Способы изменения внутренней энергии

Потрите ладони друг о друга несколько секунд. Они стали теплее. Кто передал им «тепло»? Этот вопрос специально сформулирован неточно: изменение произошло, но более тёплого тела рядом не было.

Трение ладоней — пример совершения механической работы над телом.

Два пути к изменению U

Внутренняя энергия тела может измениться двумя способами:

1. При совершении механической работы над телом или самим телом.
2. При теплопередаче — передаче энергии из-за разности температур без совершения механической работы над телом или самим телом.

Результат может быть похожим: внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается. Но физическая причина различается, поэтому всегда сначала выбирают систему и спрашивают: кто совершает работу или передаётся ли энергия из-за разности температур без совершения работы?

Способ 1. Совершение работы

Выберем системой одну ладонь. Сила трения со стороны другой ладони совершает над ней механическую работу. Упорядоченное движение рук частично превращается во внутреннюю энергию обеих ладоней и окружающей среды.

Другие примеры:

• тормозные колодки нагревают диск при торможении;
• сверло и деталь нагреваются во время обработки;
• проволока нагревается при многократном сгибании;
• при сжатии газа работу совершают над газом.

При торможении механическая энергия велосипеда перераспределяется во внутреннюю энергию тормоза, колеса и окружающей среды.

Работа не всегда означает увеличение внутренней энергии выбранной системы. Если газ расширяется и толкает поршень, работу совершает сам газ. Чтобы уверенно определить изменение его внутренней энергии, могут понадобиться данные о температуре и обмене энергией с окружающей средой.

Способ 2. Теплопередача

Под контролем учителя поставим герметичную пластиковую ёмкость с водой комнатной температуры в тёплую водяную баню. Температура воды в бане — не выше $40 ^circmathrm{C}$; её проверяет учитель. Ёмкость не сжимают и не трут, но температура воды внутри постепенно увеличивается. Энергия передаётся из-за разности температур — это теплопередача.

Учебная установка: зонд находится в воде внутри флакона; второй датчик контролирует температуру ванны.

Для измерения изменения температуры используют

$Delta t = t_2 - t_1$.

Например, если $t_1 = 21 ^circmathrm{C}$, а $t_2 = 27 ^circmathrm{C}$, то $Delta t = +6 ^circmathrm{C}$. Положительный знак показывает повышение температуры. Эти числа — пример; в опыте записывают собственные показания.

Направление передачи энергии

При тепловом контакте энергия самопроизвольно передаётся от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Горячая кружка у окна остывает: энергия передаётся от кружки воздуху, подоконнику и другим окружающим телам. Нельзя говорить, что «холод входит в кружку».

Чтобы объяснить направление, сначала сравни температуры системы и окружения.

Один результат — разные причины

Сравним нагрев ладоней:

В обоих случаях внутренняя энергия выбранной ладони может увеличиться. Но одинаковый результат не делает способы одинаковыми.

Безопасный опыт

Для школьного опыта можно использовать пластиковый шприц без иглы. Его носик закрывает учитель мягкой заглушкой, шприц не направляют на людей. При медленном сжатии работу совершают над воздухом, при расширении воздух совершает работу над поршнем.

Без датчика и контроля теплообмена нельзя по одному движению поршня объявлять измеренным знак изменения внутренней энергии. Сначала формулируют прогноз, затем выбирают измеряемую величину.

На следующем шаге

Теплопередача может происходить благодаря теплопроводности, конвекции и излучению. Здесь мы только называем эти механизмы. Подробно выяснять, чем они различаются, будем в следующих уроках.

Частые ошибки

Проверь себя

Для каждой ситуации назови систему, способ изменения внутренней энергии и ожидаемое направление изменения $U$.

1. Ложка комнатной температуры лежит в горячем чае.
2. Тормозной диск и колодки нагреваются при торможении.
3. Выключенная батарея постепенно остывает.
4. Напильник обрабатывает металлическую деталь.
5. Более прохладные ладони касаются тёплой кружки.

Дополнительный вопрос: чем нагрев ладоней при трении отличается от нагрева ладоней от тёплой кружки?

Сначала заполни собственную таблицу «система → способ → изменение U → доказательство». Ответы находятся ниже на этой же странице.

---

Ответы

1. Ложка: теплопередача от чая к ложке, $U$ ложки увеличивается.
2. Тормозной диск и колодки: совершается работа сил трения, их внутренняя энергия увеличивается.
3. Батарея: теплопередача от батареи к более холодному окружению, $U$ батареи уменьшается.
4. Деталь: напильник совершает работу, внутренняя энергия детали увеличивается.
5. Ладони: теплопередача от более тёплой кружки, внутренняя энергия ладоней увеличивается.

При трении над каждой выбранной ладонью сила трения со стороны другой ладони совершает механическую работу. При контакте с кружкой причиной является разность температур. В обоих случаях $U$ ладони может увеличиться.

Короткий итог

• Внутреннюю энергию изменяют совершением работы или теплопередачей.
• Трение — пример работы, а не вид теплопередачи.
• При теплопередаче энергия идёт от более тёплого тела к более холодному.
• Для объяснения всегда выбирают систему и называют физическую причину изменения.