06.04.2020 ТЕМА: Внутрішня енергія та способи її зміни.

Поняття внутрішньої енергії належить до одного з фундаментальних понять, на яких базується термодинаміка. Його застосування в навчальному процесі дозволяє не тільки об’єднати статистичний і термодинамічний підходи до опису теплових явищ, а й подати наукове тлумачення таких складних понять, як кількість теплоти, теплоємність та питома теплоємність.

Під внутрішньою енергією у фізиці розуміють суму енергій усіх зв’язків частинок, які складають речовину: кінетичну енергію руху молекул, потенціальну енергію їх взаємодій, енергію зв’язків між атомами в молекулах та зв’язків у самому атомі, енергію зв’язків в ядрі атома , енергію електромагнітних і ядерних полів тощо. Проте в рамках теми «Теплові явища», яка віддзеркалює основні положення термодинаміки, вивчаються процеси, під час яких змінюються лише міжмолекулярні зв’язки та швидкість руху молекул. За звичайних умов всі інші зв’язки не змінюються. Тому означення внутрішньої енергії обмежується лише кінетичною і потенціальною енергією молекул.

Першим кроком до  поняття внутрішньої енергії є з’ясування спільного і відмінного в русі фізичних тіл і молекул. Всі молекули рухаються, і до кожної молекули можна застосовувати закони динаміки. Проте численні взаємодії між молекулами і їх величезна кількість спонукають до твердження, що застосувати закон механіки для розрахунку молекулярного руху неможливо. Це і є підставою для введення нового поняття теплового руху молекул. (Тепловий рух – це хаотичний рух мікрочастинок тіла).

Після встановлення відмінностей між механічним рухом і тепловим рухом необхідно встановити й особливості дії закону збереження енергії в тепловому русі. З цією метою розглянемо дослід зі сталевою кулькою. Якщо кульку опустити з деякої висоти на металеву пластину, то вона декілька разів підскочить і зупиниться на поверхні пластини. З цього виникає питання про «зникнення» потенціальної енергії піднятої кульки. Аналізуючи таку ситуацію, встановлюємо, що хоча потенціальна енергія кульки зменшилася, проте збільшилася кінетична енергія молекул. Такий перехід пов’язує поняття механічної енергії та внутрішньої енергії тіла. Достатньо вказати, що сума потенціальної енергії взаємодії молекул і кінетична енергія їх руху становить внутрішню енергію тіла. Оскільки молекули перебувають в неперервному русі, то кожне тіло завжди має внутрішню енергію.

Таким чином, наявність внутрішньої енергії у кожного тіла зумовлена тепловим рухом і взаємодією мікрочастинок, з яких воно складається. Залежно від агрегатного стану речовини внесок цих складових різний: внутрішня енергія газів головним чином зумовлена кінетичною енергією теплового руху його частинок, у твердих тілах вона фактично визначається потенціальною енергією їхньої взаємодії; у рідин їхні частки приблизно рівні.

Якщо провести фізичний експеримент: взяти шматочки алюмінієвого чи мідного дроту, та швидко згинати і розгинати ці дротини. Після 8-10 згинань дротини в місці згинання стають відчутно теплими. Аналіз такого експерименту і його результатів дозволяє встановити, що виконання механічної роботи(згинання, розгинання) привело до збільшення внутрішньої енергії (підвищення температури).

Отже внутрішня енергія змінюється не тільки тоді, коли робота виконується над тілом, а й тоді, коли тіло виконує роботу. Для цього в товстостінну скляну посудину потрібно капнути кілька крапель води і вкинути запалений сірник. Заткнувши вхідний отвір посудини гумовою пробкою, змащеною вазеліном, накачують повітря в посудину. За певного тиску пробка вилітає, а в посудині з’являється туман, що є свідченням того, що повітря виконало роботу і охолонуло.

 Розглянемо другий спосіб зміни вн. енергії – теплопередача. Хоча цей спосіб і знайомий нам із повсякденного життя, проте демонстрація нагрівання колби з водою на електричній плитці дозволить чіткіше сформулювати висновок. Підвищення температури води, відмічене термометром, свідчить про зростання її вн. енергії.

Розглядаючи явище теплопередачі, звертаємо увагу  на те, що в процесі теплопередачі гаряче тіло завжди стає холоднішим, а холодне – теплішим. Тобто енергія передається лише від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою. Якщо  постане питання з приводу дії холодильника, то потрібно звернути увагу на те, що енергія з хол.камери передається назовні в середовище, де температура вища, завдяки дії спец.компресора, який разом з холодильною системою утворює тепловий смок, який споживає енергію від електричної мережі. На відміну від механічної роботи цю зміну вн.енергії називають кількістю теплоти.

Дом.завдання: навести приклади зміни вн.енергії при виконанні механічної роботи і теплопередачі.

Задача: На залізничний колії стоїть платформа з піском, загальна маса якої 5000 кг. У платформу попадає снаряд масою 5 кг, що летить із швидкістю 400 м/с під кутом 30 градусів до горизонту. Визначити швидкість, яку дістала платформа після того, як снаряд застряв у піску.