Тема: Тепловые явления
Подтема: Вводный урок по теме «Тепловые явленя»
Что такое энергия? Энергию мы непосредственно не наблюдаем. При взаимодействии тел, излучении, сжигании изменяются состояния отдельных тел, одна форма движения переходит в другую, разрушаются химические связи и возникает тепло, лучи поглощаются телом, и оно нагревается. Ничто не исчезает бесследно. Энергия – это то, что сохраняется.
Представьте: шарик закатился на горку (см. рис. 1).
Рис. 1. Закатившийся наверх шарик
Он перестал двигаться, но его энергия никуда не делась, она перешла в другой вид. Если шарик остановился под уклон, он начнет скатываться и в итоге будет двигаться, как до этого.
Если мы гнем проволоку, она нагревается: снова преобразование и сохранение энергии. То, что мы гнули проволоку, не пропало бесследно: работа перешла в теплоту (см. рис. 2).
Рис. 2. Переход работы в теплоту
Энергия передается от одного тела другому, например при столкновении двух бильярдных шаров. Энергия может переходить даже в излучение: раскаленные предметы начинают светиться. Наоборот тоже бывает, излучение переходит в тепло: мы греемся под лучами солнца
Какая нам от этого польза? Если мы залили некоторое количество бензина в бак и машина проехала неизвестно какое расстояние, нам эта информация ничего не даст. Энергия превратилась – и всё. Главное, чтобы мы могли записать уравнение: сколько энергии выделилось при сгорании бензина, такая работа и была совершена. А если были потери, то тоже известные, чтобы можно было поставить знак «равно». Мы выделяем систему, в которой энергия сохраняется, чтобы потом записать равенство энергий до и после превращения.
Бензин сгорает: химическая энергия перешла в тепловую, а тепловая – в механическую. Мы остановимся подробнее на тепловой энергии.
Мы уже знакомы со строением вещества, оно состоит из молекул: это те же микроскопические бильярдные шары (см. рис. 3).
Рис. 3. Молекулы вещества
И к ним тоже можно применить эту модель: они обладают энергией, сталкиваются, взаимодействуют, при этом энергия передается.
Внутренняя энергия.
Энергия – это возможность совершить работу. Получается, если молекулы вещества обладают энергией, то они тоже могут совершить работу? Всё правильно, работа действительно совершается. Пробка выстреливает из бутылки с газированным напитком. Дым поднимается над костром вверх, хотя это твердые частицы тяжелее воздуха (см. рис. 4).
Рис.4. Дым от костра
Нет смысла рассматривать каждую молекулу. Если на бильярдном столе хаотично движется десяток шаров (см. рис. 5), попробуйте проследить за каждым отдельно. Это, во-первых, очень сложно. Или вообще невозможно, если вместо 10 шаров будут миллиарды молекул. А во-вторых, нам это и не нужно. Когда один шар передает энергию другому, в целом «суета» на столе будет такая же. То есть нам нужно описывать всю систему.
Рис. 5. Хаотичное движение шаров
Суммарная энергия частиц, из которых состоит тело, называется внутренней энергией. Есть параметр, который люди давно научились измерять и использовать – температура, и она связана с внутренней энергией. Температура повысилась – значит, внутренняя энергия повысилась.
Передача энергии
А как энергия передается? Один способ мы привыкли видеть в бильярде: через столкновение от частицы к частице.
Можно привести в контакт два тела с разными температурами, и частицы горячего тела с большей энергией «растолкают» частицы холодного тела с меньшей (см. рис. 6).
Рис. 6. Взаимодействие горячего и холодного тел
Частицы с большей энергией могут переместиться внутри вещества и там передать энергию (см. рис. 7).
Рис. 7.Перемещение частиц внутри вещества
Как вода в кастрюле возле дна нагревается, устремляется вверх и смешивается с холодной водой на поверхности, передавая ей энергию (см. рис. 8).
Рис. 8. Нагрев воды в кастрюле
Можно взять кусок железа и бить по нему молотком – железо нагреется. Здесь происходит, по сути, то же самое: совершая работу над телом, мы «расталкиваем» его частицы (см. рис. 9) и передаем им энергию.
Рис. 9. Нагрев железа
Есть второй, особенный способ передачи энергии: через излучение. Оказывается, чтобы энергия передалась, частицам не обязательно контактировать. Энергия может передаваться на расстоянии и без столкновений частиц, посредством электромагнитного излучения (см. рис. 10).
Рис. 10. Передача энергии на расстоянии
Так энергия Солнца достигает Земли.
Вспомним закон сохранения механической энергии: в изолированной системе, в которой действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется. Энергия передается от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой. А куда же исчезает механическая энергия при наличии неконсервативных сил? Она как раз и превращается во внутреннюю.
Нет идеальных изолированных систем. Всё состоит из молекул, и контактов с ними не избежать. К тому же, энергия может передаваться и через излучение. Однако мы можем как угодно точно приблизиться к изолированной системе, к идеальной модели.
Число пи тоже нельзя записать конечным числом цифр. Можно расписать его с точностью до миллионных и точнее, приближаясь к идеалу. Но наши линейки измеряют с точностью до миллиметра, так что считать пи с точностью до сотых равным 3,14 нам чаще всего достаточно.
Так мы можем решать задачу о температуре чая в чашке и считать систему «чай + чашка» изолированной. Мы не учтем открытое рядом окно или включенную печку, если нам не нужна такая точность (см. рис. 11).
Рис. 11. Можно выбирать изолированную систему
При необходимости можно включить в систему даже тепловыделение кота под столом, тогда мы еще больше приблизимся к идеальной изолированной системе, только расчеты усложнятся, но нужно ли это нам? Мы всё измеряем с конечной точностью, и сами решаем, чем можно пренебречь.
