Внутренняя энергия вещества. Виды теплопередачи. Количество теплоты при нагревании и охлаждении.

Всем доброго времени суток! Сегодня мы с вами продолжаем грызть гранит науки. На очереди к нам попадает термодинамика. Давайте же познакомимся с новыми понятиями.

Начнем мы со внутренней энергии. Мы уже с вами знаем, что существует механическая энергия. Она делится на два вида: потенциальную и кинетическую. Эти два вида энергии могут переходить друг в друга. Например, вы подняли мячик над землей и он стал обладать потенциальной энергией. Затем вы его отпустили и он начал падать, то есть его потенциальная энергия начала переходить в кинетическую. Причем переход энергии всегда сопровождается работой какой-то силы, в нашем примере сила тяжести совершает работу, чтобы “перегнать” потенциальную энергию в кинетическую.

Движемся дальше. Если под мячиком будет находится поверхность от которой он не отскочит, например песок, то мячик полностью остановится. Возникает вопрос: “Куда делась наша энергия?”. Оказывается, что энергия никуда не исчезла, а просто опять трансформировалась во внутреннюю энергию тела.

Разберемся подробнее, что это за штука такая. Все тела состоят из молекул, которые хаотично двигаются и взаимодействует между собой. То есть у молекул в веществе есть тоже два типа энергии: кинетическая (движение молекул) и потенциальная (взаимодействие между собой). То есть, внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии хаотического движения его молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом. Мы с вами можем легко понять, что внутренняя энергия тела изменилась. Ведь скорость хаотического движения молекул ощущается нами, как температура. Поэтому если тело нагрелось, как наш мяч после удара об песок, значит его внутренняя энергия увеличилась.

Как же можно изменять внутреннюю энергию? Вот способы ее изменения:

• Совершение работы над телом или самим телом (потрите ладошки друг об друга и вы почувствуете тепло, потому что вы совершаете работу против сил трения)
• Теплопередача (поднести ладошки к батарее дома)

Давайте разбираться с теплопередачей. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы, называется теплопередачей. Например, мы налили себе вкусный и горячий чай, погрузили туда ложку и подождали. Чай стал чуть-чуть прохладнее, а ложка, наоборот, нагрелась. То есть горячий чай передал часть своей внутренней энергии ложке. Так вот, энергия, которую чай передавал ложке, имеет свое особое название, она называется количеством теплоты. Количество теплоты – энергия, получаемая или отдаваемая телом в процессе теплопередачи. Обозначается Q [Дж].

Теперь давайте узнаем про виды теплопередачи:

• конвекция
• теплопроводность
• излучение

Теплопроводностью называется передача энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, вследствии движения и взаимодействия молекул. Та же самая ложка в чае. Она нагревается постепенно, начиная от края, который погружен в воду, заканчивая кончиком, который вне чая (хотя краешек то находится снаружи). Важно отметить, что при теплопроводности не происходит перенос вещества.

Конвекцией называется перенос внутренней энергии струями жидкости или газа. Не зря же батареи в нашем доме располагают снизу. Потому что воздух в нижней части комнаты нагревается от батареи, его плотность уменьшается, а чем меньше плотность, тем выше эта порция газа. И она начинает подниматься наверх, тем самым происходит теплопередача между горячим полом и холодным потолком.

Излучением называется вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитных волн. Ну тут все просто! Солнышко нас греет, хотя находится на расстоянии 150 млн км. от нас. Самая главная особенность, что для теплопередачи посредством излучения не требуется никакая среда.

Ну и переходим к последней станции. Это удельная теплоемкость и количество теплоты при нагреве или охлаждении.

Вот мы хотим, например, нагреть себе стаканчик воды, чтобы сделать кофе. Включаем чайник, который при помощи нагревательного элемента внутри начинает передавать тепло воде. А сколько тепла нужно? Вот это уже вопрос со звездочкой и им занялись физики. Они ввели такую величину, которая называется удельная теплоемкость тела, обозначается буквой c [Дж/кг * °C]. Она показывает то количество теплоты, которое нужно передать одному килограмму тела, чтобы нагреть его на 1 °С. Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 [Дж/кг * °C]. То есть, для того чтобы нагреть 1 кг воды ей нужно сообщить 4200 Дж тепла. Ну и отсюда вытекает формула для расчета количества теплоты, которые нужно для нагрева тела.

Видно, что мы количество теплоты, нужное для 1 кг вещества на 1 °С, умножаем на количество этих килограмм (массу) и на количество этих изменений температур по 1°С (общее изменение температуры).

Охлаждение – это обратный процесс нагреву, поэтому формула для расчета тепла, которое нужно забрать у тела будет такая же.