12 {DU = Q-W = «15» «.» «00» «J» -6 «.» «00» «J» = 9 «.» «00» «J»} {}

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Во-первых, рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на тренировке, или

15,6 ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. размер 12 {DU rSub {размер 8 {1}} = Q rSub {размер 8 { 1}} -W rSub {size 8 {1}} = «40» «.» «00» «J» — «10» «. «00» «J» = «30» «.» «00» «J»} {}

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

15.7 ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. Размер 12 {DU rSub {размер 8 { 2}} = Q rSub {размер 8 {2}} -W rSub {размер 8 {2}} «= -» «25» «.» «00» «J» — \ (-4 «.» «00» «J» \) «= -» «21» «.» «00» «J»} {}

Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или

15,8 ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J. ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J. размер 12 {DU = DU rSub {размер 8 {1}} + DU rSub {размер 8 {2}} = «30» «.» «00» «J» + влево (- «21» ».« «00» «J» вправо) = 9 «.» «00» «J»} {}

Обсуждение на (а)

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

Решение для (b)

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны как Q = –150,00 JQ = –150,00 Дж для размера 12 {Q «= -» «150» «». «00» «J»} {} и W = –159,00 JW = –159,00 J, размер 12 {W «= -» «159» «.» «00» «J»} {}, так что

15,9 ΔU = Q – W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. ΔU = Q – W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 J. размер 12 {DU = QW «= -» «150» «.» «00» «J» — \ (- «159» «.» «00» «J» \) = 9 «.» «00» «J»} {}

Обсуждение (b)

Совершенно другой процесс в части (b) дает то же 9.00-Дж изменение внутренней энергии как в части (а). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с размером ΔUΔU 12 {ΔU} {}, а не с отдельным QQ размером 12 {Q} {} s или размером WW 12 {W} {} s. Система оказывается в том же состоянии как в (a), так и (b). Части (a) и (b) представляют два разных пути, по которым система должна следовать между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаково — оно не зависит от пути.

Рисунок 15.5 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 ΔU = Q − W = 9,00 Дж для размера 12 { DU = QW = 9 «.» «00» «J»} {}. (b) Теплопередача удаляет 150,00 Дж из системы, в то время как работа дает ей 159,00 Дж, что приводит к увеличению внутренней энергии на 9,00 Дж. Если система начинает работу 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.

Применение научных методов: энергия в картофельной пушке

Спланируйте и спланируйте эксперимент по измерению полной энергии картофельной пушки. Как вы будете измерять, сколько работы было выполнено? Как вы рассчитаете вложенную энергию? Как тогда можно оценить, сколько тепла было отпущено? Какие переменные нужно поддерживать постоянными в нескольких испытаниях для достижения наилучших результатов?

Траектория снаряда должна поддаваться измерению и позволять рассчитывать проделанную работу.Подвод энергии следует рассчитывать исходя из типа используемого топлива. Было бы полезно использовать одинаковое количество топлива в каждом испытании. Тепловую мощность можно оценить путем сравнения подводимой энергии с энергией, необходимой для выполнения работы.

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 размер QQ 12 {Q} {} отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром. Это означает, что размер WW 12 {W} {} положительный.В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {} отрицательно.

Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии. В организме метаболизируется 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 теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и наблюдатели за весом обычно используют 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 — к теплопередаче, выполнению работы и накоплению жира. Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а пища возвращает ее. Если вы едите 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 ΔU = 0ΔU = 0 размер 12 {ΔU = 0} {}.Если вы постоянно переедаете, то ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} будет отрицательным в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает 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 свою реакцию 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 будете легче мерзнуть и почувствуете 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. Следует отметить, однако, 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 приложения первого закона термодинамики показаны на рис. 15.6. Одним из больших преимуществ законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, является то, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета промежуточных осложнений. В таблице 15.1 представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.

Рис. 15.6 (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму.Тепло, передаваемое из тела (размер QQ 12 {Q} {}), и работа, выполняемая телом (размер WW 12 {W} {}), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Таблица 15.1 Краткое изложение терминов для первого закона термодинамики, ΔU = Q − W

Тепло