1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности
1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности
Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году.
Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.
Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов.
Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.
Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п.
г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.
Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму
Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).
Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:
U=U 0 +U Т .
Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела.
Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.
Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.
Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».
В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной.
В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.
Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.
Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой
E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.
Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:
E = mgH.
Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.
Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:
E пр . =p υ,
где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).
Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их
энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.
Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.
Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.
Внутренняя энергия — Технарь
Мы знаем, что существует два вида механической энергии: потенциальная и кинетическая.
Потенциальной энергией обладают тела, которые взаимодействуют друг с другом — притягиваются или отталкиваются. Например, потенциальной энергией обладает камень, поднятый над Землей, сжатая или растянутая пружина, сжатый газ.
Кинетической энергией обладают движущиеся тела: текущая вода, ветер, катящийся мяч, летящая пуля. Значение кинетической энергии зависит от массы движущегося тела и от его скорости. Потенциальная и кинетическая энергии могут превращаться друг в друга.
Рассмотрим еще один пример превращения энергии.
На свинцовой плите лежит свинцовый шар.
Поднимем его вверх и отпустим (рис. 179). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, ведь шар опускается все ниже и ниже. Зато постепенно увеличивается кинетическая энергия шара, так как увеличивается его скорость. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 180). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент будут равны нулю.
Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы заметим, что шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина, т. е. шар и плита при ударе деформировались.
Измерив сразу же после удара температуру шара и плиты (а это можно сделать), мы обнаружим, что они нагрелись.
Таким образом, в результате удара шара о плиту изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись.
Но если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела.
Действительно, мы уже знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул, а следовательно, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются. При деформации же тела изменяется взаимное расположение его молекул, поэтому изменяется и их потенциальная энергия. Итак, при соударении меняется и кинетическая, и потенциальная энергия молекул.
Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.
Теперь Мы узнали, что, кроме механической энергий, существует еще один вид энергии — внутренняя.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Имея всегда какой-то запас внутренней энергии, тело одновременно может обладать механической энергией.
Например, летящий на некоторой высоте над землей самолет, кроме внутренней энергии, обладает еще механической энергией — потенциальной и кинетической.
Кинетическая и потенциальная энергии одной молекулы очень малы, так как мала масса молекулы. Но молекул в теле много, поэтому внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, достаточно велика.
Так, кинетическая энергия одной молекулы водорода при комнатной температуре равна 0,000 000 000 000 000 000005 Дж (5/1021 Дж = 5*10-21 Дж). Расчеты показывают, что сумма кинетических энергий всех молекул водорода, содержащихся в 1 м3 его при тех же условиях, равна 140 000 Дж,— это уже значительное число. Если поднять на высоту 3 м громадный ковочный молот массой 5 т, то его потенциальная энергия будет составлять тоже около 140 000 Дж. Но потенциальную энергию молота легче использовать, чем внутреннюю энергию 1 м3 водорода. Достаточно отпустить молот, и, падая на деталь, он совершит работу: его потенциальная энергия будет использована.
Но не так просто и не всегда возможно использовать внутреннюю энергию тела. Способам ее использования уделяют большое внимание в науке. Успехи техники во многом связаны с тем, насколько человечество научилось «извлекать» внутреннюю энергию тел.
К внутренней энергии относят также и ту энергию, которую называют атомной энергией. При изучении тепловых явлений учитывают только энергию молекул, потому что она главным образом изменяется в этих явлениях. Поэтому в дальнейшем, говоря о внутренней энергии тела, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела.
Вопросы. 1. Какие превращения энергии происходят при подъеме шара и при его падении? 2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения? 3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при ударе его о плиту? 4. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 5.
Зависит ли внутренняя энергия тела от того, обладает само тело кинетической и потенциальной энергией или нет? 6. Какую энергию легче использовать — механическую или внутреннюю?
Урок 23. внутренняя энергия. работа. количество теплоты — Физика — 10 класс
Физика, 10 класс
Урок 23. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты
Список вопросов, рассмотренных в уроке: внутренняя энергия; способы изменения внутренней энергии; различные виды теплообмена; уравнение теплового баланса; работа в термодинамике; нахождение численного значения работы в различных тепловых процессах.
Глоссарий по теме
Термодинамическая система представляет собой систему тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией и веществом.
Состояние равновесия — это состояние системы, в которой нет теплообмена между телами, составляющими систему.
Термодинамический процесс — процесс изменения состояния системы, который изменяет параметры системы.
Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической энергии хаотичного теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия всех молекул, составляющих тело.
Теплоемкость представляет собой энергию, которая численно равна количеству тепла, которое выделяется или поглощается, когда температура тела изменяется на 1 К.
Теплопередача- это передача энергии от одного тела другому без выполнения работы.
Количество тепла является количественной мерой изменения внутренней энергии во время теплообмена.
Работа в термодинамике — это взаимодействие системы с внешними объектами, в результате чего изменяются параметры системы.
Список литературы
Г.Я. Мякишев., Б. Буховцев., Н. Н. Соцкий. Физика.10. Учебник для образовательных организаций М .: Просвещение, 2017. — С. 243-254.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.- с.75-84
Основное содержание урока
Внутренняя энергия тела — это полная энергия всех молекул, которые его составляют.
Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна его температуре.
U = 3/2 · ν · R · T
Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества, надо сообщить ему некоторое количество тепла или совершить работу.
Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии системы: A = ΔU.
Работа газа в изобарном процессе равна A = P · ΔV. Если газ расширяется, то А > 0, если газ сжимается, то А < 0.
Кроме того, работа газа может быть определена с использованием графика давления в зависимости от объема.
Работа газа численно равна площади под графиком давления.
Количество теплоты — это энергия, которую система получает или теряет во время теплообмена.
Количество тепла для различных термических процессов определяется по-разному.
При нагревании и охлаждении: Q = c_ ∙ m ∙ ΔT;
Во время плавления и кристаллизации: Q = ℷ ∙ m;
Во время испарения и конденсации; Q = r ∙ m;
При сжигании: Q = q ∙ m.
Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса: Q1 + Q2 + .
.. + Qn = 0
Выражение для внутренней энергии одноатомного идеального или разреженного реального газа имеет следующий вид:
U = 3/2 ν ∙ R ∙ T
Для идеального газа из молекул с двумя, тремя или более атомами необходимо учитывать кинетическую энергию вращения молекул (они больше не могут считаться материальными точками), поэтому выражение для их внутренней энергии отличается от U = 3/2 ν ∙ R ∙ T числовым коэффициентом.
Для двухатомного газа (например, O2, CO и т. д.):
U = 5/2 ν ∙ R ∙ T
Для газа с тремя атомами или более (например, O3, Ch5):
U = 3ν · R · T
Изменить внутреннюю энергию вещества можно, передав ему некоторое количество тепла или выполнить над ним работу.
Существует три типа теплопередачи:
1) Теплопроводность представляет собой процесс переноса энергии от более теплого тела к менее нагретому телу с прямым контактом или от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотично движущимися частицами тела (атомы, молекулы, электроны , и т.
д.). Простым примером является нагревание чашки, в которую выливают горячий чай.
2) Конвекция — это своего рода передача тепла, в которой внутренняя энергия передается снизу вверх струями или потоками жидкости или газа. Пример: нагревание воды в чайнике, который стоит на горячей плите.
3) Лучистый обмен или излучение — это процесс передачи энергии через электромагнитное излучение. Простой пример: солнечный свет.
Механическая работа изменяет механическую энергию тела. Термодинамическая работа изменяет внутреннюю энергию газа.
Если газ расширяется, то работа газа считается положительной. Если он сжат, то отрицательной.
Формула для нахождения работы газа в изобарном процессе имеет следующий вид:
A = p · ΔV
Для изотермического процесса формула принимает следующий вид: A = ν ∙ R ∙ T ∙ ln (V_2 / V_1)
Разбор тренировочных заданий
1. Объём газа, расширяющегося при постоянном давлении 100 кПа, увеличился на 20 литров. Работа, выполняемая газом в этом процессе, — _____.
Варианты ответов:
2000 Дж;
20 000 Дж;
200 Дж;
50 МДж.
Правильный вариант / варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) 2000 Дж.
Совет: используйте формулу работы.
2. Чтобы из 5 кг снега, при температуре 0ºС, получить воду при 20ºС, необходимо сжигать в печке с КПД 40% __ кг дров.
Решение: при сгорании дров выделится количество теплоты:
из этого количества на полезную работу пойдёт только:
Для плавления снега необходимо количество теплоты:
для нагревания воды понадобится:
Согласно уравнению теплового баланса:
Отсюда следует:
Подставим числовые значения в формулу:
Ответ: 0,5175 кг.
Богданов К.Ю. — учебник по физике для 10 класса
§ 28. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА. ФОРМУЛА ДЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА.
Внутренней энергией тела называют сумму кинетической
энергии теплового движения его атомов и молекул и потенциальной энергии их
взаимодействия между собой.
Во многих случаях
механическая энергия тела, являющаяся суммой его кинетической и потенциальной
энергии (см. §17), изменяется. Например, мяч, катящийся по полю, замедляется, а
сосулька, упавшая с крыши, разбивается о землю и превращается в несколько неподвижных осколков. Когда мяч катится по полю,
он преодолевает силу трения, совершая работу, в результате чего его
кинетическая энергия уменьшается на величину совершённой работы, а вместе с ней
– и скорость. Работа против силы трения приводит к различным деформациям вдоль
траектории мяча, его нагреву, а также к нагреву всего того, чего он касался при
движении. Механическая энергия ударившейся о землю сосульки частично расходуется
на работу, необходимую для того, чтобы расколоть ее на куски, а остальная часть энергии тратится на деформацию
этих осколков и участка земли, на который они упали. Ну, а если эти осколки
скользили по земле прежде, чем остановиться, то часть механической энергии
превратилась и в тепло.
Так как энергия не может исчезать или возникать из неоткуда, то уменьшение механической энергии движущегося мяча и падающей сосульки означает, что механическая энергия переходит в какой-то другой вид энергии, зависящий от внутреннего состояния тела – его температуры, энергии связи между его частями и т.п. Этот вид энергии тела называют его внутренней энергией.
Внутренняя энергия тела увеличивается при нагреве, так как с ростом температуры кинетическая энергия молекул тоже растёт. Вторым слагаемым внутренней энергии является потенциальная энергия связей между частицами тела, т.к. эти частицы притягиваются друг к другу, чем и обеспечивается его целостность (рис. 28). Поэтому, внутреннюю энергию тела можно изменить, если сжать, растянуть или даже раздробить его, совершая, таким образом, работу над телом.
Однако внутренняя энергия
тела зависит не только от его температуры, действующих на него сил и степени
раздробленности.
При плавлении, затвердевании, конденсации и испарении, т.е.
при изменении агрегатного состояния тела, потенциальная энергия связи
между его атомами и молекулами тоже изменяется, а значит, изменяется и его
внутренняя энергия. Кроме того, внутренняя энергия может изменяться, когда
вещество, из которого состоит тело, вступает в химическую (или ядерную)
реакцию, в результате чего химическая структура вещества (или структура
атомного ядра) изменяется и его внутренняя энергия – тоже.
Очевидно, что внутренняя
энергия тела должна быть пропорциональна его объёму и равна сумме кинетической
и потенциальной энергии всех молекул и атомов, из которых состоит это тело. К
сожалению, для большинства веществ величины кинетической и потенциальной
энергии молекул неизвестны, и поэтому вычислить значение внутренней энергии
соответствующих тел не представляется возможным. В то же время, идеальный газ
устроен очень просто и состоит из молекул, не взаимодействующих между собой, а
значит, потенциальная энергия из взаимодействия равна нулю.
Поэтому внутренняя
энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения его
атомов или молекул и может быть вычислена довольно просто следующим образом.
Пусть газ одноатомный, т.е. состоит из отдельных атомов, а не молекул, например, любой из инертных газов. Тогда кинетическая энергия атомов этого газа равна кинетической энергии их поступательного движения, так как вращательное отсутствует. Поэтому для вычисления внутренней энергии, U одноатомного газа массы m необходимо умножить среднюю кинетическую энергию, ЕСР его атома (см. 23.6) на общее количество, N атомов в газе (см. 19.1 и 19.2):
Как следует из (28.1),
внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной
температуре и не зависит от других макроскопических параметров газа – его
давления и объёма.
Таким образом, сжимая газ в изотермических условиях, мы не
изменяем его внутренней энергии.
Вопросы для повторения:
· Дайте определение внутренней энергии тела?
· Как внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния и температуры?
· Как зависит внутренняя энергия идеального газа от его температуры, давления и объёма.
Рис. 28. Схематическое изображение внутренней энергии воды в стакане, состоящей из кинетической энергии движения её молекул (верх) и потенциальной энергии из взаимодействия (низ).
05-е. Внутренняя энергия
§ 05-е. Внутренняя энергия
Наряду с механической энергией тел и её разновидностями – кинетической и потенциальной энергией, в физике изучают и так называемую внутреннюю энергию тел.
Вы видите взлетающую ракету. Она совершает работу – поднимает космонавтов и груз.
Кинетическая энергия ракеты возрастает, так как по мере подъёма ракета приобретает всё большую скорость. Потенциальная энергия ракеты также возрастает, так как она всё выше поднимается над Землёй. Следовательно, сумма этих энергий, то есть механическая энергия ракеты, тоже увеличивается.
Мы помним, что при совершении телом работы его энергия уменьшается. Однако ракета совершает работу, но её энергия не уменьшается, а увеличивается! В чём же разгадка противоречия? Оказывается, что кроме механической энергии существует ещё один вид энергии – внутренняя энергия. Именно за счёт уменьшения внутренней энергии сгорающего топлива ракета совершает механическую работу и, кроме того, увеличивает свою механическую энергию.
Не только горючие, но и горячие тела обладают внутренней энергией, которую легко превратить в механическую работу. Проделаем опыт. Нагреем в кипятке гирю и поставим на жестяную коробочку, присоединённую к манометру.
По мере того как воздух в коробочке будет прогреваться, жидкость в манометре начнёт двигаться (см. рисунок).
Расширяющийся воздух совершает над жидкостью работу. За счёт какой энергии это происходит? Разумеется, за счёт внутренней энергии гири. Следовательно, в этом опыте мы наблюдаем превращение внутренней энергии тела в механическую работу. Заметим, что механическая энергия гири в этом опыте не меняется – она всё время равна нулю.
Итак, внутренняя энергия – это такая энергия тела, за счёт которой может совершаться механическая работа, при этом не вызывая убыли механической энергии этого тела.
Внутренняя энергия любого тела зависит от множества причин: рода и состояния его вещества, массы и температуры тела и других. Внутренней энергией обладают все тела: большие и маленькие, горячие и холодные, твёрдые, жидкие и газообразные.
Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь, образно говоря, горячих и горючих веществ и тел.
Это нефть, газ, уголь, геотермальные источники вблизи вулканов и так далее. Кроме того, в XX веке человек научился использовать и внутреннюю энергию так называемых радиоактивных веществ. Это, например, уран, плутоний и другие.
Взгляните на правую часть схемы. В популярной литературе нередко упоминаются тепловая, химическая, электрическая, атомная (ядерная) и другие виды энергии. Все они, как правило, являются разновидностями внутренней энергии, так как за счёт них может совершаться механическая работа, не вызывая при этом убыли механической энергии. Понятие внутренней энергии мы рассмотрим более подробно при дальнейшем изучении физики.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Источник
Больше интересного в телеграм @calcsboxПриведите примеры превращения механической энергии… — Физика
Вопросы:
1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую.
2. Приведите примеры перехода энергии от одного тела к другому.
3. Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому её значение сохраняется?
4. В чём состоит закон сохранения энергии?
5. Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?
Ответы:
1. Ручным насосом можно накачать мяч или воздушный шарик, при этом механическая энергия движения поршня превращается во внутреннюю энергию воздуха под давлением.
Нагрев воздушных масс у поверхности земли приводит к превращению внутренней энергии в механическую — ветер.
2. Ртутный термометр действует за счет полученной энергии от человеческого тела. В электроплитке происходит нагрев массивной металлической пластины, от контакта, с которой нагревается кастрюля или чайник с водой, т. е. происходит передача энергии от одного тела к другому.
3. Опыт по смешиванию воды разной температуры — наглядный пример передачи внутренней энергии от одного объекта другому, при котором полная энергия системы сохраняется.
4. Закон сохранения и превращения энергии — один из основных законов природы. Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.
5. Закон сохранения и превращения энергии дает научную основу для разнообразных расчетов во всех областях науки и техники. Например, в механике зная внутреннюю энергию неподвижного тела мы можем найти какую максимальную кинетическую энергию оно может приобрести (снаряд), зная потенциальную энергию сгорания топлива, мы можем предсказать какое топливо лучше (двигатель). В результате открытия закона сохранения энергии было например доказано, что невозможно создать вечный двигатель первого (при его работе выделяется энергия) и второго рода (работает вечно, от одного «толчка»). Зная энергетический баланс системы ученые и инженеры могут предсказать, какая часть энергии может быть превращена в «полезную» работу.
Энергия внутри нас
Способ 1
Теплопередача.
Примеров процесса теплопередачи множество — нагревание чайника на плите, оконного подоконника в солнечный день и т.п. Однако никакая работа здесь не совершается.
Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей (или теплообменом). Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность — это процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте. Теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния, пористости и других качеств. Ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы, так как она обладает плохой теплопроводностью. Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.
Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объёма в другие. Конвекция невозможна в твёрдых телах.
Примеры проявления конвекции: циркуляция воздуха в отапливаемой комнате, центральное водяное отопление, ветры, морские течения и т. д.
Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн, которые излучает любое нагретое тело. Так, вся энергия, получаемая Землёй от Солнца, передается путём лучеиспускания. Тепло от костра передаётся человеку путём излучения энергии, так как теплопроводность воздуха мала, а конвекционные потоки направлены вверх.
Способ 2Механическая работа. Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения. Как мы поступаем, когда зимой на улице замерзают руки? Мы трём их, то есть совершаем работу над руками и они нагреваются, а значит, увеличивается их внутренняя энергия.
Внутренняя энергия тела может измениться, если тело деформировать. Например, ударить, надавить, сжать, скрутить, растянуть и т.
д. При этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, то есть изменяется скорость отдельных частей тела (следовательно, и кинетическая энергия движения частиц). Например, если кусок алюминиевой проволоки быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место нагреется.
Механическая энергия
В предыдущей части Урока 1 говорилось, что работа совершается над объектом всякий раз, когда на него действует сила, вызывающая его перемещение. Работа включает в себя силу, действующую на объект, вызывающую его перемещение. Во всех случаях, когда выполняется работа, существует объект, который обеспечивает силу для выполнения работы. Если книгу «Мировая цивилизация» поднять на верхнюю полку студенческого шкафчика, то учащийся прилагает усилия для выполнения работы над книгой.
Если плуг перемещается по полю, то какое-либо сельскохозяйственное оборудование (обычно трактор или лошадь) обеспечивает силу, необходимую для работы плуга.Если питчер разворачивается и ускоряет бейсбольный мяч по направлению к домашней пластине, то питчер обеспечивает силу, необходимую для выполнения работы над бейсбольным мячом. Если автомобиль на американских горках перемещается от уровня земли к вершине первого спуска на американских горках, то цепь, приводимая в движение двигателем, обеспечивает силу, необходимую для выполнения работы над автомобилем. Если штанга перемещается от уровня земли на высоту над головой тяжелоатлета, то тяжелоатлет прилагает усилие для выполнения работы со штангой. Во всех случаях объект, обладающий той или иной формой энергии, обеспечивает силу для выполнения работы.В описанных здесь случаях объекты, выполняющие работу (студент, трактор, кувшин, мотор/цепь), обладают химической потенциальной энергией , хранящейся в пище или топливе, которая преобразуется в работу.
В процессе совершения работы объект, совершающий работу, обменивается энергией с объектом, над которым совершается работа. Когда над объектом совершается работа, этот объект получает энергию. Энергия, приобретаемая объектами, над которыми совершается работа, известна как механическая энергия . Механическая энергия — это энергия, которой обладает объект вследствие его движения или положения. Механическая энергия может быть либо кинетической энергией (энергией движения), либо потенциальной энергией (запасенной энергией положения). Объекты обладают механической энергией, если они находятся в движении и/или если они находятся в каком-либо положении относительно положения с нулевой потенциальной энергией (например, кирпич, удерживаемый в вертикальном положении над землей или в положении нулевой высоты). Движущийся автомобиль обладает механической энергией за счет своего движения (кинетической энергией).Движущийся бейсбольный мяч обладает механической энергией как из-за его высокой скорости (кинетическая энергия), так и из-за его вертикального положения над землей (потенциальная энергия гравитации).
Книга «Мировая цивилизация», покоящаяся на верхней полке шкафчика, благодаря своему вертикальному положению над землей обладает механической энергией (потенциальной гравитационной энергией). Штанга, поднятая высоко над головой тяжелоатлета, благодаря своему вертикальному положению над землей обладает механической энергией (потенциальной гравитационной энергией). Натянутый лук обладает механической энергией из-за своего натянутого положения (упругой потенциальной энергией).
Объект, обладающий механической энергией, способен совершать работу. На самом деле механическую энергию часто определяют как способность совершать работу. Любой объект, обладающий механической энергией — будь то в форме потенциальной энергии или кинетической энергии — способен совершать работу. То есть его механическая энергия позволяет этому объекту прикладывать силу к другому объекту, чтобы заставить его сместиться.
Можно привести множество примеров того, как объект с механической энергией может использовать эту энергию для приложения силы, вызывающей перемещение другого объекта. Классический пример — массивный шар-разрушитель машины для сноса. Мяч для разрушения представляет собой массивный объект, который отбрасывается назад в высокое положение и может качаться вперед в конструкцию здания или другой объект, чтобы разрушить его. При ударе о конструкцию разрушающий шар прикладывает к ней силу, чтобы вызвать смещение стены конструкции.На приведенной ниже диаграмме изображен процесс, посредством которого механическая энергия разрушающего шара может быть использована для выполнения работы.
Молоток — это инструмент, который использует механическую энергию для выполнения работы. Механическая энергия молотка дает молотку способность прикладывать силу к гвоздю, чтобы заставить его сместиться. Поскольку молоток имеет механическую энергию (в виде кинетической энергии), он может совершать работу с гвоздем.
Механическая энергия – это способность совершать работу.
Другой пример, который иллюстрирует, как механическая энергия является способностью объекта выполнять работу, можно увидеть в любой вечер в вашем местном боулинге. Механическая энергия шара для боулинга дает шару возможность приложить силу к кегли для боулинга, чтобы заставить ее сместиться. Поскольку массивный шар имеет механическую энергию (в виде кинетической энергии), он может совершать работу на штифте. Механическая энергия – это способность совершать работу.
Дротик — еще один пример того, как механическая энергия объекта может совершать работу над другим объектом.Когда дротик заряжен и пружины сжаты, он обладает механической энергией. Механическая энергия сжатых пружин дает пружинам возможность прикладывать силу к дротику, чтобы заставить его сместиться. Поскольку пружины обладают механической энергией (в виде упругой потенциальной энергии), они способны совершать работу над дротиком.
Механическая энергия – это способность совершать работу.
Обычной сценой в некоторых частях сельской местности является «ветряная электростанция».«Высокоскоростные ветры используются для работы лопастей турбины на так называемой ветровой электростанции. Механическая энергия движущегося воздуха дает частицам воздуха возможность прикладывать силу и вызывать смещение лопастей. лопасти вращаются, их энергия впоследствии преобразуется в электрическую энергию (немеханическая форма энергии) и подается в дома и на предприятия для работы электроприборов.Поскольку движущийся ветер имеет механическую энергию (в виде кинетической энергии), он может работать на лезвиях.Еще раз подчеркнем, что механическая энергия — это способность совершать работу.
Суммарная механическая энергия
Как уже упоминалось, механическая энергия объекта может быть результатом его движения (т. е. кинетической энергии) и/или результатом накопленной им энергии положения (т.
е. потенциальной энергии). Общее количество механической энергии есть просто сумма потенциальной энергии и кинетической энергии. Эта сумма называется просто полной механической энергией (сокращенно TME).
Как обсуждалось ранее, в нашем курсе обсуждаются две формы потенциальной энергии — потенциальная энергия гравитации и потенциальная энергия упругости. Учитывая этот факт, приведенное выше уравнение можно переписать:
TME = PE грав + PE пружина + KEНа приведенной ниже диаграмме показано движение Ли Бен Фардеста (уважаемый американский прыгун с трамплина), когда он скользит вниз с холма и совершает один из своих рекордных прыжков.
Полная механическая энергия Ли Бен Фардеста равна сумме потенциальной и кинетической энергий. Две формы энергии в сумме дают до 50 000 Дж. Заметим также, что полная механическая энергия Ли Бен Фардеста является постоянной величиной на протяжении всего его движения.
Существуют условия, при которых полная механическая энергия будет величиной постоянной, и условия, при которых она будет величиной изменяющейся. Это тема Урока 2 — отношения работы и энергии.А пока просто запомните, что полная механическая энергия — это энергия, которой обладает объект либо из-за его движения , либо из-за его накопленной энергии положения . Общее количество механической энергии есть просто сумма этих двух форм энергии. И, наконец, объект с механической энергией способен совершать работу над другим объектом.
Виды энергии – Управление энергетической информации США (EIA)
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия – это накопленная энергия и энергия положения.
Химическая энергия – это энергия, запасенная в связях атомов и молекул. Батареи, биомасса, нефть, природный газ и уголь являются примерами химической энергии. Химическая энергия преобразуется в тепловую, когда люди сжигают дрова в камине или сжигают бензин в двигателе автомобиля.
Механическая энергия – это энергия, накапливаемая в объектах за счет напряжения. Сжатые пружины и растянутые резиновые ленты являются примерами накопленной механической энергии.
Ядерная энергия — это энергия, запасенная в ядре атома, — энергия, которая удерживает ядро вместе. Большое количество энергии может быть высвобождено, когда ядра объединяются или разделяются.
Гравитационная энергия — это энергия, хранящаяся в высоте объекта. Чем выше и тяжелее объект, тем больше запасается гравитационной энергии. Когда человек едет на велосипеде с крутого холма и набирает скорость, энергия гравитации преобразуется в энергию движения.Гидроэнергетика — еще один пример гравитационной энергии, когда под действием силы тяжести вода пропускается через гидроэлектрическую турбину для производства электроэнергии.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия — это движение волн, электронов, атомов, молекул, веществ и объектов.
Лучистая энергия — это электромагнитная энергия, которая распространяется поперечными волнами. К лучистой энергии относятся видимый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и радиоволны.Свет – это один из видов лучистой энергии. Солнечный свет — это лучистая энергия, дающая топливо и тепло, которые делают возможной жизнь на Земле.
Тепловая энергия , или тепло, — это энергия, возникающая в результате движения атомов и молекул в веществе. Тепло увеличивается, когда эти частицы движутся быстрее. Геотермальная энергия – это тепловая энергия земли.
Энергия движения — это энергия, накопленная при движении объектов. Чем быстрее они двигаются, тем больше запасается энергии.Чтобы заставить объект двигаться, требуется энергия, и энергия высвобождается, когда объект замедляется. Ветер является примером энергии движения. Ярким примером энергии движения является автомобильная авария: автомобиль полностью останавливается и высвобождает всю свою энергию движения одновременно в неконтролируемое мгновение.
Звук — движение энергии через вещества в продольных (сжатие/разрежение) волнах. Звук возникает, когда сила заставляет объект или вещество вибрировать. Энергия передается через вещество волной.Как правило, энергия звука меньше, чем в других формах энергии.
Электрическая энергия доставляется крошечными заряженными частицами, называемыми электронами, обычно движущимися по проводу. Молния является примером электрической энергии в природе.
Внутренняя энергия — Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Уравнения изменения внутренней энергии
- Краткие заметки
- Внешние ссылки
- Участники и авторство
Внутренняя энергия системы отождествляется со случайным, неупорядоченным движением молекул; полная (внутренняя) энергия в системе включает потенциальную и кинетическую энергию.
Это контрастирует с внешней энергией, которая является функцией образца по отношению к внешней среде (например, кинетическая энергия, если образец движется, или потенциальная энергия, если образец находится на высоте от земли и т. д.). Символ изменения внутренней энергии — \(ΔU\).
Энергия в меньшем масштабе
- Внутренняя энергия включает энергию в микроскопическом масштабе
- Это сумма всех микроскопических энергий, таких как:
- поступательная кинетическая энергия
- колебательная и вращательная кинетическая энергия
- потенциальная энергия межмолекулярных сил
| Пример |
|---|
Один грамм воды при нуле градусов по Цельсию по сравнению с одним граммом меди при нуле градусов по Цельсию НЕ имеют одинаковую внутреннюю энергию, потому что, хотя их кинетические энергии равны, вода имеет гораздо более высокую потенциальную энергию, что приводит к тому, что ее внутренняя энергия намного больше. |
чем внутренняя энергия меди.Уравнения изменения внутренней энергии
Первый закон термодинамики
ΔU = q+w
, где q — тепло, а w — работа
Изолированная система не может обмениваться теплом или работать с окружающей средой, поэтому изменение внутренней энергии равно нулю.
ΔU изолированная система = 0
Энергия сохраняется
ΔU система = -ΔU окружение
Признаки внутренней энергии
- Энергия входящая система ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ (+) , что означает поглощение тепла , q>0 .Таким образом выполняется работа на системе, w>0
- Энергия уходит из системы ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ (-) , что означает тепло отдаваемое системой, q<0 и работа выполняется за счет системы, w<0
- Так как Δ U изолированная система = 0, ΔU система = -ΔU окружение и энергия сохраняется .
Краткие заметки
- Система содержит ТОЛЬКО внутреннюю энергию
- система НЕ содержит энергию в виде тепла или работы
- Теплота и работа существуют только во время изменения системы
- Внутренняя энергия является функцией состояния
Внешние ссылки
- Левин Ира Н.«Термодинамическая внутренняя энергия идеального газа жестких роторов». Дж. Хим. Образовательный 1985 : 62, 53.
Авторы и авторство
3.3: Работа, теплота и внутренняя энергия
Ранее мы уже обсуждали понятия работы и энергии в механике. Примеры и связанные с ними вопросы теплопередачи между различными объектами также обсуждались в предыдущих главах. Здесь мы хотим расширить эти концепции до термодинамической системы и ее окружения.В частности, мы подробно остановились на концепциях теплоты и теплопередачи в предыдущих двух главах. Здесь мы хотим понять, как работа выполняется термодинамической системой или с ней; как тепло передается между системой и окружающей средой; и как изменяется полная энергия системы под влиянием совершаемой работы и теплопередачи.
Работа, выполненная системой
Сила, создаваемая любым источником, может совершать работу, перемещая объект через перемещение. Как же тогда работает термодинамическая система? На рисунке \(\PageIndex{1}\) показан газ, находящийся в цилиндре с подвижным поршнем на одном конце.Если газ расширяется против поршня, он оказывает силу на расстояние и совершает работу над поршнем. Если поршень сжимает газ по мере его движения внутрь, то также совершается работа — в данном случае над газом.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Работа, совершаемая замкнутым газом при перемещении поршня на расстояние dx, определяется выражением \(dW = Fdx = pdV\).Работу, связанную с такими изменениями объема, можно определить следующим образом: Пусть давление газа на торце поршня равно p . Тогда сила, действующая на поршень со стороны газа, равна пА , где А — площадь торца.{V_2} р\,dV. \метка{eq5}\]
Этот интеграл имеет смысл только для квазистатического процесса , что означает процесс, который происходит бесконечно малыми шагами, удерживая систему в тепловом равновесии.
(Мы рассмотрим эту идею более подробно далее в этой главе.) Только тогда между давлением и объемом существует четко определенная математическая зависимость (уравнение состояния). Это соотношение можно изобразить на диаграмме зависимости давления от объема pV , где кривая представляет собой изменение состояния.Мы можем аппроксимировать такой процесс как медленно протекающий через ряд состояний равновесия. Интеграл интерпретируется графически как площадь под кривой пВ (заштрихованная область на рисунке \(\PageIndex{2}\)). Работа, совершаемая газом, положительна при расширении и отрицательна при сжатии.
Рассмотрим два процесса с участием идеального газа, которые представлены путями AC и ABC на рисунке \(\PageIndex{3}\).{V_2} \left(\dfrac{nRT}{V}\right) dV.
{V_2} \dfrac{dV}{V} = nRT ln \dfrac{V_2}{V_1}.\номер\]
Обратите внимание, что если \(V_2 > V_1\) (расширение), W положительно, как и ожидалось.
Прямые линии от A до B и затем от B до C представляют другой процесс. Здесь газ при давлении \(p_1\) сначала изобарически (постоянное давление) и квазистатически расширяется от \(V_1\) до \(V_2\), после чего квазистатически охлаждается при постоянном объеме \(V_2 \) до тех пор, пока его давление не упадет до \(p_2\).{V_2} dV = p_1(V_2 — V_1).\номер\]
От B до C объем не меняется, поэтому работа не совершается. Чистая работа по пути ABC тогда равна
\[W = p_1(V_2 — V_1) + 0 = p_1 (V_2 — V_1).\номер \]
Сравнение выражений для работы, совершаемой газом в двух процессах на рисунке \(\PageIndex{3}\), показывает, что они совершенно разные. Это иллюстрирует очень важное свойство термодинамической работы: это путь зависимый .
Мы не можем определить работу, совершаемую системой при переходе от одного состояния равновесия к другому, если мы не знаем ее термодинамический путь. Разные ценности труда связаны с разными путями.
Изотермическое расширение ван-дер-ваальсового газа
Исследования газа Ван-дер-Ваальса требуют корректировки закона идеального газа, учитывающего, что молекулы газа имеют определенный объем (см. Кинетическая теория газов). Один моль газа Ван-дер-Ваальса имеет уравнение состояния
.\[\left(p + \dfrac{a}{V_2}\right) (V — b) = RT,\nonumber \]
, где a и b — два параметра для конкретного газа.Предположим, что газ изотермически и квазистатически расширяется из объема \(V_1\) в объем \(V_2\). Какую работу совершает газ при расширении?
Стратегия Поскольку уравнение состояния задано, мы можем использовать уравнение \ref{eq5} для выражения давления через V и T . Кроме того, температура T является константой в изотермических условиях, поэтому V становится единственной изменяющейся переменной под интегралом.
Решение Чтобы вычислить этот интеграл, мы должны выразить p как функцию V .{V_2} \\[4pt] &= RT \ln \left(\dfrac{V_2 — b}{V_1 — b}\right) + a \left(\dfrac{1}{V_2} — \dfrac{1} {V_1} \right).\end{align*}\]
Значение
Принимая во внимание объем молекул, выражение для работы становится намного сложнее. Если, однако, положить \(а = 0\) и \(b = 0\), мы увидим, что выражение для работы точно соответствует работе, совершаемой изотермическим процессом для одного моля идеального газа.
Упражнение \(\PageIndex{1}\)
Какую работу совершает газ, как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\), когда он квазистатически расширяется по пути ADC ?
- Ответить
\(p_2(V_2 — V_1)\)
Внутренняя энергия
внутренняя энергия \(E_{int}\) термодинамической системы по определению является суммой механических энергий всех молекул или объектов в системе.
2/2\).2 = \dfrac{3}{2}k_BT,\номер\]
, где T — температура газа по шкале Кельвина. Следовательно, средняя механическая энергия, приходящаяся на одну молекулу идеального одноатомного газа, также равна \(3k_BT/2\), то есть
\[\overline{K_i + U_i} = \overline{K}_i = \dfrac{3}{2}k_BT.\nonumber \]
Внутренняя энергия — это просто число молекул, умноженное на среднюю механическую энергию, приходящуюся на одну молекулу. Таким образом, для n молей идеального одноатомного газа
\[E_{int} = nN_A\left(\dfrac{3}{2}k_BT\right) = \dfrac{3}{2} nRT.\номер\]
Обратите внимание, что внутренняя энергия данного количества идеального одноатомного газа зависит только от температуры и совершенно не зависит от давления и объема газа. Для других систем внутренняя энергия не может быть выражена так просто. Однако увеличение внутренней энергии часто может быть связано с повышением температуры.
Из нулевого закона термодинамики мы знаем, что когда две системы находятся в тепловом контакте, они в конце концов достигают теплового равновесия, и в этой точке они находятся при одной и той же температуре.
В качестве примера предположим, что мы смешиваем два одноатомных идеальных газа. Теперь энергия на молекулу идеального одноатомного газа пропорциональна его температуре. Таким образом, когда два газа смешиваются, молекулы более горячего газа должны терять энергию, а молекулы более холодного газа должны приобретать энергию. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие, и в этот момент температура и, следовательно, средняя поступательная кинетическая энергия на молекулу будут одинаковыми для обоих газов. Подход к равновесию для реальных систем несколько сложнее, чем для идеального одноатомного газа.Тем не менее, мы все же можем сказать, что обмен энергией между системами происходит до тех пор, пока их температуры не станут одинаковыми.
Внутренняя энергия, теплота и удельная теплоемкость
Внутренняя энергия, теплота и удельная теплоемкостьВнутренняя энергия, теплота и удельная теплоемкость
Энергия приходит к нам в разных формах: кинетическая и потенциальная энергии разных видов.
Рассмотрим систему (например, газ в баллоне). Если система в целом движется, то говорят, что система обладает кинетической энергией.Но если мы придавим систему и не позволим ей двигаться как целому, кинетическая энергия все равно будет присутствовать из-за случайного движения атомов системы. Кроме того, эти атомы могут воздействовать друг на друга, и, следовательно, с этими «связями» могут быть связаны внутренние потенциальные энергии. Конечно, для идеального газа связей нет.
внутренняя энергия системы определяется как сумма случайных внутренних кинетических энергий атомов и полных внутренних потенциальных энергий за счет связей между атомами.
Внутренняя энергия не является новой концепцией или формой энергии. С другой стороны, теплота — это новая концепция, занимающая центральное место в термодинамике. Тепло – это энергетический процесс. Нагрев происходит, когда два объекта, имеющие разную температуру, обмениваются энергией только за счет разницы температур.
Это понятие тепла называется механической моделью тепла и стало доминирующим представлением в середине 1800-х годов после знаменитого джоулевого механического эквивалента теплового эксперимента.До Джоуля люди считали тепло невидимой невесомой жидкостью, протекающей между двумя телами, имеющими разную температуру. Жидкость была названа калорической , следовательно, это было названо калорической моделью тепла .
Тепловые свойства объекта или материала являются важной характеристикой. Одно из наиболее важных тепловых свойств обнаруживается, когда некоторое количество энергии Q передается объекту путем нагревания.Как правило, Q вызывает изменение температуры объекта на
DT. Если для данного DT Q должно быть большим, мы говорим, что объект может «удерживать много тепла» и, следовательно, он имеет большую теплоемкость , Кл, гдеСº Вопрос/
ДТ.
C — это свойство объекта, оно будет зависеть от состава объекта, а также от массы объекта. Для того же материала C будет увеличиваться, если у вас больше масса материала.
Родственный термин, называемый удельная теплоемкость , c, зависит только от материала объекта, а не от массы объекта,
с º К/м
ДТ.Значения c были измерены и представлены в таблице в вашем тексте.
Перестановка у нас есть,
Q = mc
DT.ПРИМЕНЕНИЕ
: Калориметрия В калориметрии мы смешиваем два вещества, которые начинают с разных температур, и ждем, пока не будет достигнуто тепловое равновесие при конечной температуре T f . Измерение массы каждого компонента и всех этих температур позволяет найти удельную теплоемкость одного из компонентов, если вы знаете удельную теплоемкость другого компонента.
Используемый фундаментальный принцип — энергосбережение, который принимает вид
|Q , полученный одной составляющей | = |Q потеря другой составляющей |
ПРИМЕРЫ
[в классе]Раздел B: Две основные формы энергии — Энергетическое образование: концепции и практика
Энергия, которую мы ощущаем вокруг себя, кажется, имеет множество форм.Огонь горит, резинки расстегиваются, фонарики включаются и светят, предметы падают, и вещи кажутся горячими, холодными или просто нужной температуры. Когда происходит так много всего, как мы можем выяснить, какие формы энергии имеют эти вещи и события? После сотен лет наблюдений и экспериментов наука разделила энергию на две основные формы: кинетическую энергию и потенциальную энергию. Кроме того, потенциальная энергия принимает несколько собственных форм.
| Кинетическая энергия определяется как энергия движущегося объекта. Подброшенный футбольный мяч, мчащийся автомобиль, марафонец или камень, падающий со скалы, являются примерами объектов, обладающих кинетической энергией. | |
Потенциальная энергия определяется как энергия, связанная с расположением системы объектов, которые действуют друг на друга. Потенциальная энергия сохраняется или высвобождается, когда расположение объектов и/или силы, которые они воздействуют друг на друга, каким-либо образом изменяются.Системы объектов, от атомов до планет, могут быть организованы по-разному, что приводит к множеству форм потенциальной энергии: химической, упругой, электрической (электромагнитной), гравитационной, ядерной и тепловой энергии.
Хотя потенциальную энергию часто называют «запасенной» энергией, при таком упоминании могут возникнуть два заблуждения.
Во-первых, высказывание о том, что энергия хранится в чем-то, может подразумевать, что энергия представляет собой некую невидимую субстанцию, которой она таковой не является.Во-вторых, рассмотрим учебник, который держат над полом в классе. Многие скажут, что в учебнике хранится потенциальная энергия, и часто удобно думать, что только учебник обладает потенциальной энергией. Однако у учебника есть потенциальная энергия, потому что он является частью системы, включающей Землю, в которой обе силы гравитации действуют друг на друга. Другими словами, учебник не обладал бы потенциальной энергией, если бы не Земля.
Электрическая потенциальная энергия присутствует, когда положительные и отрицательные электрические заряды отделены друг от друга, как в батарее.Когда вы включаете устройство, работающее от батареи, например фонарик или игрушку, электрическая потенциальная энергия, хранящаяся в батарее, преобразуется в другие формы энергии, такие как звук, механическое движение, тепловая энергия и свет.
Для электрического прибора, который вы подключаете, электрическая потенциальная энергия поддерживается вращающимся генератором электростанции, плотины гидроэлектростанции или ветряной мельницы. Солнечная батарея накапливает электрическую потенциальную энергию подобно батарее, пока на нее светит солнце.Потери механической энергии — тепловая энергия — Nexus Wiki
В предыдущих чтениях мы обсуждали сохранение механической энергии — энергии, связанной с когерентным движением объекта, когда все молекулы объекта движутся вместе. В этом случае кинетическая энергия тела (KE = ½ mv 2 ) и его импульс ( p = mv ) связаны через KE = p 2 /2 м, как можно увидеть с помощью простой алгебры.В этом случае результат действия сил на весь объект — гравитации, электричества и пружин — можно представить в виде потенциальных энергий и привести к теореме сохранения. Прирост или проигрыш КЭ объектов компенсируется проигрышем или приростом ПЭ взаимодействия объектов.
Чтобы это работало, задействованные силы должны быть консервативными : они должны зависеть только от положения объектов (и также должны удовлетворять другим условиям).
Силы сопротивления, такие как сопротивление или трение, не удовлетворяют этим условиям и являются неконсервативными .Они могут истощать кинетическую энергию наших когерентно движущихся объектов таким образом, что становится неясно, сможем ли мы когда-нибудь ее вернуть. Поскольку мы знаем, что полная энергия сохраняется, куда она девается? Ответ заключается в тепловом движении, в том факте, что все объекты обладают «скрытой» внутренней энергией из-за случайных движений атомов и молекул, из которых они состоят. В разбавленном газе эта скрытая внутренняя энергия представляет собой кинетическую энергию молекул. В жидкостях и твердых телах он также включает потенциальную энергию взаимодействия молекул.Поскольку эти внутренние кинетическая и потенциальная энергии являются некогерентными — они соответствуют нулевому суммарному импульсу — в примерах, где мы имеем дело с когерентным движением, полезно идентифицировать эту внутреннюю (скрытую) кинетическую и потенциальную энергию как отдельный тип энергии — тепловая энергия .