Контрольні запитання
1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? Завжди мають кінетичну енергію?
Частинки речовини мають потенціальну енергію через взаємодію між ними, наприклад, сили притягання чи відштовхування. Кінетичну енергію частинки завжди мають, бо вони перебувають у безперервному хаотичному русі, за винятком абсолютного нуля температури.
2. Що називають внутрішньою енергією тіла?
Внутрішньою енергією тіла називають сукупність кінетичної енергії руху частинок та потенціальної енергії їх взаємодії.
3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла?
Внутрішня енергія тіла залежить від температури, стану речовини (твердий, рідкий, газоподібний) та кількості частинок у тілі.
4. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?
Так, тіло може мати внутрішню енергію без механічної, наприклад, нерухоме тіло при кімнатній температурі, де частинки рухаються всередині, але як ціле тіло спокійне.
5. У які способи можна змінити внутрішню енергію тіла?
Внутрішню енергію можна змінити теплопередачею, виконанням роботи над тілом або тілом над оточенням.
6. Що називають теплопередачею? Наведіть приклади теплопередачі.
Теплопередачею називають процес передачі енергії від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою. Приклади: нагрівання води в каструлі на плиті (кондукція), нагрівання кімнати сонцем (радіація), конвекція в атмосфері.
7. Що таке кількість теплоти? Назвіть одиницю кількості теплоти.
Кількість теплоти — це енергія, передана тілу внаслідок теплопередачі. Одиниця — джоуль (Дж).
8. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи.
Приклади: стиснення газу в циліндрі поршнем збільшує внутрішню енергію через роботу; розтирання рук нагріває їх, перетворюючи механічну роботу на внутрішню енергію; змішування бетону в міксера.
9. Як змінюється внутрішня енергія тіла у випадку, коли воно виконує роботу? У випадку, коли над тілом виконують роботу? Вважайте, що теплообмін із навколишніми тілами відсутній.
Коли тіло виконує роботу, його внутрішня енергія зменшується. Коли над тілом виконують роботу, внутрішня енергія збільшується.
Вправа
1. У якій склянці (рис. 1) внутрішня енергія чаю є більшою?
Внутрішня енергія більша у склянці з гарячим чаєм, оскільки його температура вища.
2. Наведіть два способи запалювання сірника, що відповідають двом способам зміни внутрішньої енергії тіла.
- Виконання роботи: потерти сірник об коробку. Через тертя внутрішня енергія головки збільшиться, і сірник спалахне.
- Теплопередача: піднести сірник до полум’я. Він нагріється і займеться.
3. Установіть відповідність між зображеним об’єктом (1–3) і зміною внутрішньої енергії, яка відбувається із цим об’єктом (А–Г).
- А. Внутрішня енергія гарячого напою зменшується через теплопередачу, оскільки він віддає тепло навколишньому середовищу та охолоджується.
- В. Внутрішня енергія радіатора зростає внаслідок теплопередачі від гарячої води, що циркулює в ньому.
- Б. Внутрішня енергія свердла збільшується через виконання роботи проти сил тертя під час свердління, що призводить до нагрівання.
4. М’яч кинули вгору. Як під час руху м’яча змінюється його внутрішня енергія? механічна енергія? Опором повітря знехтуйте.
Оскільки опір повітря відсутній, температура м’яча не змінюється, тому його внутрішня енергія є сталою. Механічна енергія, що є сумою кінетичної та потенціальної, також зберігається. Під час руху вгору кінетична енергія перетворюється на потенціальну, а при падінні — навпаки.
5. Як змінюються внутрішня й механічна енергії наплічника (рис. 2) за незмінної температури?
Внутрішня енергія наплічника не змінюється, бо його температура постійна.
Механічна енергія змінюється:
а) найменше значення; б) збільшується внаслідок збільшення потенціальної енергії; в) найбільше значення внаслідок збільшення потенціальної енергії та кінетичної енергії.
6. На рис. 3 зображено вуличний термометр. Температура в будівлі 25°С. Куди буде спрямований потік тепла: а) з будівлі на вулицю; б) з вулиці в будівлю? За яких умов потік тепла дорівнюватиме нулю?
б) з вулиці в будівлю
Термометр показує +35°C на вулиці, а в приміщенні +25°C. Тепло завжди передається від більш нагрітого об’єкта до менш нагрітого, тому потік буде спрямований з вулиці в будівлю. Потік тепла зупиниться, коли температури на вулиці та в будівлі зрівняються.
7. Чому каскадери, які десантуються з гелікоптерів по канатах, надягають рукавички?
Каскадери надягають рукавички для захисту рук від опіків. Під час спуску по канату виникає сильне тертя між долонями й канатом, унаслідок чого виконується робота, що перетворюється на тепло, сильно нагріваючи руки та канат.
8. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла, коли водночас виконується робота та відбувається теплопередача. Чи може в таких випадках внутрішня енергія залишитися незмінною?
Прикладом є накачування шини насосом: робота зі стиснення повітря підвищує його внутрішню енергію, а насос одночасно віддає тепло навколишньому середовищу. Інший приклад — розтирання долонь на морозі: робота проти сили тертя нагріває руки, але вони віддають тепло холодному повітрю.
Так, внутрішня енергія може залишитися незмінною. Це відбувається, якщо кількість отриманої тілом теплоти дорівнює виконаній ним роботі, або якщо робота, виконана над тілом, дорівнює кількості відданої ним теплоти.