Способы изменения внутренней энергии тела • 8 класс • Физика

Содержание

Вы уже знаете, что механическая энергия тела (кинетическая и потенциальная) может изменяться. Внутренняя энергия тела также не является постоянной величиной, она может менять свое значение.

Внутренняя энергия зависит от температуры: при ее повышении внутренняя энергия увеличивается. Происходит это за счет увеличения средней скорости движения молекул и возрастания их кинетической энергии.

При понижении температуры внутренняя энергия, наоборот, понижается. Значит, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

На данном уроке мы выясним, каким способом можно изменить скорость движения молекул. Таким образом, мы определим, при каких условиях происходит изменение внутренней энергии и дадим определения новым понятиям.

Совершение работы над телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Изменение внутренней энергии тела путем совершения работы над ним

У нас есть металлическая трубка, закрепленная на подставке. Наливаем в трубку немного эфира.

Эфир — бесцветная летучая жидкость. Часто употребляется в технике и медицине для дезинфекции. Имеет температуру кипения около $35 \degree C$.

Закрываем пробкой. Обвиваем вокруг трубки веревку, и начинаем быстро двигать ее в разные стороны. Что произойдет?

После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку. 

Такой способ используется при разведении огня в диких условиях. Древние люди обладали им в совершенстве. При вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на $250 \degree C$ и загорался.

Внутренняя энергия эфира изменилась — она увеличилась. Он не только нагрелся, но и закипел. Натирая трубку веревкой, мы совершали механическую работу.

Также тела нагреваются при деформациях. То есть при ударах (вспомните опыт из прошлого урока с шаром из свинца), разгибании, сгибании (можно провести простой опыт, сгибая медную проволоку) и др.

Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Когда нам холодно, мы начинаем дрожать — происходят мышечные сокращения. Таким образом наш организм увеличивает температуру тела — за счет работы мышц увеличивается внутренняя энергия.

Совершение работы самим телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Изменение внутренней энергии тела путем совершения работы самим телом

У нас имеется стеклянный сосуд, который закрывается пробкой. В пробке есть специальное отверстие. Через него с помощью насоса начнем закачивать в сосуд воздух. 

Через некоторое время пробка вылетит. В этот момент можно заметить как образуется туман. Это означает, что воздух в сосуде стал холоднее. 

Вытолкнув пробку, сжатый воздух в сосуде совершил работу. При этом температура воздуха понизилась. Так мы можем сказать, что его внутренняя энергия тоже уменьшилась.

Если работу совершает само тело, то его его внутренняя энергия уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.

Теплопередача

Можно ли изменить внутреннюю энергию тела без совершения работы? 

Мы часто наблюдаем ситуации, когда увеличивается температура тела. Например, закипание воды в чайнике, воздух нагревается от батарей отопления в квартире, нагреваются предметы, оставленные на солнце. Работа во всех этих примерах не совершается.

Попробуем объяснить увеличение внутренней энергии в таких случаях на следующем примере. Опустим обычную металлическую ложку в стакан с горячей водой (рисунок 3).

Рисунок 3. Изменение внутренней энергии тела без совершения работы

Что будет происходить? 

1. Температура горячей воды намного больше температуры холодной ложки. Значит, кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц металлической ложки
2. Молекулы воды начинают взаимодействовать с частицами металла — передают им часть своей кинетической энергии
3. Энергия молекул воды уменьшается, энергия частиц металла увеличивается
4. Температура воды уменьшается, температура ложки увеличивается
5. Вскоре им температуры выравниваются

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.

• Происходит между телами с разной температурой
• Идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой
• Заканчивается, когда температуры тел выравниваются (становятся равны друг другу)

В мороз многие водоплавающие птицы (например, утки) охотно залезают в воду. В такую погоду температура воды выше температуры воздуха, что позволяет птицам не замерзать.

Способы изменения внутренней энергии тела

Итак,

внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.

Существует три вида теплопередачи:

1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение

Виды теплопередачи будут изучены нами в следующих уроках.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И КУЛИНАРИЯ. КОНВЕКЦИЯ.: mariareznor — LiveJournal

mariareznor

September 23 2018, 12:10

Category:

• catIsShown({ humanName: ‘еда’ })» data-human-name=»еда»> Еда
• Cancel

Еще один вид теплопередачи, с которым мы все сталкиваемся на кухне, — конвекция — передача тепла перемещающимися струями газа или жидкости. Обратите внимание, что при конвекции тепло передается посредством переноса вещества, в отличие от теплопроводности, где перенос тепла происходит от частицы к частице. Когда жидкость или газ нагреваются, та их часть, что находится ближе к источнику тепла, расширяется, становится менее плотной и поднимается наверх, а ее место занимает более холодное вещество, и так далее. Таким образом тепло распространяется в веществе равномерно.

Конвекция переносит тепло быстрее, чем теплопроводность и бывает двух видов: свободная (нагревание/остывание воды в океане, воздуха в комнате и т. д.) и вынужденная (с применением грубой силы: размешивание ложкой чая в стакане, вентилятор).

Когда вы держите руку над газовой горелкой, вы чувствуете тепло. Источник нагревает воздух, он расширяется, становится чуть менее плотным и поднимается наверх.

В кулинарии мы можем наблюдать это явление в кипящей воде, масле для фритюра, духовке. Когда-нибудь надеюсь написать о том, как удивительно работают все эти техники.

В кастрюле с водой, масле для фритюра или духовке образуются постоянно циркулирующие конвекционные потоки из-за неравномерного нагрева (сильнее возле дна кастрюли, возле источника тепла). Большие куски еды создают препятствие для этих потоков, появляются пятна, внося в процесс готовки элемент рандома. По этой причине, например, не стоит утрамбовывать ногами пакеты с продуктами в су вид ванну, оставьте место для свободной циркуляции воды.

Когда вы готовите что-то в жидкости (вине, воде, бульоне), вы тоже сталкиваетесь с явлением конвекции. Конвекция в жидкостях намного быстрее, чем в газах, из-за более высокой плотности первых. Поэтому вы можете свободно поместить руку в духовку на некоторое время, но если вы тоже самое сделаете с горячей жидкостью, то немедленно получите ожог.

Вынужденная конвекция в духовке, например, осуществляется благодаря работе вентиляторов, которые гоняют потоки воздуха. Вокруг куска еды из-за трения о шероховатую поверхность продуктов обычно образуется тонкий изолирующий слой воздуха, который мешает нагреву, вынужденная конвекция помогает этот слой разогнать. В жидкости работает тот же принцип, если вы просто перемешаете ее ложкой, нагрев будет происходить быстрее.

Этот принцип работает не только с нагревом, но и с охлаждением. Существуют специальные промышленные холодильные установки, которые, подобно духовке с конвекцией, охлаждают продукты потоками холодного воздуха, разгоняя изолирующий слой.

Чтобы определить, насколько быстро тепло перемещается от источника к продукту, нам нужно учитывать такие показатели, как плотность, вязкость и скорость потока. Коэффициент теплопередачи охватывает эти три свойства и показывает, какое количество теплоты переходит от более нагретого вещества к менее нагретому за единицу времени.
Например, конвекционная печь и классический духовой шкаф — оба переносят тепло за счет конвекции, но первая при этом готовит многие продукты значительно быстрее. Это объясняется разницей коэффициента теплопередачи.

#еда#кулинария#наукаеда и наука

Передача и преобразование энергии

Энергия не может быть создана или уничтожена, а это означает, что общее количество энергии во Вселенной всегда было и всегда будет постоянным. Однако это не означает, что энергия неизменна; он может менять форму и даже перемещаться между объектами.

Типичным примером передачи энергии, который мы наблюдаем в повседневной жизни, является передача кинетической энергии — энергии, связанной с движением — от одного движущегося объекта к неподвижному объекту посредством работы. В физике работа является мерой передачи энергии и относится к силе, прилагаемой объектом на расстоянии. Когда клюшка для гольфа замахивается и ударяет по неподвижному мячу для гольфа, часть кинетической энергии клюшки передается мячу, поскольку клюшка «воздействует» на мяч. При передаче энергии, подобной этой, энергия переходит от одного объекта к другому, но остается в той же форме. Передачу кинетической энергии легко наблюдать и понять, но другие важные передачи не так легко визуализировать.

Тепловая энергия связана с внутренней энергией системы из-за ее температуры. Когда вещество нагревается, его температура повышается, потому что молекулы, из которых оно состоит, движутся быстрее и получают тепловую энергию за счет теплопередачи. Температура используется как мера степени «горячости» или «холодности» объекта, а термин «тепло» используется для обозначения передачи тепловой энергии от более горячей системы к более холодной. Передача тепловой энергии происходит тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Когда тепловая энергия передается между соседними молекулами, находящимися в контакте друг с другом, это называется теплопроводностью. Если металлическую ложку поместить в кастрюлю с кипящей водой, то даже ее конец, не касающийся воды, сильно нагреется. Это происходит потому, что металл является эффективным проводником, а это означает, что тепло легко проходит через материал. Колебания молекул на конце ложки, касающейся воды, распространяются по всей ложке, пока все молекулы не станут вибрировать быстрее (т. е. вся ложка не нагреется). Некоторые материалы, такие как дерево и пластик, не являются хорошими проводниками — тепло не проходит через эти материалы — и вместо этого известны как изоляторы.

Конвекция происходит только в жидкостях, таких как жидкости и газы. Когда вода кипятится на плите, молекулы воды на дне кастрюли находятся ближе всего к источнику тепла и первыми получают тепловую энергию. Они начинают двигаться быстрее и растекаются, создавая меньшую плотность молекул на дне горшка. Затем эти молекулы поднимаются наверх горшка, а на дне их заменяет более холодная и плотная вода. Процесс повторяется, создавая поток молекул, опускающихся, нагревающихся, поднимающихся, охлаждающихся и снова опускающихся.

Третий тип теплопередачи — излучение — имеет решающее значение для жизни на Земле и важен для нагревания водоемов. При излучении источник тепла не должен касаться нагреваемого объекта; излучение может передавать тепло даже через космический вакуум. Почти вся тепловая энергия на Земле исходит от Солнца и излучается на поверхность нашей планеты в виде электромагнитных волн, таких как видимый свет. Материалы на Земле затем поглощают эти волны для использования в качестве энергии или отражают их обратно в космос.

При преобразовании энергии энергия меняет форму. Мяч, стоящий на вершине холма, обладает гравитационной потенциальной энергией, которая представляет собой потенциал объекта для выполнения работы из-за его положения в гравитационном поле. Вообще говоря, чем выше на холме находится этот шар, тем больше у него гравитационной потенциальной энергии. Когда сила толкает его вниз по склону, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. Мяч продолжает терять потенциальную энергию и набирать кинетическую энергию, пока не достигнет подножия холма.

Во вселенной без трения мяч, достигнув дна, продолжал бы катиться вечно, так как у него была бы только кинетическая энергия. Однако на Земле мяч останавливается у подножия холма из-за того, что кинетическая энергия преобразуется в тепло противодействующей силой трения. Так же, как и при передаче энергии, при преобразованиях энергия сохраняется.

В природе передача и преобразование энергии происходят постоянно, например, в прибрежных дюнах.

Когда тепловая энергия излучается солнцем, она нагревает и сушу, и океан, но вода обладает большой удельной теплоёмкостью, поэтому нагревается медленнее, чем суша. Эта разница температур создает конвекционный поток, который затем проявляется в виде ветра.

Этот ветер обладает кинетической энергией, которую он может передавать песчинкам на пляже, перенося их на небольшое расстояние. Если движущийся песок сталкивается с препятствием, он останавливается из-за трения, создаваемого контактом, и его кинетическая энергия затем преобразуется в тепловую энергию или тепло. Когда со временем накапливается достаточное количество песка, эти столкновения могут создавать песчаные дюны и, возможно, даже целое поле дюн.

Эти новообразованные песчаные дюны создают уникальную среду обитания для растений и животных. Растение может расти в этих дюнах, используя световую энергию, излучаемую солнцем, для преобразования воды и углекислого газа в химическую энергию, которая запасается в сахаре. Когда животное ест растение, оно использует энергию, хранящуюся в этом сахаре, для обогрева своего тела и передвижения, преобразуя химическую энергию в кинетическую и тепловую энергию.

Хотя это может быть не всегда очевидно, вокруг нас постоянно происходят переносы и преобразования энергии, благодаря которым жизнь, какой мы ее знаем, существует.

Теплопередача – как ее предотвратить и почему ее следует предотвращать?

Тепло — это одна из форм энергии, как и электричество. Тепло всегда переходит от более высокой температуры к более низкой температуре в соответствии с правилами термодинамики. Переход происходит тремя различными способами, и тепло распространяется в окружающую среду, если его никак не контролировать. В некоторых случаях тепло передается, например солнечное тепло, но это также не всегда желательно. Теплопередача может вызвать широкий спектр проблем, от повреждения влагой до нарушения безопасности труда.

Тепло передается конвекцией, излучением и теплопроводностью

Конвекция означает, что тепловая энергия передается потоком воздуха или жидкости. Радиация всегда возникает у всех объектов с температурой выше точки абсолютного нуля (-273,16°С). Чем выше температура тела, тем больше интенсивность излучения. Под теплопроводностью понимается передача тепла через среду без движения самого вещества. Например, в сауне тепло от печи передается в окружающую среду тремя различными способами, и Эйнари может наслаждаться чудесным теплом сауны. Видео можно посмотреть здесь (ссылка на видео). Но если бы баня не была утеплена, то топить печь приходилось достаточно сильно, особенно в зимнее время, чтобы в парилке сохранялось достаточно высокое тепло. То есть в этом случае допускается передача тепла окружающему воздуху. Но цель состоит в том, чтобы поддерживать температуру с помощью теплоизоляции внутри сауны, чтобы можно было наслаждаться теплом пара.

Теплопередача предотвращается изоляцией

Как показано в предыдущем примере, тепло передается разными способами. Он имеет как преимущества, так и недостатки. Теплопередачу можно контролировать и предотвращать с помощью изоляции, чтобы она не передавалась в окружающую среду. Целью изоляции является предотвращение передачи тепла от более высокой температуры к более низкой температуре, поэтому при проектировании изоляции следует учитывать все пути передачи тепла. Важнейшим свойством изоляции является теплопроводность, например, материал с плохой теплопроводностью действует как хороший теплоизолятор.

Поскольку теплопередача может происходить разными путями и в одно и то же время в одном и том же теле или пространстве, для обеспечения правильной изоляции требуется высокий профессионализм. Мы составили список примеров, почему вы должны утеплять:

• снизить затраты на энергию
• поддерживать определенную температуру, например, в промышленных процессах
• предотвращать замерзание
• предотвращать образование конденсата
• предотвращать и бороться с пожарами
• повышать безопасность труда 9 0047
• уменьшить шум и звук

За счет теплоизоляции вы можете добиться значительной экономии средств. Одно только снижение затрат на электроэнергию может сэкономить много. В то же время безопасность труда и удовлетворенность работой повышаются, когда температура остается оптимальной и, например, отсутствует опасность обжечься. Коррозия различных трубопроводов и оборудования также значительно снижается при правильной изоляции.

Воздействие изоляции на окружающую среду

Изоляция также оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Изоляция снижает потери энергии, которые напрямую связаны с использованием ископаемого топлива, нефти, природного газа и угля, тем самым снижая потребность в их использовании. Промышленные процессы, особенно в лесной, металлургической и химической промышленности, являются энергоемкими отраслями, в которых используется много ископаемой энергии. Использование ископаемых источников энергии приводит к выбросам в атмосферу, что влияет на глобальное потепление. Выбросы, помимо диоксида углерода, можно контролировать различными методами, что приводит к отсутствию выбросов.

Однако наиболее эффективным способом является инвестирование в энергоэффективность, например, за счет изоляции, когда спрос на энергию остается низким. При рассмотрении изоляции в долгосрочной перспективе и стоимости жизненного цикла можно сделать вывод, что деньги сэкономлены. Таким образом, изоляция имеет серьезные экономические последствия, которые, однако, видны не только в кошельке, но и в рабочей среде и безопасности.

Надежные решения по изоляции от экспертов

Изоляцию всегда следует рассматривать как комплексное решение, чтобы были учтены все механизмы теплопередачи и выбран правильный тип изоляции. Мало просто утеплить, еще и свойства утеплителя должны сохраняться как можно дольше. Лучший способ сделать это – защитить изоляцию от воздействия окружающей среды, например воды или влаги. Метод защиты зависит от приложения. Например, облицовка из листового металла — это универсальная, устойчивая к атмосферным воздействиям, ударам, жаре и холоду и очень долговечная облицовка, пригодная для повторного использования.

Для изоляционных проектов стоит выбрать партнера, который разбирается в изоляции, какую изоляцию использовать в различных ситуациях и может спланировать экономически эффективные решения по изоляции. В крупных проектах по изоляции неправильно рассчитанное количество изоляции и неправильный тип изоляции могут привести к значительным затратам. И даже если количество изоляции рассчитано правильно, логистика может стать проблемой, особенно для крупных контрактов. Строительные площадки часто бывают тесными, а складские помещения отсутствуют. При этом логистика должна быть продумана максимально тщательно, чтобы утеплитель прибыл на объект вовремя и в правильном порядке.