Внутренняя энергия тела может изменяться путем совершения: 500 Internal Server Error

Содержание

Способы изменения внутренней энергии тела

Внутренняя энергия тела не может являться постоянной величиной. Она может изменяться у любого тела. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится, т.к. увеличится средняя скорость движения молекул. Таким образом, увеличивается кинетическая энергия молекул тела. И, наоборот, при понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.

Можно сделать вывод: внутренняя энергия тела изменяется, если меняется скорость движения молекул. Попытаемся определить, каким методом можно увеличить или уменьшить скорость передвижения молекул. Рассмотрим следующий опыт. Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Затем обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в разные стороны. Спустя определенное время, эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Опыт демонстрирует, что внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: ведь он изменил свою температуру, при этом закипев.

Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубкой веревкой.

Как мы знаем, нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, говоря проще, при деформации. Во всех приведенных примерах, внутренняя энергия тела возрастает.

Таким образом, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.

Рассмотрим еще один опыт.

В стеклянный сосуд, у которого толстые стенки и он закрыт пробкой, накачаем воздух через специально проделанное отверстие в ней.

Спустя некоторое время пробка вылетит из сосуда. В тот момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы сможем увидеть образование тумана. Следовательно, его образование обозначает, что воздух в сосуде стал холодным. Сжатый воздух, который находится в сосуде, при выталкивании пробки наружу совершает определенную работу. Данную работу он выполняет за счет своей внутренней энергии, которая при этом сокращается. Делать выводы об уменьшении внутренней энергии можно исходя из охлаждения воздуха в сосуде. Таким образом, внутреннюю энергию тела можно изменять путем совершения определенной работы.

Однако, внутреннюю энергию возможно изменить и иным способом, без совершения работы. Рассмотрим пример, вода в чайнике, который стоит на плите закипает. Воздух, а также другие предметы в помещении нагреваются  от радиатора центрального направления. В подобных случаях, внутренняя энергия увеличивается, т.к. увеличивается температура тел. Но работа при этом не совершается. Значит, делаем вывод, изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.

Рассмотрим еще один пример.

В стакан с водой опустим металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды, больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Таким образом, энергия молекул воды будет определенным образом уменьшаться, тем временем как энергия частиц металла будет повышаться. Температуры воды понизится, а температуры спицы не спеша, будет увеличиваться. В дальнейшем, разница между температурой спицы и воды исчезнет. За счет этого опыта мы увидели изменение внутренней энергии различных тел. Делаем вывод: внутренняя энергия различных тел изменяется за счет теплопередачи.

Процесс преобразования внутренней энергии без совершения определенной работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

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?

«Способы изменения внутренней энергии» урок 8 класс

Урок 2 «Способы изменения внутренней энергии»

Цель урока:

Оборудование: сосуды, спиртовка, эфир, насос, металлическая проволока, мультимедийный проектор, презентация.

Ход урока

  1. Организационный момент.

  • Может ли тело, обладая внутренней энергией, не иметь механическую энергию? Приведите примеры.

3. Объяснение нового материала.

Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться. Изменяется внутренняя энергия тела при изменении скорости движения молекул.

А сейчас выясним с вами, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул.

Опыт .

Нальем в стеклянный сосуд эфира и закроем пробкой. Трубку обовьем веревкой и начнем быстро двигать ее то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку.

Вопрос: что произойдет с внутренней энергией эфира?

Ответ: внутренняя энергия увеличиться, он нагрелся и закипел.

Вопрос: в результате чего увеличилась внутренняя энергия?

Ответ: в результате совершения работы при натирании трубки веревкой.

Вопрос: какой можно сделать вывод из данного опыта.

Вывод: внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Именно такой способ добычи огня использовали наши редки. За счет трения при быстром вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на 250°C и загорался.

Опыт 2 Сгибание медной проволоки. (на парте по одной проволоки)

Вопрос: как изменилась температура проволоки в месте сгиба?

Ответ: Проволока нагрелась.

Вопрос: изменилась ли кинетическая энергия частиц, из которых состоит проволока?

Ответ: Да, изменилась.

Вопрос: Что произошло с внутренней энергией проволоки?

Ответ: внутренняя энергия тела увеличилась.

Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании. Т.е. при деформации.

Рассмотрим следующий опыт.

В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней. Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Воздух в сосуде в сосуде стал холодным. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку совершает работу.

Вопрос: Что произошло с внутренней энергий?

Ответ: внутренняя энергия уменьшилась.

Вопрос: В результате чего уменьшилась внутренняя энергия?

Ответ: в результате совершения работы воздухом по выталкиванию пробки. Воздух в сосуде охладился.

Вопрос: какой можно сделать вывод из данного опыта.

Вывод: Если работу совершает само тело, то внутренняя энергия уменьшается.

И так мы с вами выяснили, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы самим телом или над телом.

Внутреннюю энергию можно изменить и другим способом, без совершения работы.

Например, вода в сосуде закипает, если поставить ее на огонь. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления. Внутренняя энергия в этих случаях увеличивается, так как повышается температура тел. Но при этом работа не совершается.

Такой способ изменения внутренней энергии тела называется теплопередачей.

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или сами мелом называется теплопередачей.

Теплопередача в свою очередь может осуществляться тремя способами: теплопроводностью; конвекцией; излучением.

Опыт.

Слайд 8. Опустим в стакан с горячей водой металлическую ложку. Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии молекул холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц металла будет увеличиваться. Температура воды уменьшиться, а температура ложки – постепенно увеличиться. Постепенно их температуры выравниваются.

Из данного опыта можно сделать следующий вывод.

4. Повторение и обобщение

Проверочный тест.

  1. При повышении температуры скорость движения молекул…

А) уменьшается;

Б) увеличивается;

В) остается не изменой.

  1. К тепловым явлениям относятся:

А) плавление металлов;

Б) движение автомобиля;

В) таяние снега;

Г) наступление рассвета.

  1. Тепловым движением можно считать….

А) движение одной молекулы;

Б) беспорядочное движение всех молекул;

В) движение нагретого тела;

Г) любой вид движения.

  1. Внутренняя энергия тела зависит…

А) от температуры тела;

Б) от механического движения тела;

В) от положения тела относительно других тел;

Г) от агрегатного состояния вещества.

  1. В каком из приведенных примеров внутренняя энергия увеличивается путем совершения механической работы над телом?

А) нагревание гвоздя при забивании его в доску;

Б) нагревание металлической ложки в горячей воде;

В) выбивание пробки из бутылки газированным напитком

Г) таяние льда.

6. Теплопередача происходит в направлении….

А) от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой.

Б) от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

В) при одинаковой температуре.

Домашнее задание. Параграф 3 выучить, ответить на вопросы в конце параграфа.

«Способы изменения внутреннеи энергии тела. Теплопроводность.»

Физика 8 класс Волик Н.Н.

Дата проведения

Тема: Способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность.

Цели (ожидаемый результат):

Образовательная:

  • сформировать понятия теплопередачи и изменения внутренней энергии путём совершения механической работы;

  • отработка и закрепление умений учащихся применять свои знания для объяснения конкретных явлений.

Развивающая:

  • развивать интерес к физике, мотивировать необходимость изучения тепловых явлений, раскрывать на интересных и важных примерах их широкое проявление в природе, показывать применение знаний о тепловых явлениях в быту и технике;

  • развитие умений применять полученные знания при решении расчетных и качественных задач;

  • развитие логического мышления.

Воспитательная:

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы урока: словесный, наглядный.

Оборудование: термометр, цилиндр металлический (заранее нагретый)

УМК: презентация «Изменение внутренней энергии тела».

Ход урока

  1. Орг. момент.

Приветствует учащихся, создает доброжелательный настрой

Отмечает отсутствующих

  1. Актуализация опорных знаний

Мы продолжаем изучать вопросы тепловых явлений. Сегодня рассматриваем способы изменения внутренней энергии. А прежде чем мы начнем говорить о способах изменения внутренней энергии, давайте вспомним материал предыдущего урока:

Физический диктант (заполнить пропуски): (слайд)

1. Нас окружают физические…

2. Они состоят из…

3. … движутся непрерывно.

4. Кинетическая энергия движущихся молекул и потенциальная энергия их взаимодействия образуют… энергию.

5. Об изменении внутренней энергии тела мы судим по…

Проверим ваши ответы (учащиеся обменивают своими ответами в парах и осуществляют взаимопроверку).

Пять правильных ответов это «5», четыре правильных ответа- «4» и так далее.

1. Нас окружают физические тела

2. Они состоят из молекул.

3. Молекулы движутся непрерывно.

4. Кинетическая энергия движущихся молекул и потенциальная энергия их взаимодействия образуют внутреннюю энергию.

5. Об изменении внутренней энергии тела мы судим по изменению температуры тела и деформации.

Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Они обладают одновременно кинетической и потенциальной энергией.
Эти энергии и составляют внутреннюю энергию тела.

(слайд)

Таким образом, внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

  1. Сообщение темы и целей урока

Поговорим подробнее о способах изменения внутренней энергии тела. Запишите тему урока. Способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность.

  1. Изучение нового материала

Объяснение нового материала с помощью презентации.

Внутренняя энергия не является величиной постоянной.

Если температура тела увеличивается, увеличивается и внутренняя энергия тела. Это означает, что молекулы этого тела начинают быстрее двигаться, чаще взаимодействовать друг с другом, и, соответственно расстояние между частицами увеличивается. Следовательно, энергия этого тела тоже увеличивается.

 Если же температура понижается, тело остывает, то это означает, что молекулы начинают двигаться медленнее, их кинетическая энергия и расстояние между ними уменьшается, и, следовательно, энергия тела тоже убывает.

Можно сказать, что температура является главной характеристикой внутренней энергии тела.

Итак, от каких величин зависит внутренняя энергия тела?

  Когда мы говорим об изменении внутренней энергии тела, то необходимо отметить, что не сразу сложилась теория, связывающая внутреннюю энергию и движение частиц. Почти до конца 19 века считалось, что существует так называемая субстанция – тепла, которая, втекая в тело, увеличивает его внутреннюю энергию, температуру; течением этой жидкости считалась его внутренняя энергия. А если тело остывает, то это тепло вытекает из тела, соответственно, внутренняя энергия его уменьшается.

Демонстрация: опыт по сгибанию и разгибанию медной проволоки. Место сгиба быстро становится теплым.

— Почему проволока в месте сгиба нагревается?

Обсуждая ответ на поставленный вопрос, учащиеся приходят к выводу, что, сгибая и разгибая кусок проволоки, мы совершаем механическую работу. Так как температура сгиба увеличилась, то увеличилась и средняя кинетическая энергия молекул, а значит и внутренняя энергия. Следовательно, механическая работа превратилась во внутреннюю энергию.

Рассмотрим опыт, описанный в учебнике на стр.8 (рис.4). (слайд)

Что мы совершали, натирая трубку шнуром? (Механическую работу). Как при этом изменилась внутренняя энергия жидкости внутри трубки? (Увеличилась). За счет чего увеличилась внутренняя энергия пара? (За счет совершения механической работы при натирании трубки верёвкой).

Этот способ увеличения внутренней энергии тела при трении был известен людям с глубокой древности. Именно таким способом люди добывали огонь.

Сделаем общий вывод: как можно увеличить внутреннюю энергию тела? (Совершая над ним механическую работу).

В своей жизненной практике вы также не раз сталкивались с увеличением внутренней энергии тела при совершении над ним механической работы. Работая в мастерских, например, обтачивая детали напильником, что вы замечали? (Детали нагревались).

Если  мы будем совершать работу, то тем самым будем изменять энергию тела.

То же самое можно сказать о внутренней энергии: если мы будем совершать работу над телом какими -либо внешними силами, то соответственно, внутренняя энергия этого тела будет изменяться. Если само тело будет совершать работу, например, газ, расширяясь, то будет меняться внутренняя энергия самого газа.

(слайд)

Первые опыты по изменению внутренней энергии провел английский инженер и физик Румфорт, который в 18 веке при изготовлении пушек занимался сверлением ствола. Когда происходило сверление, Румфорт заметил, что и сверло, и сам ствол очень сильно нагреваются. В результате эксперимента он убедился, что при движении-вращении сверла можно нагреть даже воду, т.е. на вершине сверла укрепляли ведро с водой, которое в результате движения сверла, закипало, выделялась огромная энергия. Это доказывало, что внутренняя энергия тела может быть изменена при помощи совершения работы.

В технике, промышленности, повседневной практике мы постоянно встречаемся с изменением внутренней энергии тела при совершении работы: нагревание тел при ковке, при ударе; совершение работы сжатым воздухом или паром и др. (слайд)

Демонстрация: Проведём еще один опыт. В стакан с водой, имеющей температуру 20С опустим цилиндр с температурой 100С. Через некоторое время температура воды станет равна 60С. Но и температура цилиндра также станет 60С. За счёт чего повышается температура воды в стакане? (Цилиндр передаёт часть тепла воде. При этом температура (внутренняя энергия) воды становится выше, а температура (внутренняя энергия) цилиндра уменьшается). Такое явление, когда одно тело отдает энергию, а другое принимает, называется теплообменом. При теплообмене температура взаимодействующих тел становятся одинаковой. (слайд)

Совершается ли работа над телом при теплообмене? (Нет). Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Изменение внутренней энергии способом теплопередачи: нагревание чайника на плите, или, если вы вдруг опустили ложку чайную в стакан с чаем, то увидите, что эта ложка нагревается, т.е. как происходит этот нагрев, без совершения работы.

Внутренняя энергия тела изменяет свою энергию и за счет теплопередачи, и за счет совершения работы.

(слайд)

Внутренняя энергия изменяется при помощи работы и теплопередачи. Необходимо отметить, что теплопередача может происходить тремя способами, это:

1) Процесс конвекции;

2)Процесс излучения;

3) Процесс теплопроводности.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Об этом мы будем говорить на последующих уроках.

  1. Физкультминутка

Раз, два – встать пора,

Три, четыре – руки шире,

Пять, шесть – тихо сесть,

Семь, восемь – лень отбросим.

  1. Закрепление изученного материала

Вопрос 1. Если кусок алюминиевой проволоки расклепать на наковальне или быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.

Ответ: Над проволокой совершается механическая работа. Механическая энергия превращается во внутреннюю.

Вопрос №2. Чем объясняется сильный нагрев покрышек автомобиля во время длительной езды?

Ответ. Покрышки нагреваются а счёт работы трения при частичном проскальзывании из по полотну дороги, и за счёт работы деформации покрышки при качении.

Вопрос №3. Когда автомобиль расходует больше горючего: при езде без остановки или с остановками? Почему?

Ответ: При остановке кинетическая энергия автомобиля превращается во внутреннюю энергию тормозных колодок. Чтобы каждый раз после остановки приобрести необходимую скорость, в двигателе должно быть израсходовано дополнительно некоторое количество горючего.

  1. Рефлексия

Итак, внутренняя энергия тела – это суммарная потенциальная и кинетическая энергия всех молекул тела. Молекулы обладают потенциальной энергией, т.к. взаимодействуют друг с другом. Потенциальная энергия молекул зависит от расстояния между молекулами. Расстояние между молекулами можно изменить деформацией или нагреванием. При нагревании и охлаждении расстояние между молекулами изменяется не очень сильно. Значительно расстояние между молекулами изменяется при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Молекулы обладают кинетической энергией, т.к. находятся в непрерывном движении. Кинетическая энергия молекул зависит от скорости движения молекул. Скорость движения молекул зависит от температуры. Следовательно, внутренняя энергия тела изменяется при деформации и изменении температуры тела.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая над телом механическую работу и способом теплопередачи. Теплопередача совершается несколькими способами.

Задает вопросы учащимся:

  • Все ли было понятно на уроке? Что вызвало трудности?

  • Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?

  • Каким способом и как изменяется внутренняя энергия продуктов, положенных в холодильник?

  • Молоток будет нагреваться, когда им забивают гвозди, а также когда он лежит на солнце.

  • Каким образом меняется внутренняя энергия молотка в каждом случае?

  • Как древние люди добывали огонь? Как сегодня в походных условиях получают огонь?

  • Каким образом происходит нагревание двигателя и его охлаждение при движении автомобиля?

  1. Оценивание

Как вы работали на уроке? Как вы себя оцениваете?

Выставляет оценки за урок, с комментариями

  1. Домашнее задание: прочитать параграф 3, 4 — выучить основные понятия, упр.1. стр.13.

Тест. Внутренняя энергия тела и способы её изменения

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Список вопросов теста

Вопрос 1

Внутренняя энергия — это 

Варианты ответов
  • сумма кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия.
  • разность между кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия.
  • сумма кинетической энергии тела и его потенциальной энергии.
  • такой энергии не существует
Вопрос 2

Внутренняя энергия тела зависит от

Варианты ответов
  • температуры тела
  • агрегатного состояния вещества
  • массы тела
  • расположения молекул в теле
  • скорости движения тела
Вопрос 3

Внутренняя энергия тела не зависит:
 

Варианты ответов
  • от его механического движения.
  • от его взаимодействия с другими телами.
  • от температуры тела.
  • от скорости движения молекул в теле.
Вопрос 4

Может ли у тела отсутствовать внутренняя энергия? В ответе запишите да или нет.

Вопрос 5

Сопоставьте утверждения и их истинность.

Варианты ответов
  • внутренняя энергия тела не изменяется при совершении работы;
  • если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается;
  • если тело совершает работу, то его внутренняя энергия увеличивается;
  • если над телом совершается работа, то его внутренняя энергия увеличивается.
Вопрос 6

Это способ изменения внутренней энергии тела, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. В ответе запишите слово. 

Вопрос 7

Укажите истинность или ложность высказываний.

Варианты ответов
  • Процесс теплопередачи происходит в определённом направлении — от более нагретых тел к менее нагретым.
  • Процесс теплопередачи происходит в неопределённом направлении.
  • При выравнивании температуры тел теплопередача прекращается.
  • При выравнивании температуры тел теплопередача продолжается в обратном направлении.
Вопрос 8

Единица измерения внутренней энергии в системе СИ.

Варианты ответов
  • Джоуль
  • Ньютон
  • Ватт
  • метр в секунду
Вопрос 9

Изменить внутреннюю энергию тела можно…

Варианты ответов
  • путём совершения механической работы.
  • теплопередачей.
  • среди ответов нет правильного.
  • внутреннюю энергию тела изменить нельзя.
Вопрос 10

На рисунке изображён процесс изменения внутренней энергии тела путём…

Варианты ответов
  • совершения механической работы.
  • теплопередачи.
  • совершения механической работы и теплопередачей.
  • среди ответов нет правильного

Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии

1. Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело; она прямо пропорциональна массе тела и квадрату его скорости. Потенциальной энергией обладают взаимодействующие между собой тела. Потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землёй, прямо пропорциональна его массе и расстоянию между
ним и поверхностью Земли.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется его полной механической энергией. Таким образом, полная механическая энергия зависит от скорости движения тела и от его положения относительно того тела, с которым оно взаимодействует.

Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу. При совершении работы энергия тела изменяется. Значение работы равно изменению энергии.

2. Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать воздух (рис. 67), то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман.

Это объясняется тем, что в воздухе, находящемся в банке, присутствует водяной пар, образующийся при испарении воды. Появление тумана означает, что пар превратился в воду, т.е. сконденсировался, а это может происходить при понижении температуры. Следовательно, температура воздуха в банке понизилась.

Причина этого следующая. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.

При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.

3. Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Кинетической энергией ​\( (E_к) \)​ молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией \( (E_п) \), поскольку они взаимодействуют.

Внутреннюю энергию обозначают буквой ​\( U \)​. Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж).

\[ U=E_к+E_п \]

4. Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию. Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела.

Внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его взаимодействия с другими телами. Так, внутренняя энергия мяча, лежащего на столе и на полу, одинакова, так же как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь сопротивлением его движению).

Об изменении внутренней энергии можно судить по значению совершённой работы. Кроме того, поскольку внутренняя энергия тела зависит от его температуры, то по изменению температуры тела можно судить об изменении его внутренней энергии.

5. Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Так, в описанном опыте внутренняя энергия воздуха и паров воды в банке уменьшалась при совершении ими работы по выталкиванию пробки. Температура воздуха и паров воды при этом понижалась, о чём свидетельствовало появление тумана.

Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.

Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.

Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды — повысится. В этом случае работа не совершается, однако внутренняя энергия горячей воды уменьшается, о чем и свидетельствует понижение её температуры.

Поскольку вначале температура горячей воды была выше температуры холодной воды, то и внутренняя энергия горячей воды больше. А это значит, что молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.

В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи.

Теплопередачей называется способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Внутренняя энергия газа в запаянном сосуде постоянного объёма определяется

1) хаотическим движением молекул газа
2) движением всего сосуда с газом
3) взаимодействием сосуда с газом и Земли
4) действием на сосуд с газом внешних сил

2. Внутренняя энергия тела зависит от

A) массы тела
Б) положения тела относительно поверхности Земли
B) скорости движения тела (при отсутствии трения)

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только Б и В

3. Внутренняя энергия тела не зависит от

A) температуры тела
Б) массы тела
B) положения тела относительно поверхности Земли

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только А и Б

4. Как изменяется внутренняя энергия тела при его нагревании?

1) увеличивается
2) уменьшается
3) у газов увеличивается, у твёрдых и жидких тел не изменяется
4) у газов не изменяется, у твёрдых и жидких тел увеличивается

5. Внутренняя энергия монеты увеличивается, если её

1) нагреть в горячей воде
2) опустить в воду такой же температуры
3) заставить двигаться с некоторой скоростью
4) поднять над поверхностью Земли

6. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится на полке, висящей на высоте 80 см относительно стола. Внутренняя энергия стакана с водой на столе равна

1) внутренней энергии воды на полке
2) больше внутренней энергии воды на полке
3) меньше внутренней энергии воды на полке
4) равна нулю

7. После того как горячую деталь опустят в холодную воду, внутренняя энергия

1) и детали, и воды будет увеличиваться
2) и детали, и воды будет уменьшаться
3) детали будет уменьшаться, а воды увеличиваться
4) детали будет увеличиваться, а воды уменьшаться

8. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится в самолете, летящем со скоростью 800 км/ч. Внутренняя энергия воды в самолёте

1) равна внутренней энергии воды в комнате
2) больше внутренней энергии воды в комнате
3) меньше внутренней энергии воды в комнате
4) равна нулю

9. После того как в чашку, стоящую на столе, налили горячую воду, внутренняя энергия

1) чашки и воды увеличилась
2) чашки и воды уменьшилась
3) чашки уменьшилась, а воды увеличилась
4) чашки увеличилась, а воды уменьшилась

10. Температуру тела можно повысить, если

А. Совершить над ним работу.
Б. Сообщить ему некоторое количество теплоты.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

11. Свинцовый шарик охлаждают в холодильнике. Как при этом меняются внутренняя энергия шарика, его масса и плотность вещества шарика? Для каждой физической величины определите соответствующий характер изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) внутренняя энергия
Б) масса
B) плотность

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

12. В бутыль, плотно закрытую пробкой, закачивают насосом воздух. В какой-то момент пробка вылетает из бутыли. Что при этом происходит с объёмом воздуха, его внутренней энергией и температурой? Для каждой физической величины определите характер её изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) объём
Б) внутренняя энергия
B) температура

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Ответы

Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии

3 (60%) 1 vote

Тест Способы изменения внутренней энергии тела 8 класс

Тест Способы изменения внутренней энергии тела 8 класс с ответами. Тест включает 7 заданий.

1. В каком из приведенных случаев внутренняя энергия тела изменяется?

1) камень, сорвавшись с утеса, падает все быстрее и быстрее
2) гантели подняты с пола и положены на полку
3) электроутюг включили в сеть и начали гладить белье
4) соль пересыпали из пакета в солонку

2. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

1) приведением его в движение
2) совершением телом или над ним работы
3) подняв его на некоторую высоту
4) путем теплопередачи

3. Изменение внутренней энергии какого тела происходит в результате теплопередачи в названных ситуациях?

1) нагревание сверла, когда делают отверстие с помощью дрели
2) понижение температуры газа при его расширении
3) охлаждение пачки масла в холодильнике
4) нагревание колес движущегося поезда

4. В каком примере внутренняя энергия тела изменяется в результате совершения механической работы?

1) чайная ложка опущена в стакан с горячей водой
2) при резком торможении грузовика от тормозов пошел запах гари
3) в электрочайнике закипает вода
4) замерзшие руки человек согревает, прижав их к теплому радиатору

5. Металлические бруски (см. рис.) имеют разную температуру. Два из них надо соединить торцами так, чтобы их внутренняя энергия не изменилась. Какие это должны быть бруски?

1) №1 и №2
2) №1 и №3
3) №3 и №4
4) №2 и №4

6. В контакт с каким бруском следует привести брусок №1, чтобы возникла теплопередача, при которой его внутренняя энергия уменьшится?

1) №2
2) №3
3) №4
4) с любым

7. При соединении с каким из приведенных на рисунке в предыдущем задании брусков возникнет процесс теплопередачи, при котором внутренняя энергия бруска №2 будет возрастать?

1) №1
2) №3
3) №4
4) Такого бруска на рисунке нет

Ответы на тест Способы изменения внутренней энергии тела 8 класс
1-3
2-24
3-3
4-2
5-2
6-3
7-4

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 первого 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, он 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 в соответствии с первым законом 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 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 (термостатом), 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 молей 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 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 (термостатом), 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 молей 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 является хорошим примером 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 систему, представляющую интерес, 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 идти — 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 обратно. Если вы едите только нужное количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге 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 способ реагирования на низкое потребление энергии.Ваша основная скорость метаболизма — это скорость, с которой пища превращается 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 на. 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.

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, когда увеличивается количество 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, она поглощается окружающей средой. Если энергия поглощается системой, то эта энергия была выпущена окружением:

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

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

Таблица 1
Процесс Знак тепла (q) Знак работы (w)
Работа, выполненная системой НЕТ
Работа над системой НЕТ +
Тепло, выделяемое системой — экзотермическое (поглощаемое окружающей средой) НЕТ

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 окружающей средой. 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.

Таблица 2
Процесс Изменение внутренней энергии Теплопередача тепловой энергии (кв) Работа (w = -PΔV) Пример
q = 0 Адиабатический + 0 + Изолированная система, в которой тепло не проникает и не уходит, подобно пенополистиролу
ΔV = 0 Постоянный объем + + 0 Жесткая система с изолированным давлением, такая как калориметр бомбы
Постоянное давление + или — энтальпия (ΔH) -PΔV Большинство процессов происходят при постоянном внешнем давлении
ΔT = 0 Изотермический 0 + Нет изменений температуры, как в термостате

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

12.2 Первый закон термодинамики: тепловая энергия и работа — физика

Цели обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Опишите, как давление, объем и температура соотносятся друг с другом и как работают на основе закона идеального газа.
  • Опишите работу давление – объем
  • Устно и математически описать первый закон термодинамики
  • Решение задач, связанных с первым законом термодинамики

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (Г)
      анализировать и объяснять повседневные примеры, иллюстрирующие законы термодинамики, включая закон сохранения энергии и закон энтропии.

Раздел Ключевые термины

Постоянная Больцмана первый закон термодинамики Закон об идеальном газе внутренняя энергия давление

Давление, объем, температура и закон идеального газа

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Просмотрите понятие силы.

[ПР] Спросите студентов, с какой силой нужно забить гвоздь в стену. Достигли бы они того же результата, если бы гвоздь был тупым, а не заостренным? Почему или почему нет?

Прежде чем рассматривать первый закон термодинамики, сначала важно понять взаимосвязь между давлением, объемом и температурой. Давление, P , определяется как

, где F — сила, приложенная к области, A , которая перпендикулярна силе.

В зависимости от области воздействия заданная сила может иметь существенно разный эффект, как показано на Рисунке 12.3.

Рис. 12.3 (a) Хотя человек, которого тыкают пальцем, может раздражаться, сила не имеет длительного эффекта. (b) Напротив, та же сила, приложенная к области размером с острый конец иглы, достаточно велика, чтобы повредить кожу.

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль , где 1 Па = 1 Н / м2, 1 Па = 1 Н / м2.

Давление определяется для всех состояний вещества, но особенно важно при обсуждении жидкостей (например, воздуха). Вы, наверное, слышали, что слово давление используется по отношению к крови (высокое или низкое кровяное давление) и по отношению к погоде (погодные системы с высоким и низким давлением). Это только два из многих примеров давления в жидкости.

Соотношение между давлением, объемом и температурой идеального газа определяется законом идеального газа.Газ считается идеальным при низком давлении и довольно высокой температуре, и силами между составляющими его частицами можно пренебречь. Согласно закону идеального газа,

, где P — давление газа, V — объем, который он занимает, N — количество частиц (атомов или молекул) в газе, а T — его абсолютная температура. Константа k называется постоянной Больцмана и имеет значение k = 1,38 × 10–23 Дж / К, k = 1,38 × 10–23 Дж / К. Для целей этой главы мы не будем вдаваться в вычисления с использованием идеального газовое право.Вместо этого для нас важно заметить из уравнения, что для данной массы газа верно следующее:

  • Когда объем постоянный, давление прямо пропорционально температуре.
  • Когда температура постоянна, давление обратно пропорционально объему.
  • Когда давление постоянно, объем прямо пропорционален температуре.

Этот последний пункт описывает тепловое расширение — изменение размера или объема данной массы в зависимости от температуры.Что является основной причиной теплового расширения? Повышение температуры означает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. Газы особенно подвержены тепловому расширению, хотя жидкости расширяются в меньшей степени при аналогичном повышении температуры, и даже твердые тела имеют незначительное расширение при более высоких температурах. Вот почему железнодорожные пути и мосты имеют компенсаторы, которые позволяют им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] [AL] Сообщите учащимся, что закон идеального газа строго верен только для газов, которые идеальны .Настоящие газы в чем-то отличаются от них. Например, предполагается, что в идеальном газе нет межмолекулярных сил, все столкновения между молекулами совершенно упругие и т. Д. Однако закон идеального газа полезен в расчетах, потому что при стандартных условиях температуры и давления многие реальные газы, такие как кислород, азот, водород и благородные газы, демонстрируют качественное поведение, очень близкое к поведению идеального газа.

Чтобы получить некоторое представление о том, как давление, температура и объем газа связаны друг с другом, рассмотрим, что происходит, когда вы закачиваете воздух в спущенную шину.Сначала объем шины увеличивается прямо пропорционально количеству впрыскиваемого воздуха без значительного увеличения давления в шине. Когда шина расширилась почти до своего полного размера, стенки ограничивают объемное расширение. Если вы продолжите нагнетать воздух в шину (которая теперь имеет почти постоянный объем), давление возрастет с увеличением температуры (см. Рисунок 12.4).

Рис. 12.4 (a) Когда воздух нагнетается в спущенную шину, его объем сначала увеличивается без значительного увеличения давления.(b) Когда шина заполнена до определенной точки, стенки шины сопротивляются дальнейшему расширению, и давление увеличивается по мере добавления воздуха. (c) После того, как шина полностью накачана, ее давление увеличивается с температурой.

Работа «давление – объем»

Работа «давление – объем» — это работа, которая выполняется за счет сжатия или расширения жидкости. Когда происходит изменение объема, а внешнее давление остается постоянным, происходит работа давления и объема. Во время сжатия уменьшение объема увеличивает внутреннее давление в системе, так как работа выполняется на системе .Во время расширения (рис. 12.5) увеличение объема снижает внутреннее давление в системе, поскольку система выполняет работу .

Рис. 12.5 Расширение газа требует передачи энергии для поддержания постоянного давления. Поскольку давление постоянно, проделанная работа равна PΔVPΔV.
.

Напомним, что формула работы: W = Fd.W = Fd. Мы можем изменить определение давления, P = FA, P = FA, чтобы получить выражение для силы в терминах давления.

Подставляя это выражение для силы в определение работы, получаем

Поскольку площадь, умноженная на смещение, является изменением объема, W = PΔVW = PΔV
, математическое выражение для работы давление – объем равно

Так же, как мы говорим, что работа — это сила, действующая на расстоянии, для жидкостей мы можем сказать, что работа — это давление, действующее через изменение объема.Для работы давление – объем давление аналогично силе, а объем аналогичен расстоянию в традиционном определении работы.

Watch Physics

Работа с расширением

В этом видео описывается работа с расширением (или работа давление – объем). Сал объединяет уравнения W = PΔVW = PΔV
и ΔU = Q − WΔU = Q − W
чтобы получить ΔU = Q − PΔVΔU = Q − PΔV
.

Проверка захвата

Если объем системы увеличивается, а давление остается постоянным, значение работы, проделанной системой W , положительное или отрицательное? Будет ли это увеличивать или уменьшать внутреннюю энергию системы?

  1. Положительный; внутренняя энергия уменьшится
  2. Положительный; внутренняя энергия увеличится
  3. Отрицательный; внутренняя энергия уменьшится
  4. Отрицательный; внутренняя энергия увеличится

Первый закон термодинамики

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Проверьте теплопередачу.Когда и как происходит передача тепла между двумя телами? Что происходит, когда энергия передается в систему или из нее под действием тепла?

Тепло ( Q ) и работа ( W ) — это два способа добавления или удаления энергии из системы. Процессы очень разные. Тепло вызывается разницей температур, а работа связана с силой, действующей на расстоянии. Тем не менее тепло и работа могут дать одинаковые результаты. Например, оба могут вызвать повышение температуры. Тепло передает энергию системе, например, когда солнце нагревает воздух в велосипедной шине и повышает температуру воздуха.Точно так же можно работать с системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину. Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано жарой или работой. Тепло и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменять внутреннюю энергию U системы.

Внутренняя энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Его можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия, и зависит только от состояния системы (то есть P , V и T ), а не от того, как энергия входит или выходит. система.

Чтобы понять взаимосвязь между теплотой, работой и внутренней энергией, мы используем первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых тепло и работа являются методами передачи энергии в системы и из них. Его также можно использовать для описания того, как энергия, передаваемая теплом, преобразуется и снова передается работой.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL] [AL] Попросите учащихся привести примеры процессов, при которых энергия преобразуется из одной формы в другую.Проанализируйте, происходит ли передача энергии за счет тепла в каждом конкретном случае.

Советы для успеха

Напомним, что принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, но ее можно изменять из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии закрытой системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

.

Здесь ΔUΔU
— изменение внутренней энергии , U системы.Как показано на рис. 12.6, Q — это чистое тепло , переданное в систему , то есть Q — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. W — это чистая работа , выполненная системой , то есть W — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею. По соглашению, если значение Q положительно, то в системе имеется чистая теплопередача; если значение W положительное, значит, система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему за счет тепла, а положительный W забирает энергию из системы за счет работы.Обратите внимание, что если тепло передает системе больше энергии, чем та, которую производит работа, разница сохраняется как внутренняя энергия.

Рис. 12.6 Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии , установленный для системы, где тепло и работа являются методами передачи энергии в систему и из нее. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех передач тепла в систему и из нее. Q положителен для чистой передачи тепла в систему.WoutWout — это работа, выполненная системой , а WinWin — это работа, выполненная в системе . W — это общая работа, выполненная в системе, или , выполненная системой. W положительно, когда выполняет больше работы система, чем она. Изменение внутренней энергии системы ΔUΔU связано с теплом и работой по первому закону термодинамики: ΔU = Q − W.ΔU = Q − W.

Отсюда также следует, что отрицательное значение Q указывает на то, что энергия передается от от системы за счет тепла и, таким образом, уменьшает внутреннюю энергию системы, тогда как отрицательное значение Вт — это работа, выполняемая на системе, которая увеличивает внутреннюю энергию.

Watch Physics

Первый закон термодинамики / внутренняя энергия

Это видео объясняет первый закон термодинамики, сохранения энергии и внутренней энергии. Он рассматривает пример преобразования энергии между кинетической энергией, потенциальной энергией и теплопередачей из-за сопротивления воздуха.

Проверка захвата

Рассмотрим пример подбрасывания мяча при сопротивлении воздуха. Что, по вашему мнению, произойдет с конечной скоростью и конечной кинетической энергией мяча по мере увеличения сопротивления воздуха? Почему?

  1. Оба уменьшатся.Энергия передается воздуху за счет тепла из-за сопротивления воздуха.
  2. Оба увеличатся. Энергия передается от воздуха к мячу за счет сопротивления воздуха.
  3. Конечная скорость увеличится, но конечная кинетическая энергия уменьшится. Энергия передается от мяча к воздуху через сопротивление воздуха.
  4. Конечная скорость уменьшится, но конечная кинетическая энергия увеличится. Энергия передается от воздуха к мячу посредством тепла через сопротивление воздуха.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Продемонстрируйте, что уравнение можно переформулировать как Q = ΔU + W.Q = ΔU + W. Это показывает, что любая энергия, добавляемая к системе за счет тепла, либо преобразуется в работу, либо сохраняется как внутренняя энергия.

Смотреть Physics

Подробнее о внутренней энергии

В этом видео подробно рассказывается о внутренней энергии и о том, как использовать уравнение ΔU = Q − W. ΔU = Q − W.
Обратите внимание, что Sal использует уравнение ΔU = Q + WΔU = Q + W
, где W — это работа, выполненная в системе , тогда как мы используем W для представления работы, выполненной системой.

Проверка захвата

Если 5 \, \ text {J} уносятся теплом из системы, и система выполняет 5 \, \ text {J} работы, каково изменение внутренней энергии системы?

  1. {-10} \, \ text {J}
  2. 0 \, \ text {J}
  3. 10 \, \ text {J}
  4. 25 \, \ text {J}

Ссылки на физику

Биология: биологическая термодинамика

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

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

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

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

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

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

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

Проверка захвата

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

    еще

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

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

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

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

Решение задач, связанных с первым законом термодинамики

Рабочий пример

Расчет изменения внутренней энергии

Предположим, 40.00 Дж энергии передается системе с помощью тепла, в то время как система выполняет 10,00 Дж работы. Позже тепло передает 25,00 Дж из системы, в то время как 4,00 Дж приходится на работу в системе. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

Стратегия

Сначала необходимо рассчитать чистое тепло и чистую работу. Затем, используя первый закон термодинамики, ΔU = Q − W, ΔU = Q − W, найдите изменение внутренней энергии.

Решение

Чистое тепло — это передача тепла в систему за вычетом передачи тепла из системы, или

Q = 40.00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж. Q = 40,00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж.

12,7

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

W = 10,00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж. W = 10,00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж.

12,8

Изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики.

ΔU = Q − W = 15,00 Дж − 6,00 Дж = 9,00 Дж ΔU = Q − W = 15,00 Дж − 6,00 Дж = 9,00 Дж

12,9

Обсуждение

Другой способ решить эту проблему — найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов отдельно, а затем сложить два изменения, чтобы получить общее изменение внутренней энергии.Такой подход будет выглядеть следующим образом:

Для 40,00 Дж тепла на входе и 10,00 Дж на тренировке изменение внутренней энергии составляет

ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00 Дж − 10,00 Дж = 30,00 Дж. ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00 Дж − 10,00 Дж = 30,00 Дж.

12,10

При 25,00 Дж отвода тепла и 4,00 Дж работы на входе изменение внутренняя энергия

ΔU2 = Q2 − W2 = −25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. ΔU2 = Q2 − W2 = −25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж.

12,11

Общее изменение составляет

ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00 Дж + (- 21,00 Дж) = 9,00 Дж. ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 Дж + (- 21,00 Дж) = 9,00 Дж.

12,12

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

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] Убедитесь, что учащиеся четко понимают использование отрицательных знаков для передачи тепла и работы. Работа, выполненная с помощью изолированной системы , означает увеличение объема, поэтому W является положительным, а ΔUΔU уменьшается или отрицательным.

Рабочий пример

Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

U производится двумя разными процессами

Каково изменение внутренней энергии системы, когда всего 150.00 Дж передается за счет тепла от системы, а 159,00 Дж приходится на работу в системе?

Стратегия

Полезное тепло и работа уже заданы, поэтому просто используйте эти значения в уравнении ΔU = Q − W. ΔU = Q − W.

Решение

Здесь чистое тепло и общая работа даны непосредственно как Q = -150,00 Дж и W = -159,00 Дж, Q = -150,00 Дж и W = -159,00 Дж, так что

ΔU = Q − W = −150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. ΔU = Q − W = −150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж.

12,13

Обсуждение

Рисунок 12.8 Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (а) Всего
15,00 Дж теплопередачи происходит в системе, в то время как работа забирает в общей сложности 6,00 Дж.
Изменение внутренней энергии ΔU = Q — W = 9,00 Дж. (Б) Теплообмен удаляет
150,00 Дж из системы, в то время как работа вкладывает в нее 159,00 Дж, что дает увеличение на 9,00
Дж во внутренней энергии. Если система запускается в том же состоянии в (a) и (b), она закончится
в одном и том же конечном состоянии в любом случае — его конечное состояние связано с внутренней энергией, а не
как эта энергия была получена.

Совершенно другой процесс во втором отработанном примере дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в первом отработанном примере. Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с ΔUΔU, а не с отдельными задействованными Q или W . В обеих задачах система оказывается в том же состоянии и . Обратите внимание, что, как обычно, на Рисунке 12.8 выше, WoutWout
выполняется работа по системе и WinWin
выполняется работа по системе .

Практические задачи

3.

Сколько работы совершает газ под давлением 20 Па, увеличивающийся в объеме на 3,0 м 3 ?

  1. –0,15 Дж
  2. 6,7 Дж
  3. –23 Дж
  4. 60 Дж

4.

Что такое чистое тепло, выходящее из системы, когда 25 \, \ text {J} передается за счет тепла в систему, а 45 \, \ text {J} передается из нее?

  1. {-70} \, \ text {J}
  2. {-20} \, \ text {J}
  3. 20 \, \ text {J}
  4. 70 \, \ text {J}

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела.Если учащиеся борются с какой-либо конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.

5.

Что такое давление?

  1. Давление — это сила, разделенная на длину.
  2. Давление — это сила, разделенная на площадь.
  3. Давление — это сила, разделенная на объем.
  4. Давление — это сила, разделенная на массу.

6.

Что такое единица СИ для давления?

  1. паскаль, или Н / м 3
  2. кулон
  3. ньютон
  4. паскаль, или Н / м 2

7.

Что такое работа «давление-объем»?

  1. Это работа, которая выполняется за счет сжатия или расширения жидкости.
  2. Это работа, которая выполняется силой над объектом для создания определенного смещения.
  3. Это работа, которую совершают поверхностные молекулы жидкости.
  4. Это работа, которую совершают высокоэнергетические молекулы жидкости.

8.

Когда считается, что работа по давлению-объему выполняется в системе?

  1. Когда увеличивается как объем, так и внутреннее давление.
  2. Когда наблюдается уменьшение как объема, так и внутреннего давления.
  3. При уменьшении объема и повышении внутреннего давления.
  4. Когда происходит увеличение объема и уменьшение внутреннего давления.

9.

Каким образом можно добавить или удалить энергию из системы?

  1. Передача энергии посредством тепла — это единственный способ добавить или удалить энергию из системы.
  2. Выполнение работы по сжатию — единственный способ добавить или удалить энергию из системы.
  3. Выполнение работ по расширению — это единственный способ добавить или убрать энергию из системы.
  4. Передача энергии посредством тепла или выполнения работы — это способы добавления энергии или удаления энергии из системы.

10.

Что такое внутренняя энергия?

  1. Это сумма кинетических энергий атомов и молекул системы.
  2. Это сумма потенциальных энергий атомов и молекул системы.
  3. Это сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы.
  4. Это разница между величинами кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы.

Эффективность человеческого тела — Физика тела: движение к метаболизму

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

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

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

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

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

Тепло

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

Энергосбережение

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

.

(1)

Тепловые двигатели

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

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

(2)

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

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

Повседневный пример: энергия для подъема по лестнице

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

Во-первых, давайте посчитаем изменение потенциальной энергии гравитации:

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

.

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

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

(3)

Перестановка на:

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

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

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

Примеры на каждый день

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

Есть 1,464,400 J / бублик

Следовательно нам нужно съесть:

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

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

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

Примеры на каждый день: снова восхождение по лестнице

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа — Энергетическое образование

Работа — это передача механической энергии от одного объекта к другому.Поскольку работа — это движение энергии, она измеряется в тех же единицах, что и энергия: джоулях (Дж). Определение работы в контексте физики сильно отличается от того, как оно используется в повседневной жизни человека, и выглядит следующим образом: [1]

Работа выполняется при приложении силы к объекту на расстоянии.

Это означает, что когда к объекту на расстоянии применяется сила, это влияет на общую энергию объекта. Объект будет либо ускоряться, либо замедляться, что приведет к изменению его кинетической энергии (см. Рисунок 1), либо у него будет измененная потенциальная энергия, если, например, он был поднят на определенную высоту под действием силы тяжести. [1]

Рис. 1. Питчер работает с бейсбольным мячом, чтобы увеличить его кинетическую энергию. Его рука отводится как можно дальше назад, а затем как можно дальше вперед, чтобы максимально увеличить расстояние, на которое была приложена сила. [2]

Однако работа выходит за рамки того, что человек может физически видеть; он также может влиять на микроскопические свойства системы, такие как температура. В 1843 году эту идею начали исследовать ученые, [3] , и ее результаты привели к формулировке того, что сейчас известно как термодинамика.Работа с системой может повлиять на ее внутреннюю энергию, как и добавление тепла; однако они принципиально разные, и их можно изучить на странице «Теплота против работы».

Все описанные до сих пор случаи того, как работа может влиять на систему, можно суммировать в одном уравнении: [1]

[математика] W = \ Delta K + \ Delta U + \ Delta E_ {th} [/ math]

Это уравнение говорит о том, что работа ([math] W [/ math]) может изменять ([math] \ Delta [/ math]): кинетическую энергию ([math] K [/ math]), потенциальную энергию ( [math] U [/ math]), тепловая энергия ([math] E_ {th} [/ math]) или любая их комбинация.

Фактически выполненную работу можно рассчитать по следующей формуле: [4]

[математика] W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} [/ math]

Где:

  • [math] W [/ math] — работа или изменение механической энергии, измеряемое в джоулях (Дж)
  • [math] F [/ math] — сила, измеряемая в ньютонах (Н)
  • [math] d [/ math] — смещение объекта

Стрелки над силой и смещением указывают, что они являются векторами. Это означает, что у них есть связанное с ними направление, которое имеет важное значение для того, сколько работы выполняется с объектом.Если оба направления совпадают, как показано на рисунке 1, энергия системы увеличится, что означает, что была проделана положительная работа. Если направления противоположны, например сила трения и сопротивления воздуха движущемуся автомобилю, энергия системы будет уменьшаться, что приведет к выполнению отрицательной работы.

С точки зрения физики, работа никогда не бывает чем-то, что есть у объекта. Это всего лишь то, что один объект делает с другим. Работа изменяет количество механической и внутренней энергии, которой обладают объекты.Когда работа выполняется над системой или объектом , к этому добавляется энергия. Когда работа выполняется системой или объектом, она отдает часть своей энергии чему-то другому.

Бросок мяча означает, что рука прикладывает силу, когда рука движется вперед. Приложив силу к мячу на этом расстоянии, рука выполняет работу с мячом, и мяч получает кинетическую энергию. Это то, что придает ему скорость.

Математические отношения между полной работой и полной энергией описываются теоремой работы-энергии и сохранения энергии.Простые машины могут изменять количество силы, необходимой для перемещения объекта, но сила должна применяться на большем расстоянии: они не меняют объем проделанной работы.

Список литературы

  1. 1.0 1.1 1.2 Р. Д. Найт, «Работа и кинетическая энергия» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, глава 11, разделы 2 и 3, стр. 278-301.
  2. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https: // upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Baseball_pitching_motion_2004.jpg
  3. ↑ Hyperphysics, Механический эквивалент тепла [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html#c3
  4. ↑ R. Nave. (2015, 21 июня) Работа Онлайн. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wcon.html

Первый закон термодинамики — обзор

5.1 Введение

Первый закон термодинамики обычно считается наименее сложным для понимания, поскольку он является расширением закона сохранения энергии, означающим, что энергия не может быть ни создана ни уничтожен.Сколько бы энергии ни было в начале Вселенной, она будет и в конце. Однако термодинамика — тонкая тема, и первый закон гораздо интереснее, чем можно было бы предположить из этого замечания. Более того, подобно нулевому закону, который послужил толчком к введению свойства «температура» и его уточнению, первый закон мотивирует введение и помогает прояснить смысл неуловимого понятия «энергия».

Энергетический баланс, основанный на первом законе термодинамики, разработан, чтобы лучше понять любой процесс, облегчить проектирование и контроль, указать на потребности в улучшении процесса и обеспечить возможную оптимизацию.Степень совершенства в использовании энергии процесса или его отдельных частей позволяет сравнивать степень совершенства и соответствующие параметры процесса с таковыми в других аналогичных процессах. Особенно важно сравнение с достижимыми в настоящее время значениями в наиболее эффективных системах. Могут быть установлены приоритеты для требуемых попыток оптимизации системы или ее компонентов. Такие приоритеты могут осуществляться либо на основе чрезмерного потребления энергии, либо на основе особо низкой степени совершенства.

Однако энергетический подход имеет некоторые недостатки. Как правило, энергообмен нечувствителен к предполагаемому направлению процесса, например, анализ энергии позволяет самопроизвольно переносить тепло в направлении повышения температуры. Энергия также не различает ее качество, например, 1 Вт тепла равен 1 Вт работы или электричества.

Первый закон термодинамики гласит, что полная энергия системы остается постоянной, даже если она преобразуется из одной формы в другую.Например, кинетическая энергия — энергия, которой обладает объект при движении, — преобразуется в тепловую энергию, когда водитель нажимает на тормоз автомобиля, чтобы замедлить его движение. Первый закон термодинамики связывает различные формы кинетической и потенциальной энергии в системе с работой, которую система может выполнять, и с передачей тепла. Этот закон иногда принимают за определение внутренней энергии , а также вводит дополнительную переменную состояния, энтальпию . Первый закон термодинамики допускает существование многих возможных состояний системы.Однако опыт показывает, что бывают только определенные состояния. В конечном итоге это приводит ко второму закону термодинамики и определению другой переменной состояния, называемой энтропией .

Работа — это движение против противоположной силы. Чтобы поднять вес против силы тяжести, нужно потрудиться. Величина работы зависит от массы объекта, силы гравитационного воздействия на него и высоты, на которую он поднимается. Работа — это основная основа термодинамики и, в частности, первого закона.Любая система способна работать. Например, сжатая или растянутая пружина может выполнять такую ​​работу, как та, которая используется для подъема веса. Электрическая батарея способна выполнять работу, так как ее можно подключить к электродвигателю, который, в свою очередь, можно использовать для подъема груза. Это не совсем очевидный момент, но когда электрический ток проходит через нагреватель, он воздействует на нагреватель, так как тот же ток можно использовать для подъема веса, пропуская его через электродвигатель, а не через нагреватель.Тогда, почему нагреватель называется «нагреватель », а не « рабочий », очевидно из концепции тепла, которая была определена в главе 4.

Первый закон термодинамики обычно называют сохранением энергии. В курсах элементарной физики при изучении закона сохранения энергии особое внимание уделяется изменениям механической кинетической и потенциальной энергии и их взаимосвязи с работой. Более общая форма сохранения энергии включает эффекты теплопередачи и изменения внутренней энергии.Эта более общая форма обычно называется первым законом термодинамики . Также могут быть включены другие формы энергии, такие как электростатическая, магнитная, деформационная и поверхностная энергия.

Чтобы понять и лучше понять работу с точки зрения термодинамики, необходим термин, обозначающий способность системы выполнять работу. Этот член равен энергии . Полностью растянутая пружина выполняет большую работу, чем та же пружина, только слегка растянутая. Литр горячей воды имеет большую энергию, чем литр холодной воды.Следовательно, понятие энергии — это просто мера способности системы выполнять работу.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, а только изменена в форме . Для любой системы передача энергии связана с пересечением массы через границу управления, внешней работой или теплопередачей через границу. Это приводит к изменению запасенной энергии в контрольном объеме. Массовый расход жидкости связан с кинетической, потенциальной, внутренней энергией и энергиями «потока», которые влияют на общий энергетический баланс системы.Обмен внешней работы и тепла завершает энергетический баланс. Вот почему первый закон термодинамики упоминается как принцип сохранения энергии , что означает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена , а скорее преобразована в различные формы по мере изменения жидкости в контрольном объеме. Система — это область в пространстве (контрольный объем), через которую рабочая жидкость может проходить или не проходить. Затем наблюдаются различные энергии, связанные с жидкостью, когда они пересекают границы системы, и устанавливается баланс.Как обсуждалось в главе 1, система может быть одного из трех типов:

1.

Изолированная система;

2.

Закрытая система;

3.

Открытая система.

Открытая система, самая общая из трех, позволяет массе, теплу и внешней работе пересекать контрольную границу. Баланс выражается в работе, поскольку все энергии в системе равны всем энергиям, выходящим из системы, плюс изменение накопления энергий внутри системы.

Система может быть механическим устройством, биологическим организмом или определенным количеством материала, например хладагентом в кондиционере или паром, расширяющимся в турбине. Термодинамическая система — это система, которая может взаимодействовать (и обмениваться энергией) со своим окружением или окружающей средой, по крайней мере, двумя способами, одним из которых является передача тепла. Знакомый пример — количество ядер попкорна в кастрюле с крышкой (рис. 5.1). Когда кастрюлю ставят на плиту, попкорну добавляется энергия за счет теплопроводности; Когда попкорн лопается и расширяется, он действительно работает, поскольку он оказывает восходящее усилие на крышку и смещает ее.

Рисунок 5.1. Попкорн в горшочке — это термодинамическая система. В показанном здесь термодинамическом процессе к системе добавляется тепло, и система воздействует на окружающую среду, поднимая крышку кастрюли.

Состояние попкорна изменяется в этом процессе, так как объем, температура и давление попкорна изменяются по мере того, как он лопается. Такой процесс, как этот, при котором происходят изменения состояния термодинамической системы, называется термодинамическим процессом. В термодинамических системах важно с самого начала четко определить, что именно входит в систему, а что нет.Только тогда можно будет однозначно описать перенос энергии. Например, в примере с попкорном система была определена так, чтобы включать попкорн, но не кастрюлю, крышку или плиту.

ньютоновская механика — Почему общая работа, выполняемая над объектом, заключается в изменении кинетической энергии, а не в общей энергии?

Поскольку вы занимаетесь основами, я буду придерживаться простых предположений о постоянной чистой (полной) силе $ F $ в одном измерении, действующей на объект массы $ m $. Мы также предположим, что ваш объект является твердым телом, поэтому мы не можем накапливать энергию при деформации объекта.*

долларов США

говорят, что проделанная работа вызывает передачу энергии, так почему же эта энергия не может быть потенциальной энергией?

$ W_ {total} = \ Delta K $ не означает, что мы не можем выполнять работу по изменению потенциальной энергии объекта. Я знаю, вы говорите, что еще не дошли до этого, но мы должны поговорить здесь о консервативных силах. Для наших целей консервативная сила — это сила, с которой мы можем связать потенциальную энергию. Гравитация — один из таких примеров. Гравитация оказывается консервативной, поэтому мы можем иметь гравитационную потенциальную энергию.

Хорошим свойством консервативных сил является то, что их работа с объектом равна отрицательному изменению потенциальной энергии.
$$ W_ {cons} = — \ Delta U $$
Итак, это означает, что мы можем либо посмотреть на работу, выполняемую консервативными силами, либо вместо этого просто рассмотреть изменение потенциальной энергии.

В качестве примера предположим, что я поднимаю книгу вверх с постоянной скоростью (что также означает постоянную кинетическую энергию). Поскольку скорость книги постоянна, у нас есть общая проделанная работа (и я, и сила тяжести, единственные силы, действующие на книгу) $$ W_ {total} = \ Delta K = 0 $$

Если мы вместо этого решим рассмотреть потенциальную энергию, что у нас есть? Что ж, тогда мы можем сказать
$$ W_ {total} = W_ {me} + W_ {grav} = W_ {me} — \ Delta U = 0 $$
Или
$$ W_ {me} = \ Delta U $$
И поэтому мы обычно говорим в этом сценарии, что «работа, которую я делаю, превращается в потенциальную энергию книги.«

Итак, всего работы просто изменяют кинетическую энергию. Это не означает, что потенциальная энергия не меняется. Просто в уравнении $ W_ {total} = \ Delta K $ изменение потенциальной энергии уже включено в общую работу как работа, совершаемая консервативной силой.


В сторону комментаторов Я не говорю, что силы не могут делать такие вещи, как изменение потенциальной энергии. Это правда, что всего работы, проделанной с объектом, равны его изменению кинетической энергии.Это не означает, что единственное, что можно сделать, — это изменить кинетическую энергию.

Чтобы приблизить это к себе, в целом мы можем разделить всю проделанную работу на работу, выполняемую консервативными и неконсервативными силами.
$$ W_ {total} = W_c + W_ {nc} = \ Delta K $$
Но, как обсуждалось выше, $ W_c = — \ Delta U $. Следовательно
$$ W_ {nc} — \ Delta U = \ Delta K $$
или
$$ W_ {nc} = \ Delta U + \ Delta K = \ Delta E $$

Обычно это то, что вы видите как «сохранение энергии», когда только неконсервативные силы могут изменить общую механическую энергию.

Конечно, вы можете принять во внимание только потенциальную энергию некоторых консервативных сил, а не все из них. Тогда вы могли бы интерпретировать уравнение как
$$ W_ {ext} = \ Delta U ‘+ \ Delta K = \ Delta E $$

, где штрихованная потенциальная энергия просто отличается от предыдущего уравнения, в котором участвовали все консервативные силы, а не только некоторые из них. $ W_ {ext} $ можно рассматривать как работу, совершаемую «внешними силами», которыми в данном случае являются все неконсервативные силы, а также любые консервативные силы, работу которых мы не принимаем во внимание, используя потенциальную энергию.* $ Для более продвинутого читателя мы можем проделать аналогичные рассуждения с непостоянными силами и в большем количестве измерений, но мы приходим к аналогичному соотношению
$$ W_ {total} = \ int \ mathbf F \ cdot \ text d \ mathbf x = \ Delta K $$
где это линейный интеграл, выполняемый по пути, по которому движется частица.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.