Способы изменения внутренней энергии тела | 8 класс
Содержание
Вы уже знаете, что механическая энергия тела (кинетическая и потенциальная) может изменяться. Внутренняя энергия тела также не является постоянной величиной, она может менять свое значение.
Внутренняя энергия зависит от температуры: при ее повышении внутренняя энергия увеличивается. Происходит это за счет увеличения средней скорости движения молекул и возрастания их кинетической энергии.
При понижении температуры внутренняя энергия, наоборот, понижается. Значит, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.
На данном уроке мы выясним, каким способом можно изменить скорость движения молекул. Таким образом, мы определим, при каких условиях происходит изменение внутренней энергии и дадим определения новым понятиям.
Совершение работы над телом
Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.
Рисунок 1. Изменение внутренней энергии тела путем совершения работы над нимУ нас есть металлическая трубка, закрепленная на подставке.
Наливаем в трубку немного эфира.
Эфир — бесцветная летучая жидкость. Часто употребляется в технике и медицине для дезинфекции. Имеет температуру кипения около $35 \degree C$.
Закрываем пробкой. Обвиваем вокруг трубки веревку, и начинаем быстро двигать ее в разные стороны. Что произойдет?
После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку.
Такой способ используется при разведении огня в диких условиях. Древние люди обладали им в совершенстве. При вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на $250 \degree C$ и загорался.
Внутренняя энергия эфира изменилась — она увеличилась. Он не только нагрелся, но и закипел. Натирая трубку веревкой, мы совершали механическую работу.
Также тела нагреваются при деформациях. То есть при ударах (вспомните опыт из прошлого урока с шаром из свинца), разгибании, сгибании (можно провести простой опыт, сгибая медную проволоку) и др.
Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.
Когда нам холодно, мы начинаем дрожать — происходят мышечные сокращения. Таким образом наш организм увеличивает температуру тела — за счет работы мышц увеличивается внутренняя энергия.
Совершение работы самим телом
Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 2.
Рисунок 2. Изменение внутренней энергии тела путем совершения работы самим теломУ нас имеется стеклянный сосуд, который закрывается пробкой. В пробке есть специальное отверстие. Через него с помощью насоса начнем закачивать в сосуд воздух.
Через некоторое время пробка вылетит. В этот момент можно заметить как образуется туман. Это означает, что воздух в сосуде стал холоднее.
Вытолкнув пробку, сжатый воздух в сосуде совершил работу. При этом температура воздуха понизилась. Так мы можем сказать, что его внутренняя энергия тоже уменьшилась.
Если работу совершает само тело, то его его внутренняя энергия уменьшается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.
Теплопередача
Можно ли изменить внутреннюю энергию тела без совершения работы?
Мы часто наблюдаем ситуации, когда увеличивается температура тела. Например, закипание воды в чайнике, воздух нагревается от батарей отопления в квартире, нагреваются предметы, оставленные на солнце. Работа во всех этих примерах не совершается.
Попробуем объяснить увеличение внутренней энергии в таких случаях на следующем примере. Опустим обычную металлическую ложку в стакан с горячей водой (рисунок 3).
Рисунок 3. Изменение внутренней энергии тела без совершения работыЧто будет происходить?
- Температура горячей воды намного больше температуры холодной ложки. Значит, кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц металлической ложки
- Молекулы воды начинают взаимодействовать с частицами металла — передают им часть своей кинетической энергии
- Энергия молекул воды уменьшается, энергия частиц металла увеличивается
- Температура воды уменьшается, температура ложки увеличивается
- Вскоре им температуры выравниваются
Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.
Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.
- Происходит между телами с разной температурой
- Идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой
- Заканчивается, когда температуры тел выравниваются (становятся равны друг другу)
В мороз многие водоплавающие птицы (например, утки) охотно залезают в воду. В такую погоду температура воды выше температуры воздуха, что позволяет птицам не замерзать.
Способы изменения внутренней энергии тела
Итак,
внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.
Существует три вида теплопередачи:
- Теплопроводность
- Конвекция
- Излучение
Виды теплопередачи будут изучены нами в следующих уроках.
Способы изменения внутренней энергии | Физика
Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры.
Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.
Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).
Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.
Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения. Легко ли это? Когда таким способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна «Таинственный остров», у них ничего не вышло.
«Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.
После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав:
— Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую».
Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С. А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!
Многие люди и в наше время «добывают» огонь трением — трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг.
XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании — всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара. Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название «шведские спички») Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.
Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Если же тело само совершает работу (за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.
Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием.
Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис. 62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д.
Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.
Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.
Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается. Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.
Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой Q и называют количеством теплоты.
Q — количество теплоты.
Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) — в джоулях.
При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.
Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1) совершение работы и 2) теплообмен. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них — на величину, равную количеству переданной теплоты Q.
Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели — путем трения или соприкосновения с горячим телом. В принципе могло быть как то, так и другое.
1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена.
4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается? 5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?
Экспериментальное задание. Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения. Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?
Выполнение работы – Физика тела: от движения к метаболизму
Перейти к содержимому
Предыдущий блок мы начали с обсуждения движений Джолин во время смены на медицинском этаже больницы, включая все ее старты и остановки. Когда Джолин стоит на месте, у нее ноль. Когда она делает шаг, чтобы начать идти, у нее появляется кинетическая энергия. Джолин приходилось поставлять эту энергию изнутри себя. Когда Джолин останавливается, ее кинетическая энергия передается .
Когда она снова начнет ходить, ей снова понадобится новая кинетическая энергия. Даже если Джолин идет непрерывно, каждый ее шаг включает в себя два шага (отталкивание и приземление), поэтому кинетическая энергия постоянно переходит в тепловую энергию. Чтобы оставаться в движении, Джолин должна восполнять эту кинетическую энергию. Ходьба всю смену расходует накопленную энергию Джолин, и поэтому она устает.
Количество энергии, передаваемой из одной формы в другую и/или из одного объекта в другой, называется . 
Положительный или отрицательный знак относится к передаче энергии в объект или из него, а не в противоположные направления в пространстве, поэтому работа не является вектором, и мы не будем выделять ее жирным шрифтом в уравнениях.
Фактическое количество проделанной работы рассчитывается из комбинации средней силы и расстояния, на котором она применяется, и угла между ними:
(1)
Ежедневный пример: подъем пациента
Джолин работает с двумя другими медсестрами, чтобы поднять пациента, который весит 867 N (190 фунтов ) на расстояние 0,5 м прямо вверх .
Сколько она сделала? Предполагая, что Джолин подняла 1/3 пациента, ей пришлось поставить более 289 фунтов.
Мы видим, что имеет единицы измерения Нм , которые называются джоулями ( Дж ). Работа и все другие формы энергии имеют одни и те же единицы измерения, потому что работа — это количество энергии, но работа — это не вид энергии. При расчете работы учитывается направление, поэтому мы используем в уравнении только размер силы ( F ), поэтому мы не выделили силу жирным шрифтом в уравнении работы.
Уравнение в работе автоматически сообщает нам, передается ли работа в конкретный объект или из него:
- Воздействие, приложенное к объекту в направлении, противоположном его движению, будет иметь тенденцию замедлять его и, таким образом, переходить от объекта. Когда энергия покидает объект, наносимое на объект должно быть отрицательным.
Угол между движением объекта и силой в таком случае составляет 180° и , так что это подтверждается. - Воздействие, приложенное к объекту в том же направлении, что и его движение, приведет к его ускорению и, таким образом, перейдет к объекту. При попадании энергии в объект наносимое на объект должно быть положительным. Угол между движением объекта и силой в таком случае равен 0°, что также подтверждается.
- Наконец, если сила воздействует на движение объекта, она может только изменить направление его движения, но не заставит его ускорить или замедлить, поэтому кинетическая энергия не изменится. Этот тип силы должен делать ноль. Угол между движением объекта и силой в таком случае составляет 90°, и, таким образом, снова уравнение работы дает требуемый результат. Чтобы узнать больше об этом конкретном типе ситуаций, прочитайте главу о невесомости в конце этого раздела.
Угол между движением объекта и силой в таком случае составляет 180° и , так что это подтверждается. Уравнение дает правильную работу силы, независимо от угла между направлением силы и направлением движения, даже если сила направлена под некоторым углом, отличным от 0°, 90° или 180°.
Упражнения с подкреплением
Закрепляющие упражнения
[2]
- Адаптировано из Insuknawr (Rod Pushing Sport, H. Thangchungnunga [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] или GFDL (http://www.gnu.org/ copyleft/fdl.html)], с Викисклада ↵
- Изображение и связанная с ним практическая задача были адаптированы из «Эта работа» и выпущены BC Open Textbooks под лицензией CC BY 4.0 ↵
License
Body Physics: Motion to Metabolism by Lawrence Davis находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, если не указано иное.
Поделиться этой книгой
Поделиться в Твиттере
Определение и математика работы
В первых трех разделах курса физики мы использовали законы Ньютона для анализа движения объектов.
Когда на объект действует сила, вызывающая его смещение, говорят, что над объектом была совершена работа .
Есть три ключевых компонента для работы — сила, смещение и причина. Чтобы сила считалась совершившей работу над объектом, должно быть перемещение, и сила должна вызвать перемещение. Есть несколько хороших примеров работы, которые можно наблюдать в повседневной жизни: лошадь, тянущая плуг по полю, отец, толкающий продуктовую тележку по проходу продуктового магазина, первокурсник, несущий на плече рюкзак, полный книг, тяжелоатлет поднимает над головой штангу, олимпийец запускает толкание ядра и т. д. В каждом описанном здесь случае на объект действует сила, вызывающая его смещение.
Прочитайте следующие пять утверждений и определите, представляют ли они примеры работы. Затем нажмите кнопку «Просмотреть ответ», чтобы просмотреть ответ.
Учитель прикладывает силу к стене и истощается.
| |
Книга падает со стола и свободно падает на землю.
| |
Официант несет поднос с едой над головой одной рукой прямо через комнату с постоянной скоростью. (Осторожно! Это очень сложный вопрос, который будет обсуждаться более подробно позже.)
| |
Ракета летит в космосе.
|
Уравнение работы
Математически работа может быть выражена следующим уравнением.
где F — сила, d — смещение, а угол ( тета ) определяется как угол между силой и вектором смещения.
Возможно, самым сложным аспектом приведенного выше уравнения является угол «тета». Угол — это не просто любой угол , а очень специфический угол. Угловая мера определяется как угол между силой и смещением. Чтобы получить представление о его значении, рассмотрим следующие три сценария.
- Сценарий A: Сила действует на объект, направленный вправо, когда он смещается вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения имеют одинаковое направление. Таким образом, угол между F и d равен 0 градусов.
- Сценарий B: Сила действует влево на объект, смещенный вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения направлены в противоположные стороны. Таким образом, угол между F и d равен 180 градусам.
- Сценарий C: Сила действует вверх на объект, когда он смещается вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения находятся под прямым углом друг к другу. Таким образом, угол между F и d равен 90 градусов.
Let’s рассмотреть сценарий C, выше.
Сценарий C включает в себя ситуацию, аналогичную ситуации с официантом, который несет поднос с едой над головой одной рукой прямо через комнату с постоянной скоростью. Ранее упоминалось, что официант не работает на подносе , когда он несет его через комнату. Сила, прилагаемая официантом к подносу, является направленной вверх силой, а смещение подноса представляет собой горизонтальное смещение. Таким образом, угол между силой и перемещением равен 90 градусов. Если бы нужно было рассчитать работу, проделанную официантом над подносом, то результат был бы равен 0. Независимо от величины силы и смещения, F*d*косинус 90 градусов равен 0 (поскольку косинус 90 градусов равен 0). ). Вертикальная сила никогда не может вызвать горизонтальное смещение; таким образом, вертикальная сила не совершает работы над горизонтально смещенным объектом!!
Можно точно заметить, что рука официанта толкнула поднос вперед на короткое время, чтобы ускорить его от состояния покоя до конечной скорости ходьбы.
Но как только достигнет скорости , лоток продолжит прямолинейное движение с постоянной скоростью без поступательной силы. И если единственная сила, действующая на лоток на стадии его движения с постоянной скоростью, направлена вверх, то над лотком не совершается никакой работы. Опять же, вертикальная сила не совершает работы над горизонтально смещенным объектом.
В уравнении для работы перечислены три переменные — каждая переменная связана с одним из трех ключевых слов, упомянутых в определении работы (сила, перемещение и причина). Угол тета в уравнении связан с величиной силы, вызывающей смещение. Как упоминалось в предыдущем разделе, когда сила воздействует на объект под углом к горизонтали, только часть силы способствует (или вызывает) горизонтальному смещению. Рассмотрим силу цепи, тянущей Фидо вверх и вправо, чтобы тянуть Фидо вправо. Только горизонтальная составляющая силы натяжения цепи вызывает смещение Фидо вправо. Горизонтальная составляющая находится путем умножения силы F на косинус угла между F и d.
В этом смысле косинус тета в уравнении работы относится к причина фактор — он выбирает часть силы, которая фактически вызывает смещение.
Значение теты
При определении меры угла в рабочем уравнении важно понимать, что угол имеет точное определение — это угол между силой и вектором смещения. Обязательно избегайте бездумного использования любого угла в уравнении. Обычная физическая лаборатория включает в себя приложение силы для смещения тележки вверх по пандусу на верх стула или ящика. А сила приложена к тележке, чтобы переместить ее вверх по склону с постоянной скоростью. Обычно используются несколько углов наклона; тем не менее, сила всегда прикладывается параллельно наклону. Перемещение тележки также параллельно наклону. Поскольку F и d направлены в одном направлении, угол тета в уравнении работы равен 0 градусов. Тем не менее, у большинства студентов возникло сильное искушение измерить угол наклона и использовать его в уравнении.
Значение отрицательной работы
Иногда на движущийся объект действует сила, препятствующая перемещению. Примеры могут включать автомобиль, скользящий до остановки на поверхности проезжей части, или бейсбольный бегун, скользящий до остановки по грязи на приусадебном участке. В таких случаях сила действует в направлении, противоположном движению объекта, чтобы замедлить его. Сила вызывает не смещение, а мешает этому. Эти ситуации связаны с тем, что обычно называют негативной работой . минус отрицательной работы относится к числовому значению, которое получается, когда значения F, d и тета подставляются в уравнение работы. Поскольку вектор силы прямо противоположен вектору смещения, тета составляет 180 градусов. Косинус (180 градусов) равен -1, поэтому получается отрицательное значение количества работы, проделанной над объектом.
Негативная работа станет важной (и более значимой) на уроке 2, когда мы начнем обсуждать взаимосвязь между работой и энергией.
Единицы работы
Всякий раз, когда в физику вводится новая величина, обсуждаются стандартные метрические единицы, связанные с этой величиной. В случае работы (а также энергии) стандартной метрической единицей является Дж (сокращенно Дж ). Один джоуль равен одному ньютону силы, вызывающей перемещение на один метр. Другими словами,
На самом деле любая единица силы, умноженная на любую единицу перемещения, эквивалентна единице работы. Некоторые нестандартные блоки для работы показаны ниже. Обратите внимание, что при анализе каждый набор единиц эквивалентен единице силы, умноженной на единицу перемещения.
| фут•фунт | кг•(м/с 2 )•м | кг•(м 2 /с 2 ) |
Таким образом, работа совершается, когда на объект действует сила, вызывающая его перемещение. Для расчета объема работы необходимо знать три величины. Этими тремя величинами являются сила, смещение и угол между силой и смещением.
Расследуй!
Работаем каждый день. Работа, которую мы делаем, потребляет калории… эээ, мы должны сказать Джоули. Но сколько джоулей (или калорий) будет потребляться различными видами деятельности? Используйте виджет Daily Work , чтобы определить объем работы, который потребуется для бега, ходьбы или езды на велосипеде в течение заданного периода времени в заданном темпе.