Работа и теплота как формы передачи энергии

Изменить внутреннюю энергию тела можно разными способами. Рассмотрим два способа изменения внутренней энергии.

· Механический способ. Внутреннюю энергию тела можно увеличить, выполняя над телом работу. Вам, наверное, приходилось накачивать велосипедную камеру или мяч, и вы ощущали, что насос при этом нагревался. Когда у людей мёрзнут руки, они греют их, потирая одну о другую. Если несколько раз ударить молотком по свинцу, он нагревается. Во всех этих случаях внутренняя энергия тел увеличивается за счёт выполнения работы над ними.

Если же тело само совершает работу (за счёт своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.

· Теплообмен. Приведем в соприкосновение два тела с разной темпе­ратурой. Пусть температура первого тела выше, чем второго. В результа­те обмена энергиями температура первого тела уменьшается, а второго — увеличивается. В рассматриваемом примере кинетическая энергия хаоти­ческого движения молекул первого тела переходит в кинетическую энер­гию хаотического движения молекул второго тела.

Процесс передачи внутренней энергии без совершения механической работы называют теплообменом.

Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.

При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдаёт некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.

Мерой энергии, получаемой или от­даваемой телом в процессе теплообмена, служит физическая величина, называемая количеством теплоты Q.

Теплота и работа являются не видом энергии, а формой ее передачи, они существуют лишь в процессе передачи энергии.

Виды теплообмена:

Теплопроводность – это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии, от частиц более нагретой части тела, к частицам его менее нагретой части.

Например, при нагревании над пламенем спиртовки одного конца медной проволоки температура проволоки в этом месте повышается, так как увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые ближе к пламени. При взаимодействии этих частиц с соседними частицами, скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т.д. пока не прогреется вся проволока.

Различные вещества имеют разную теплопроводность, у одних она больше, у других – меньше. Из жизненного опыта известно, что если, например, какой-либо железный предмет, (например, гвоздь) начать нагревать его в огне, то долго удержать его в руке мы не сможем. И, наоборот, горящую спичку можно держать в руке до тех пор, пока пламя не коснётся руки. Это означает, что дерево обладает меньшей теплопроводностью, чем железо.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей теплопроводность невелика. У газов она ещё меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

Если теплопроводность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она примерно в 5 раз меньше, у воды в 658 раз меньше, у пористого кирпича в 840 раз меньше, у свежевыпавшего снега – почти в 4000 раз меньше, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти – почти в 10000 раз меньше, а у воздуха она примерно в 20000 раз меньше.

Плохая теплопроводность шерсти, пуха и меха (обусловленная наличием между их волокнами воздуха) позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и тем самым защищаться от охлаждения. Защищает от холода и жировой слой, который имеется у водоплавающих птиц, китов, моржей, тюленей и некоторых других животных.

Конвекция – это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.

Общеизвестно, что жидкости и газы нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой, мы почувствуем, что от плиты вверх поднимаются тёплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать бумажную вертушку, помещённую над плитой. Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой, нагревается и вследствие этого расширяется. Её плотность становиться меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей силы) она начинает подниматься вверх. Её место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и.т.д. Это и есть конвекция.

Точно также переносится энергия и в жидкости.

Лучистый теплообмен – это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могутбыть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас. Лучи, испускаемые нагретыми телами, называют тепловым излучением.

Удельная теплоёмкость

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит это тело.