Тепловое движение. Температура. Внутренняя энергия.

В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Мы знаем, что при нагревании холодная вода вначале становится тёплой, а затем горячей.







Такими словами, как «холодный», «тёплый» и «горячий», мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел. Температура горячей воды выше температуры холодной. Температура воздуха летом выше, чем зимой.

Температуру тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия (°С).

Вам уже известно, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении — уменьшается.

Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул.

Тёплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная. Разница между ними заключается лишь в скорости движения молекул.

Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.

Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Так, в объёме, равном 1 см3 воды, содержится около 3,34 ∙ 1022 молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории. Это связано с тем, что, например, частицы газа, движущиеся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В результате этого они изменяют свою скорость и снова продолжают движение. На рисунке 1 изображены траектории движения микроскопических частиц краски, растворённой в воде.

Поскольку со скоростью движения молекул тела связана его температура, беспорядочное движение частиц называют тепловым движением.

В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положений.

В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры лёд начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например, ртути, то она из жидкости превращается в твёрдое тело.

Температура тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.

Внутренняя энергия

При изучении физики рассматриваются механические, тепловые, световые, электрические и другие явления. С некоторыми механическими явлениями мы уже познакомились. Известно также, что существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.

Всякое движущееся тело обладает кинетической энергией. Так, например, кинетической энергией обладает летящая птица, движущиеся самолёт, мяч, текущая вода и т. д. Кинетическая энергия тела зависит от его массы и от скорости движения тела.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или его отдельных частей. Например, потенциальной энергией обладают поднятый над землёй камень, сжатая или растянутая пружина и т. д.

Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, они могут превращаться друг в друга.

Как же происходит превращение одного вида энергии в другой?

Свинцовый шар, лежащий на свинцовой плите, поднимем вверх и отпустим (рис. 2, а). При падении скорость шара увеличивается, а высота подъёма уменьшается. Следовательно, его кинетическая энергия возрастает, а потенциальная уменьшается. Это значит, что происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. После того как шар ударится о свинцовую плиту, он остановится (рис. 2, б). Его кинетическая и потенциальная энергия будут равны нулю.

Значит ли это, что механическая энергия, которой обладал шар, бесследно исчезла? По-видимому, нет.

Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. Что же представляет собой эта другая форма энергии? Рассмотрим шар и плиту после удара. Оказывается, что шар немного сплюснулся, а на плите возникла небольшая вмятина. Шар и плита при ударе деформировались. Измерим температуру шара и плиты сразу после удара. Мы заметим, что они нагрелись.

Таким образом, в результате удара шара о плиту изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела. Действительно, мы знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул. Значит, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией. Ведь они взаимодействуют друг с другом: притягиваются, а при дальнейшем сближении — отталкиваются. Когда тело деформировалось, то изменилось взаимное расположение его молекул, а значит, изменилась и их потенциальная энергия.

Итак, при соударении изменилась и кинетическая, и потенциальная энергия молекул свинца. Следовательно, механическая энергия, которой обладал шар в начале опыта, не исчезла. Она перешла в энергию молекул.

Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.

При изучении тепловых явлений учитывают только энергию молекул, потому что главным образом она изменяется в этих явлениях. В дальнейшем, рассматривая внутреннюю энергию тела, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела.

Вернёмся к опыту со свинцовым шаром и плитой (см. рис. 2).

При остановке шара механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара.

Итак, кроме механической энергии, существует ещё один вид энергии. Это внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов. (Более подробно это будет изучено в 10 классе.)

Поднимем тело, например мяч, над столом. При этом расстояние между молекулами мяча не меняется. Значит, не меняется и потенциальная энергия взаимодействия молекул. Следовательно, поднимая мяч, мы не изменяем его внутреннюю энергию.

Будем двигать мяч относительно стола. От этого его внутренняя энергия также не изменится.

Следовательно, внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.

Тело, имея некоторый запас внутренней энергии, одновременно может обладать и механической энергией. Например, пуля, летящая на некоторой высоте над землёй, кроме внутренней энергии, обладает ещё и механической энергией — потенциальной и кинетической.

Кинетическая и потенциальная энергия одной молекулы — очень маленькая величина, ведь масса молекулы мала. Поскольку в теле содержится множество молекул, то внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, достаточно велика.

Домашнее задание.
I. Учить §§ 1 – 2.
II. Ответить на вопросы:
1. Какие тепловые явления вы знаете?
2. Что характеризует температура?
3. Как связана температура тела со скоростью движения его молекул?
4. Чем отличается движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах?

5. Какие превращения энергии происходят при подъёме шара и при его падении?
6. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения?
7. Какую энергию называют внутренней энергией тела?
8. Зависит ли внутренняя энергия тела от его движения и положения относительно других тел?
III. Решить упражнение 1.
1. Какими видами механической энергии обладают молекулы вещества вследствие своего движения?
2. Какое тело обладает большей внутренней энергией: кусок льда при температуре 0 °С или полученная из этого куска льда вода при 0 °С?
IV. Выполнить задание на стр. 8 (по возможности)
Положите мячик на край стола. Столкните его. Объясните, почему мячик при отскоке не смог подняться до уровня стола.