Способы изменения внутренней энергии

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).

Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.

Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения. Легко ли это? Когда таким способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна «Таинственный остров», у них ничего не вышло.

«Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.

После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав:
— Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую».

Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С. А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!

Многие люди и в наше время «добывают» огонь трением — трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг. XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании — всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара. Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название «шведские спички») Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.

Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию. Если же тело само совершает работу (за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.

Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием. Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис. 62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Поэтому температура воздуха и понизилась.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д.

Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.

Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается. Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.

Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой Q и называют количеством теплоты.

Q - количество теплоты.

Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) — в джоулях.

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

Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1) совершение работы и 2) теплообмен. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них — на величину, равную количеству переданной теплоты Q.

Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели — путем трения или соприкосновения с горячим телом. В принципе могло быть как то, так и другое.

1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается? 5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?

Экспериментальное задание. Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения. Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?