Изменение внутренней энергии

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение Δ U = U ₂ - U ₁. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.

Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы.

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, — проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена. Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии

Неконсервативные силы. Диссипативные системы. Общий закон сохранения энергии. Существуют силы, работа которых зависит от формы пути, т. е. работа по замкнутой траектории не равна нулю (например силы трения). Такие силы называют неконсервативными.
В этом случае работа не идёт на увеличение потенциальной энергии (dA dE_n), а идёт на нагревание тел, т. е. на увеличение кинетической энергии молекул тела. Кинетическая энергия тела уменьшается, происходит её рассеяние или диссипация. Однако это не означает, что энергия исчезла. Она просто перешла в энергию теплового движения молекул. Возможен и переход энергии в другие виды, но полный баланс энергии всегда сохраняется.

Полная энергия замкнутой системы не исчезает, не изменяется, а лишь переходит из одной формы в другую – таков общий закон сохранения энергии.

Отметим, что и для вращательного движения справедлив закон сохранения энергии.

Работа при вращательном движении

; (2.7)

, (2.8)

где – момент инерции; М – момент силы; – угловой путь; – угловая скорость.

Отметим некоторые особенности, присущие понятию энергии.

·Предположим, что тело массой m под действием силы движется c ускорением . Найдем приращение энергии через каждую последующую секунду .

Получаем парадоксальный результат: через 1 с – ; через 2 с – ; через 3 с – и т. д.

Следовательно, за счет одной и той же силы F для тела, движущегося с постоянным ускорением, и каждую последующую секунду происходит приращение энергии на все большую и большую величину. Одна и та же сила может совершать разную работу, хотя ускорение остается постоянным. Выход из этого парадокса прост. Реально энергия не существует. Это лишь удобная физическая категория, позволяющая проводить правильно расчеты.

·Если одна и та же сила действует на тела разной массы, то за одно и то же время тело с меньшей массой приобретет большую кинетическую энергию .

Внутренняя энергия тела представляет собой кинетическую энергию невидимого беспорядочного движения атомов и молекул вещества, а также потенциальную энергию их взаимодействия. Беспорядочное движение атомов и молекул воспринимается нашими органами чувств в виде тепла.Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, трении и пр. [1].

Энергия никогда не создается и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую (закон сохранения энергии).

Поиск по сайту: