内部エネルギーで仕事をする。内部エネルギー

1. 力学的エネルギーには、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの 2 種類があります。動く物体には運動エネルギーがあります。それは、物体の質量とその速度の 2 乗に正比例します。位置エネルギーは、互いに相互作用する物体が所有しています。地球と相互作用する物体の位置エネルギーは、その質量と地球間の距離に正比例します。
彼と地球の表面。

物体の運動エネルギーと位置エネルギーの合計は、その総機械エネルギーと呼ばれます。. したがって、総機械エネルギーは、物体の速度と、物体が相互作用する物体に対する位置に依存します。

体にエネルギーがあれば、仕事をすることができます。仕事をすると体のエネルギーが変化します。 仕事の価値はエネルギーの変化に等しい.

2. 底が水で覆われているコルクで閉じられた厚肉の瓶に空気を送り込むと（図67）、しばらくするとコルクが瓶から飛び出し、瓶に霧が発生します。

これは、瓶内の空気中に水蒸気があり、水の蒸発中に形成されるためです。霧の出現は、蒸気が水に変わったことを意味します。凝縮し、これは温度が低下したときに発生する可能性があります。その結果、バンク内の空気の温度が低下しました。

その理由は次のとおりです。コルクが缶から飛び出したのは、そこにある空気が一定の力でコルクに作用したからです。コルクの出口の空気が働きました。体はエネルギーがあれば仕事ができることが知られています。したがって、瓶の中の空気はエネルギーを持っています。

空気が働くと、温度が下がり、状態が変化します。同時に、空気の機械的エネルギーは変化しませんでした。速度も地球に対する位置も変化しませんでした。したがって、仕事は機械的なものではなく、他のエネルギーによるものでした。このエネルギーは 内部エネルギー缶の中の空気。

3. 物体の内部エネルギーは、その分子の運動の運動エネルギーとそれらの相互作用の位置エネルギーの合計です。

分子は動いているので運動エネルギー \((E_k) \) を持ち、相互作用するので位置エネルギー \((E_p) \) を持ちます。

内部エネルギーは文字 \ (U \) で表されます。ユニット内部エネルギーは 1 ジュール (1 J) です。

\[ U=E_k+E_p \]

4. 分子の移動速度が速ければ速いほど、体の温度は高くなります。 内部エネルギーは体温に依存する. たとえば、氷を水に変えるなど、物質を固体状態から液体状態に移行するには、物質にエネルギーを与える必要があります。したがって、水は同じ質量の氷よりも多くの内部エネルギーを持ち、したがって、 内部エネルギーは凝集状態体.

物体の内部エネルギーは、全体としての動きや他の物体との相互作用には依存しません。したがって、テーブルの上と床の上にあるボールの内部エネルギーは同じであり、静止して床の上を転がっているボールも同じです（もちろん、その動きに対する抵抗を無視した場合）。

内部エネルギーの変化は、なされた仕事の値によって判断できます。また、体の内部エネルギーは温度に依存するため、体温の変化から内部エネルギーの変化を判断することができます。

5. 仕事をすることで内部エネルギーを変化させることができます。したがって、説明されている実験では、コルクを押し出す作業を行うと、瓶内の空気と水蒸気の内部エネルギーが減少しました。同時に、霧の出現によって証明されるように、空気と水蒸気の温度が低下しました。

鉛をハンマーで数回たたくと、触れただけでも鉛が熱くなることがわかります。その結果、その内部エネルギーとハンマーの内部エネルギーが増加しました。これは、鉛の部分で作業が行われたために発生しました。

身体自体が働けば内部エネルギーは減少し、身体に働きかければ内部エネルギーは増加します。

グラスの場合冷水お湯を注ぐとお湯の温度が下がり、冷水の温度が上がります。この場合、仕事は行われませんが、温度の低下によって証明されるように、お湯の内部エネルギーは減少します。

最初はお湯の温度が冷水の温度よりも高かったので、お湯の内部エネルギーの方が大きくなります。これは、温水分子が冷水分子よりも運動エネルギーが大きいことを意味します。このエネルギーは、衝突時に温水分子によって冷水分子に伝達され、冷水分子の運動エネルギーが増加します。この場合、温水分子の運動エネルギーは減少します。

考えられる例では、機械的な仕事は行われず、体の内部エネルギーは次のように変化します 熱伝達.

熱伝達とは、エネルギーが身体のある部分から別の部分に、またはある身体から別の身体に仕事をせずに伝達されるときに、身体の内部エネルギーを変化させる方法です。

パート1

1. 一定体積の密閉容器内の気体の内部エネルギーは、次のように決定されます。

1) 気体分子の無秩序な動き
2) ガスによる容器全体の動き
3) 容器とガスおよび地球との相互作用
4）外力のガスによる船への作用

2. 体の内部エネルギーは以下に依存します

A) 体重
B) 地球の表面に対する身体の位置
B) 体の速度 (摩擦がない場合)

正解

1) Aのみ
2) Bのみ
3) Bのみ
4) BとCのみ

3. 体の内部エネルギーは依存しない

A) 体温
B) 体重
B) 地球の表面に対する身体の位置

正解

1) Aのみ
2) Bのみ
3) Bのみ
4) AとBのみ

4. 加熱すると、体の内部エネルギーはどのように変化しますか?

1) 増加する
2) 減少する
3) 気体では増加し、固体と液体では変化しません
4) 気体では変化せず、固体と液体では増加する

5. コインの内部エネルギーは次の場合に増加します。

1) お湯で温める
2) 同じ温度の水に浸す
3) 一定の速度で動かす
4) 地表から上昇する

6. 1 杯の水が部屋のテーブルの上に置かれ、同じ質量と同じ温度のもう 1 杯の水が、テーブルに対して 80 cm の高さに吊るされた棚の上に置かれています。テーブルの上のコップ一杯の水の内部エネルギーは、

1) 棚の上の水の内部エネルギー
2) 棚の上の水のより多くの内部エネルギー
3) 棚の上の水の内部エネルギーが少ない
4) ゼロに等しい

7. 熱い部分を冷たい水に浸した後、内部エネルギーは

1) パーツも水も増える
2) パーツも水も減る
3) パーツが減って水が増える
4) 水が減るとディテールが増える

8. 1 杯の水が部屋のテーブルの上にあり、同じ質量と同じ温度のもう 1 杯の水が時速 800 km の速度で飛行している飛行機の中にあります。飛行機の水の内部エネルギー

1) 室内の水の内部エネルギーに等しい
2) 室内の水のより多くの内部エネルギー
3) 室内の水の内部エネルギーが少ない
4) ゼロに等しい

9. テーブルの上のカップにお湯を注いだ後の内部エネルギーは、

1) コップと水が増えた
2) コップと水が減った
3) 水が増えるとカップが減る
4) 水が減る一方でカップが増えた

10. 次の場合、体温を上げることができます

A. 取り組んでください。
B. 彼に暖かさを与える。

正解

1) Aのみ
2) Bのみ
3) A と B の両方
4) AでもBでもない

11. 鉛球は冷蔵庫で冷やします。この場合、ボールの内部エネルギー、その質量、およびボールの物質の密度はどのように変化しますか? 物理量ごとに、変化の適切な性質を判断します。物理量ごとに選んだ数字を表に書きなさい。答えの中の数字は繰り返されるかもしれません。

物理量
A) 内部エネルギー
B)質量
B) 密度

変化の性質
1) 増加する
2) 減少する
3) 変わらない

12. 空気がボトルに送り込まれ、ストッパーでしっかりと閉じられます。ある時点で、コルクがボトルから飛び出します。空気の体積、内部エネルギー、温度はどうなりますか? 各物理量について、その変化の性質を決定します。物理量ごとに選んだ数字を表に書きなさい。答えの中の数字は繰り返されるかもしれません。

物理量
A) ボリューム
B) 内部エネルギー
B) 温度

変化の性質
1) 増加する
2) 減少する
3) 変わらない

回答

物体、原子、または分子の粒子は、無秩序な絶え間ない運動 (いわゆる熱運動) を実行します。したがって、各粒子にはある程度の運動エネルギーがあります。

さらに、物質の粒子は、電気的な引力と反発力、および核力によって互いに相互作用します。したがって、粒子のシステム全体与えられた体位置エネルギーも持っています。

粒子の熱運動の運動エネルギーとそれらの相互作用のポテンシャルエネルギーが一緒に形成されます新しい種類体の機械的エネルギー (つまり、体全体の動きの運動エネルギーと他の体との相互作用の位置エネルギー) に還元されないエネルギー。このタイプのエネルギーは内部エネルギーと呼ばれます。

物体の内部エネルギーは、その粒子の熱運動の総運動エネルギーと、粒子間の相互作用のポテンシャルエネルギーを加えたものです。

熱力学系の内部エネルギーは、系に含まれる物体の内部エネルギーの合計です。

したがって、身体の内部エネルギーは、次の項によって形成されます。

1. 物体粒子の連続カオス運動の運動エネルギー。

2. 分子間相互作用の力による分子 (原子) のポテンシャルエネルギー。

3. 原子の電子のエネルギー。

4. 核内エネルギー。

の理想気体物質の最も単純なモデルの場合、内部エネルギーの明示的な式を得ることができます。

8.1 単原子理想気体の内部エネルギー

理想気体の粒子間の相互作用のポテンシャルエネルギーはゼロです (理想気体モデルでは、距離にある粒子の相互作用を無視していることを思い出してください)。したがって、単原子理想気体の内部エネルギーは、その原子の並進運動の全運動エネルギーに減少します。このエネルギーは、ガス原子の数 N に 1 つの原子の平均運動エネルギー E を掛けることによって求めることができます。

U=NE=N		kT=NA

U=32mRT:

理想気体 (質量と化学組成が変化していない) の内部エネルギーは、その温度のみの関数であることがわかります。実際の気体、液体、または固体の場合、内部エネルギーは体積にも依存します。体積が変化すると、粒子の相対位置が変化し、その結果、相互作用のポテンシャルエネルギーが変化するためです。

8 多原子気体では、分子の回転や分子内の原子の振動も考慮する必要があります。

8.2 ステータス機能

内部エネルギーの最も重要な特性は、それが熱力学系の状態の関数であることです。つまり、内部エネルギーは、システムを特徴付ける一連の巨視的パラメーターによって一意に決定され、システムの「前史」、つまり、システムが以前にどのような状態にあり、どのように具体的にこの状態になったかには依存しません。 .

したがって、ある状態から別の状態へのシステムの遷移中、その内部エネルギーの変化は、システムの初期状態と最終状態によってのみ決定され、初期状態から最終状態への遷移経路には依存しません。システムが元の状態に戻ると、内部エネルギーの変化はゼロになります。

経験によると、体の内部エネルギーを変化させる方法は 2 つしかありません。

機械的作業を行う;

熱伝達。

簡単に言えば、基本的に2つだけでやかんを加熱できます違う方法：何かでこするか、火にかけます:-)これらの方法をさらに詳しく考えてみましょう。

8.3 内部エネルギーの変化：仕事をする

身体に働きかけると、身体の内部エネルギーが増加します。

例えば、ハンマーで叩いた後の釘は熱で少し変形します。しかし、温度は物体の粒子の平均運動エネルギーの尺度です。釘を加熱すると、その粒子の運動エネルギーが増加します。実際、粒子は、ハンマーの打撃と板に対する釘の摩擦によって加速されます。

変形は、粒子同士の相対的な変位に他なりません。衝撃後、釘は圧縮変形し、その粒子は互いに接近し、それらの間の反発力が増加し、これが釘粒子の位置エネルギーの増加につながります。

それで、爪の内部エネルギーが増加しました。これは、ハンマーとボード上の摩擦力によって行われた作業の結果でした。

仕事が体自体によって行われると、体の内部エネルギーが減少します。たとえば、ピストンの下の断熱容器内の圧縮空気が膨張するとします。

特定の負荷を持ち上げ、それによって作業を行います9。このようなプロセスの間、空気はその分子によって冷却され、移動するピストンの後に衝突し、運動エネルギーの一部を空気に与えます。（同じように、サッカー選手は、速く飛んでいるボールを足で止め、ボールから遠ざけて速度を落とします。）したがって、空気の内部エネルギーは減少します。

したがって、空気はその内部エネルギーによって機能します。容器は断熱されているため、外部ソースからの空気へのエネルギー流入はなく、空気はそれ自体の蓄えからのみエネルギーを引き出して仕事を行うことができます。

8.4 内部エネルギーの変化：熱伝達

熱伝達とは、内部エネルギーが高温の物体から低温の物体に移動するプロセスであり、機械的作業の実行とは関係ありません。熱伝達は、物体を直接接触させるか、中間媒体を介して（さらには真空を介して）行うことができます。熱伝達は、熱伝達とも呼ばれます。

9 断熱容器内のプロセスは断熱と呼ばれます。熱力学第一法則を考えて断熱過程を調べます。

熱伝達には、伝導、対流、熱放射の 3 種類があります。次に、それらをさらに詳しく見ていきます。

8.5 熱伝導率

片端の鉄の棒を火の中に入れると、ご存知のように、長時間手に持つことはできません。高温領域に入ると、鉄原子はより激しく振動し始め (つまり、追加の運動エネルギーを獲得し)、隣接する原子に強い打撃を与えます。

隣接する原子の運動エネルギーも増加し、これらの原子は隣接する原子に追加の運動エネルギーを与えます。そのため、部分ごとに、火の中に置かれた端から私たちの手に棒に沿って熱が徐々に広がります。これが熱伝導率です (図 18)10。

米。 18.熱伝導率

熱伝導率は、熱運動と体粒子の相互作用による、体のより加熱された部分からより加熱されていない部分への内部エネルギーの移動です。

異なる物質の熱伝導率は異なります。金属は熱伝導率が高く、銀、銅、金が熱伝導率に優れています。液体の熱伝導率ははるかに低くなります。ガスは熱伝導が非常に悪いため、すでに断熱材に属しています。それらの間の距離が大きいため、ガス分子は互いに弱く相互作用します。そのため、たとえば、窓に二重フレームが作られています。空気の層が熱の逃げを防ぎます)。

したがって、レンガ、羊毛、毛皮などの多孔質体は熱伝導率が低くなります。それらは毛穴に空気を含んでいます。れんが造りの家が最も暖かいと考えられているのも不思議ではありません.寒い季節には、毛皮のコートやジャケットにダウンまたはポリエステルの詰め物を重ねたものを着ます.

しかし、空気の熱伝導が非常に悪い場合、なぜ部屋はバッテリーから暖まるのですか? これは、異なるタイプの熱伝達対流によるものです。

8.6 対流

対流とは、流れの循環と物質の混合の結果として、液体または気体の内部エネルギーが移動することです。

バッテリーの近くの空気は加熱され、膨張します。この空気に作用する重力は同じままですが、周囲の空気からの浮力が増加するため、加熱された空気は天井に向かって浮き始めます。その代わりに寒さがやってくる

10 ウェブサイトからの画像 Educationelectronicsusa.com。

同じことが繰り返されるair11。

その結果、対流の一例として機能する空気循環が確立され、室内の熱の分配は気流によって行われます。

完全に類似したプロセスが液体で観察できます。やかんや水を入れた鍋をストーブの上に置くと、主に対流によって水が加熱されます (ここでは、水の熱伝導率の寄与は非常に重要ではありません)。

空気と液体の対流を図 19 に示します12。

米。 19.対流

固体には対流はありません。粒子の相互作用力は大きく、粒子は固定された空間点 (ノード) の近くで振動します。結晶格子)、そしてそのような条件下では物質の流れは形成できません。

部屋を暖房するときに対流が循環するためには、加熱された空気がどこかに浮かぶ必要があります。ラジエーターが天井の下に設置されている場合、暖かい空気が循環しないため、天井の下に残ります。そのため、暖房器具は部屋の下部に配置されています。同じ理由で、やかんが火にかけられ、その結果、加熱された水の層が上昇し、より冷たい層に取って代わられます。

それどころか、エアコンはできるだけ高く配置する必要があります。冷却された空気が沈み始め、その場所に暖かい空気が入ります。循環は逆方向部屋を暖房するときの流れの動きと比較して。

8.7 熱放射

地球はどのようにして太陽からエネルギーを得るのですか? 熱伝導と対流は除外されます。私たちは 1 億 5000 万キロメートルの空気のない空間で隔てられています。

熱伝達の 3 番目のタイプは熱放射です。放射線は、物質中と真空中の両方で伝播できます。それはどのように発生しますか？

電場と磁場は互いに密接に関係しており、1 つの顕著な性質を持っていることがわかりました。電場が時間とともに変化する場合、それは磁場を生成し、一般的に言えば、磁場も時間とともに変化します 13。次に、交番磁場が交番電場を生成し、交番電場が再び交番磁場を生成し、交番電場が再び生成されます。 . .

11 自然界では、同じプロセスがより大規模に絶えず起こっています。これが、風が発生する方法です。

12枚の画像はphysics.arizona.eduから。

13 これについては、電気力学の電磁誘導のトピックで詳しく説明します。

このプロセスの開発の結果として、電磁波が「フックされた」電場と磁場が空間を伝播します。音と同じように、電磁波には伝搬速度と周波数があります。この場合それは、場の大きさと方向が波の中で変動する周波数です。可視光特別なケース電磁波。

真空中の電磁波の伝搬速度は、秒速 30 万 km と非常に高速です。つまり、地球から月まで、光は 1 秒強で移動します。

電磁波の周波数範囲は非常に広いです。電磁波のスケールについては、対応するシートで詳しく説明します。ここでは、可視光がこのスケールの小さな範囲であることに注意してください。その下には赤外線の周波数があり、紫外線の周波数の上にあります。

一般に電気的に中性である原子には、正に帯電した陽子と負に帯電した電子が含まれていることを思い出してください。これらの荷電粒子は、原子とともに無秩序な運動を行い、交流電界を生成し、それによって電磁波を放射します。これらの波は、その源が物質粒子の熱運動であることを思い出させるために、熱放射と呼ばれます。

どんな物体も熱放射の源です。この場合、放射線はその内部エネルギーの一部を運び去ります。別の物体の原子に出会うと、放射線は振動電場でそれらを加速し、この物体の内部エネルギーが増加します。これが私たちが日光浴をする方法です。

常温では、熱放射の周波数は赤外線の範囲にあるため、目はそれを認識しません（「光る」方法はわかりません）。物体が加熱されると、その原子はより高い周波数の波を放出し始めます。鉄の釘は、その熱放射が可視範囲の下部 (赤) に入るような温度まで真っ赤に加熱することができます。そして、太陽は私たちには黄白色に見えます。太陽の表面の温度は非常に高く（6000 C）、その放射のスペクトルには、すべての周波数の可視光と紫外線が含まれているため、日光浴をしています。

3 種類の熱伝達をもう一度見てみましょう (図 20)14。

米。 20. 熱伝達の 3 つのタイプ: 伝導、対流、放射

beodom.com からの 14 枚の画像。

体の内部エネルギー定数にすることはできません。どんな体でも変化します。体温を上げると、その内部エネルギーが増加します。分子の平均速度が増加します。したがって、体の分子の運動エネルギーが増加します。逆に、温度が下がると、体の内部エネルギーが減少します。

次のように結論付けることができます。 分子の速度が変化すると、体の内部エネルギーが変化します。どのような方法で分子の移動速度を増減できるかを判断してみましょう。次の経験を考えてみてください。スタンドに薄肉の真鍮管を固定します。チューブをエーテルで満たし、コルクで閉じます。次に、それをロープで結び、ロープをさまざまな方向に集中的に動かし始めます。一定時間後、エーテルが沸騰し、蒸気の力でコルクが押し出されます。経験は、物質（エーテル）の内部エネルギーが増加したことを示しています。結局のところ、沸騰中に温度が変化しました。

内部エネルギーの増加は、チューブをロープでこするときに行われた仕事によって発生しました。

私たちが知っているように、体の加熱は、衝撃、屈曲、または伸展中、つまり変形中にも発生する可能性があります。与えられたすべての例で、体の内部エネルギーが増加します。

このように、身体に働きかけることで、身体の内部エネルギーを高めることができます。

体自体が仕事をすると、その内部エネルギーが減少します。

別の経験を考えてみましょう。

壁が厚く、コルクで閉じられたガラス容器に、特別に作られた穴から空気を送り込みます。

しばらくすると、コルクが容器から飛び出します。コルクが容器から飛び出す瞬間、霧が発生するのが見えます。したがって、その形成は、容器内の空気が冷たくなったことを意味します。容器内の圧縮空気は、コルクを押し出すときに一定の働きをします。彼は同時に減少する彼の内部エネルギーを犠牲にしてこの仕事を行います。容器内の空気の冷却に基づいて、内部エネルギーの減少について結論を出すことができます。したがって、 体の内部エネルギーは、ある程度の仕事をすることで変えることができます。

ただし、内部エネルギーは、仕事をせずに別の方法で変更できます。例を考えてみましょう。ストーブの上にあるやかんの水が沸騰します。空気は、室内の他の物体と同様に、中央のラジエーターによって加熱されます。そのような場合、内部エネルギーが増加します。体温が上昇します。しかし、仕事は終わっていません。結論として 内部エネルギーの変化は、特定の作業の実行によるものではありません。

もう 1 つの例を考えてみましょう。

コップ一杯の水に金属針を浸します。温水分子の運動エネルギーは、冷たい金属粒子の運動エネルギーよりも大きくなります。温水分子は、その運動エネルギーの一部を冷たい金属粒子に伝達します。したがって、水分子のエネルギーは特定の方法で減少しますが、金属粒子のエネルギーは増加します。水温が下がり、スポークの温度がゆっくりと下がり、増加します。将来、針と水の温度差がなくなります。この経験により、様々な身体の内部エネルギーに変化が見られました。結論: 熱伝達により、さまざまな物体の内部エネルギーが変化します。