Глава 1. Тепловые явления. § 6. Способы изменения внутренней энергии тела — с. 26
§ 6. Вопрос 1. Пользуясь рисунком 10, расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу. [на рисунке: молоток бьёт по металлическому стержню, лежащему на наковальне; к стержню присоединён термометр]
Если ударять молотком по металлическому стержню (рис. 10), над стержнем совершается работа: он деформируется, а его температура, измеряемая термометром, повышается. Значит, увеличивается кинетическая энергия движения молекул стержня, а вследствие деформации меняется и потенциальная энергия их взаимодействия. Внутренняя энергия стержня возрастает. Общий вывод: если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.
§ 6. Вопрос 2. Опишите опыт, показывающий, что внутренняя энергия тела уменьшается при совершении работы.
Берут толстостенную стеклянную банку с узким горлом, закрывают её пробкой и с помощью насоса накачивают в неё воздух (рис. 12). Через некоторое время пробка вылетает, а в банке появляется туман: на внутренней поверхности возникают капельки воды. Выталкивая пробку, воздух в банке совершает работу, при этом его внутренняя энергия уменьшается и он резко охлаждается. Водяной пар, находящийся в воздухе, остывает и конденсируется в мельчайшие капельки, которые мы видим как туман. Вывод: если работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
§ 6. Вопрос 3. Что такое теплопередача?
При каком условии возможен этот процесс?
Теплопередача (теплообмен) — это процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы: энергия передаётся от одного тела к другому или от одной части тела к другой. Например, горячая вода нагревает опущенную в неё холодную ложку. Теплопередача возможна только при наличии разности температур, причём энергия всегда передаётся от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. При равенстве температур теплопередачи нет.
§ 6. Вопрос 4. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела путём теплопередачи.
Примеры: 1) металлический стержень нагревается, если один его конец поместить в пламя спиртовки; 2) холодная ложка нагревается в стакане с горячим чаем, а чай немного остывает; 3) нагретый стержень, опущенный в холодную воду, остывает, а вода нагревается; 4) кастрюля с водой нагревается на включённой плите; 5) комната нагревается от батареи отопления; 6) мороженое тает на тёплом воздухе. В каждом случае энергия передаётся без совершения работы от более нагретого тела к менее нагретому.
§ 6. Вопрос 5. Назовите способы изменения внутренней энергии тела.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей. Если работа совершается над телом (удар молотком, трение, сжатие газа), его внутренняя энергия увеличивается; если работу совершает само тело (расширяющийся газ выталкивает пробку), его внутренняя энергия уменьшается. При теплопередаче внутренняя энергия увеличивается у тела, получающего энергию, и уменьшается у тела, которое её отдаёт, при этом работа не совершается.
§ 6. Дополнительный вопрос 1. Чем объяснить, что при вколачивании гвоздя в стену его шляпка почти не нагревается, но, когда гвоздь вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы шляпка сильно нагрелась?
Пока гвоздь входит в стену, работа удара молотка расходуется в основном на перемещение гвоздя и на преодоление силы сопротивления материала стены: гвоздь движется вперёд, энергия передаётся стене, а гвоздь нагревается главным образом в той части, которая трётся о стену (остриё). Шляпка при этом почти не деформируется, и её внутренняя энергия растёт мало. Когда гвоздь вбит до конца, он остановился, и вся энергия удара молотка идёт на деформацию и нагревание самого гвоздя и шляпки: гвоздь уже не движется вперёд, работа молотка превращается во внутреннюю энергию небольшой массы металла, и температура шляпки быстро повышается.
Упражнение 4. Задача 1. Каким способом — совершением работы или теплопередачей — изменялась внутренняя энергия детали: а) при сверлении в ней отверстия; б) при нагревании её в печи перед закалкой; в) при быстром охлаждении детали в воде?
Решение. а) При сверлении сверло совершает работу над деталью, преодолевая силу трения и деформируя металл: деталь нагревается. Внутренняя энергия изменяется совершением работы.
б) В печи деталь нагревается за счёт энергии, которую получает от более горячих газов и стенок печи, работа не совершается. Это теплопередача.
в) При опускании в воду горячая деталь отдаёт энергию более холодной воде, работа не совершается. Это теплопередача.
Ответ: а) совершением работы; б) теплопередачей; в) теплопередачей.
б) В печи деталь нагревается за счёт энергии, которую получает от более горячих газов и стенок печи, работа не совершается. Это теплопередача.
в) При опускании в воду горячая деталь отдаёт энергию более холодной воде, работа не совершается. Это теплопередача.
Ответ: а) совершением работы; б) теплопередачей; в) теплопередачей.
Упражнение 4. Задача 2. В кузнице с помощью молота (холодная ковка) получают нужную форму детали. Как вы думаете, нагревается ли деталь после ударов молота?
Обоснуйте свой ответ.
Решение. Да, деталь нагревается. При ударах молота над деталью совершается работа: металл деформируется, расстояния между его молекулами изменяются, а молекулы начинают двигаться быстрее. Механическая энергия молота превращается во внутреннюю энергию детали, поэтому её внутренняя энергия растёт, а температура повышается. Даже при «холодной» ковке, когда заготовку предварительно не нагревают, деталь после серии ударов становится заметно тёплой.
Ответ: деталь нагревается, так как над ней совершается работа.
Ответ: деталь нагревается, так как над ней совершается работа.
Упражнение 4. Задача 3. Кусок свинца можно нагреть разными способами: ударяя по нему несколько раз молотком, помещая в пламя горелки, сгибая и разгибая несколько раз, помещая в горячую воду. Можно ли утверждать, что во всех случаях внутренняя энергия куска свинца изменилась?
Решение. Во всех перечисленных случаях свинец нагревается, то есть увеличивается средняя кинетическая энергия его молекул. Удары молотком и сгибание — это совершение работы над куском, пламя горелки и горячая вода — теплопередача. Способы разные, но результат один: внутренняя энергия куска свинца увеличилась, поскольку внутренняя энергия определяется температурой, массой и состоянием тела, а не способом нагревания.
Ответ: да, можно: во всех случаях внутренняя энергия куска свинца увеличилась (в двух случаях за счёт работы, в двух — за счёт теплопередачи).
Ответ: да, можно: во всех случаях внутренняя энергия куска свинца увеличилась (в двух случаях за счёт работы, в двух — за счёт теплопередачи).
Упражнение 4. Задача 4. Что происходит со спичкой при трении её о коробок?
Меняется ли при этом её внутренняя энергия?
Ответ обоснуйте.
Решение. При трении головки спички о коробок совершается работа против силы трения. Механическая энергия движения руки превращается во внутреннюю энергию головки спички и поверхности коробка: они нагреваются. Когда температура головки достигает температуры воспламенения, спичка загорается. Таким образом, внутренняя энергия спички увеличивается путём совершения работы над ней.
Ответ: спичка нагревается и воспламеняется; её внутренняя энергия увеличивается.
Ответ: спичка нагревается и воспламеняется; её внутренняя энергия увеличивается.