5. Досліджуємо внутрішню енергію речовини - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. Вода перебуває в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому і газуватому. В якому із цих станів її внутрішня енергія буде найбільшою, а в якому — найменшою за однаковою масою?

За однакової маси води її внутрішня енергія буде найбільшою в газуватому стані (у вигляді водяної пари), а найменшою — у твердому стані (у вигляді льоду).

Це пов’язано з тим, що для перетворення речовини з одного агрегатного стану в інший потрібно змінити її внутрішню енергію. Щоб розплавити лід і перетворити його на воду, потрібно надати йому енергію. А щоб перетворити воду на пару, потрібно ще більше енергії. Ця енергія йде на збільшення як кінетичної енергії руху молекул, так і потенціальної енергії їх взаємодії, оскільки відстані між молекулами зростають.

2. Як внутрішня енергія тіла пов’язана з температурою?

Внутрішня енергія тіла безпосередньо залежить від його температури: коли температура збільшується, внутрішня енергія також зростає, а коли температура зменшується — внутрішня енергія спадає.

3. Як можна змінити внутрішню енергію?

Внутрішню енергію можна змінити двома способами: через теплопередачу (наприклад, нагрівання або охолодження) або шляхом виконання механічної роботи.

4. Температуру води в одному випадку збільшили на 30 °С, а в іншому — зменшили на 15 °С. Як змінилася внутрішня енергія води в кожному з цих випадків?

У першому випадку, коли температуру води збільшили на 30 °С, її внутрішня енергія зросла. У другому випадку, при зменшенні температури на 15 °С, внутрішня енергія води, відповідно, зменшилася.

5. Чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не змінюючи його температури?

Так, можна. Внутрішню енергію тіла можна змінити під час зміни його агрегатного стану (наприклад, плавлення льоду або кипіння води), оскільки при цьому змінюється взаємне розташування частинок і, відповідно, їхня потенціальна енергія, навіть якщо температура залишається сталою.

6. На столі в кухні стоять склянка і графин з водою. Чи однакової внутрішні енергії води в цих посудинах?

Ні, внутрішня енергія води в цих посудинах, швидше за все, різна. Внутрішня енергія залежить від маси тіла. Оскільки в графині зазвичай більше води, ніж у склянці, то і сумарна внутрішня енергія води в ньому буде більшою, навіть якщо температура однакова.

7. Чому в разі швидкого ковзання вниз жердиною або канатом можна обпекти руки?

Під час швидкого ковзання виникає сила тертя. Робота, виконана проти цієї сили, перетворюється на тепло, що призводить до значного збільшення внутрішньої енергії рук і каната, через що можна отримати опік.

8. Уяви, що ти розтягуєш гумовий шнурок. Що треба зробити (відпустити шнурок чи розтягнути дужче), аби його внутрішня енергія збільшилась?

Щоб збільшити внутрішню енергію гумового шнурка, його потрібно розтягнути дужче. При розтягуванні виконується механічна робота, яка збільшує потенціальну енергію взаємодії частинок шнурка, а отже, і його внутрішню енергію.

9. Під час забивання цвяха сталевим молотком цвях сильно нагрівається, а температура молотка майже не змінюється. Поясни це явище.

Це відбувається тому, що під час удару виконується механічна робота, яка здебільшого перетворюється на внутрішню енергію цвяха через його деформацію. Оскільки маса цвяха значно менша за масу молотка, та сама кількість переданої енергії спричиняє набагато помітніше підвищення температури саме цвяха.

10. Сірник можна запалити, якщо помістити його в полум’я свічі або потерти його об коробку. Чи однакові способи зміни внутрішньої енергії сірника під час його загоряння?

Ні, це різні способи. Коли сірник поміщають у полум’я, його внутрішня енергія збільшується шляхом теплопередачі. А коли сірник труть об коробку, його внутрішня енергія зростає внаслідок виконання механічної роботи проти сили тертя.

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

Металеві бруски мають різну температуру (мал. 5.3). Два з них треба з’єднати торцями так, щоб їх внутрішня енергія не змінилася. Які це мають бути бруски? У контакт з яким бруском слід привести брусок № 1, щоб виникла теплопередача, за якої його внутрішня енергія зменшиться? За якого з’єднання виникне процес теплопередачі, при якому внутрішня енергія бруска № 2 зростатиме?

Дано:

• $t_1 = 50 \text{ °C}$
• $t_2 = 100 \text{ °C}$
• $t_3 = 50 \text{ °C}$
• $t_4 = 10 \text{ °C}$

Знайти:

1. Бруски, для яких $\Delta U = 0$
2. Брусок, для якого $\Delta U_1 < 0$
3. Брусок, для якого $\Delta U_2 > 0$

Розв’язання:

Внутрішня енергія (U) тіла залежить від його температури. Зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а зі зменшенням — зменшується. Теплообмін (теплопередача) відбувається лише між тілами з різними температурами, при цьому тепло передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

1. Щоб внутрішня енергія брусків не змінилася, між ними не повинен відбуватися теплообмін. Це можливо, якщо їхні температури однакові. Згідно з умовою, бруски №1 та №3 мають однакову температуру:

$t_1 = t_3 = 50 \text{ °C}$.

Отже, при їх з’єднанні теплопередача не виникне, і внутрішня енергія не зміниться.

2. Щоб внутрішня енергія бруска №1 зменшилася, він повинен віддати тепло. Це відбудеться, якщо його привести в контакт з тілом, що має нижчу температуру.

Температура бруска №1 становить $t_1 = 50 \text{ °C}$. Єдиний брусок з нижчою температурою — це брусок №4 ($t_4 = 10 \text{ °C}$).

3. Щоб внутрішня енергія бруска №2 зростала, він повинен отримати тепло від іншого тіла. Це можливо лише за умови контакту з тілом, що має вищу температуру. Температура бруска №2 становить $t_2 = 100 \text{ °C}$, і він є найгарячішим серед усіх. Тому неможливо збільшити його внутрішню енергію шляхом теплопередачі з іншим бруском із цього набору.

Відповідь:

• Щоб внутрішня енергія не змінилася, потрібно з’єднати бруски №1 та №3.
• Щоб внутрішня енергія бруска №1 зменшилася, його треба з’єднати з бруском №4.
• Не можливе. Жодне зі з’єднань не призведе до зростання внутрішньої енергії бруска №2.