Два пути передачи энергии
Направляй теплоту и работу внутрь или наружу. Сумма покажет изменение внутренней энергии.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Дополнительный энергетический баланс ΔU = Q + Aнад. Система не меняет механическую энергию как целое; учитываются только указанные передачи.
Работа меняет внутреннюю энергию
Потрём ладони: они нагреваются. При трении совершается работа, и часть механической энергии превращается во внутреннюю. Аналогично воздух при достаточно быстром сжатии может нагреваться: внешняя сила совершает работу над газом.
Обратная ситуация возможна при расширении. Газ совершает работу, толкая поршень; если он не успевает получить энергию извне, его внутренняя энергия уменьшается и температура снижается. Это объяснение зависит от условия малого теплообмена за время процесса.
Работа над телом
Сжатие, трение: энергия может поступать внутрь
Работа самого тела
Расширение газа: энергия может уходить изнутри
Внутренняя энергия изменяется при совершении работы.
Почему насос при накачивании может нагреваться?
Работа затрачивается на сжатие воздуха и преодоление трения. Энергия распределяется между газом, деталями насоса и окружающей средой.
Теплообмен без механической работы
Горячая ложка в прохладной воде остывает, а вода нагревается. Энергия передаётся из-за различия температур. Такой способ передачи называют теплообменом; его виды — теплопроводность, конвекция и излучение.
Самопроизвольный теплообмен направлен от более нагретого тела к менее нагретому. При достижении теплового равновесия температуры выравниваются. Это не означает, что внутренняя энергия тел стала одинаковой: массы и вещества могут различаться.
Разность температур
Причина направленного теплообмена
Передача энергии
Горячее тело отдаёт, холодное получает
Равновесие
Температуры равны
Теплообмен передаёт энергию от более горячего тела к более холодному.
Почему равенство температур не означает равенства энергий?
Температура не учитывает число частиц и свойства вещества. Чашка и большой бак воды при одной температуре содержат разные количества вещества.
Отопительный радиатор
Нагреватель передаёт энергию окружающим телам теплообменом.
Tiia Monto · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Жидкостный термометр
Изменение температуры помогает обнаружить изменение теплового состояния, но не описывает все возможные процессы.
Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Количество теплоты — переданная энергия
Количество теплоты Q — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплообмене. Единица — джоуль. Нельзя говорить, что тело «содержит количество теплоты»: тело имеет внутреннюю энергию, а Q характеризует процесс её передачи.
В этом конспекте Q положительно при поступлении энергии в тело и отрицательно при отдаче. В задачах также используют положительный модуль отданной теплоты. Всегда читай обозначения, чтобы не спутать направление передачи и численную величину потерь.
| Величина | Смысл | Единица |
|---|---|---|
| U | Внутренняя энергия тела | Дж |
| ΔU | Изменение внутренней энергии | Дж |
| Q | Передача энергии теплообменом | Дж |
| Aнад | Работа внешних сил над телом | Дж |
Количество теплоты характеризует передачу энергии, а не отдельное вещество внутри тела.
Можно ли изменить U при Q = 0?
Да. Например, при быстром сжатии теплоизолированного газа работа внешних сил увеличивает его внутреннюю энергию.
Составляем энергетический баланс
В простой модели, где учитываются только теплообмен и механическая работа, ΔU = Q + Aнад. Здесь Aнад — работа, совершённая над системой. Если газ сам совершает работу Aгаза, та же запись принимает вид ΔU = Q − Aгаза. Это две договорённости о знаке работы.
Пример: телу передали 120 Дж теплоты и совершили над ним работу 30 Дж. Тогда ΔU = 150 Дж. Если то же тело получило 120 Дж, но само совершило работу 30 Дж, прирост составил 90 Дж. В интерактиве стрелки показывают направление каждой передачи.
Баланс
ΔU = Q + Aнад
Пример 1
120 + 30 = 150 Дж
Пример 2
120 − 30 = 90 Дж
Переданная энергия учитывается со знаком, определяемым выбранным направлением.
Может ли тело получать теплоту и не нагреваться?
Да. Оно может одновременно совершать работу либо менять агрегатное состояние. По одному факту передачи теплоты нельзя уверенно судить об изменении температуры.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 8 класс», § 2. Тема и содержание сверены с файлом «8 класс. Физика — § 02. внутренней энергии.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.