Почему при трении увеличивается тепловая энергия тел кратко

Обновлено: 04.07.2024

Вы уже знаете, что механическая энергия тела (кинетическая и потенциальная) может изменяться. Внутренняя энергия тела также не является постоянной величиной, она может менять свое значение.

Внутренняя энергия зависит от температуры: при ее повышении внутренняя энергия увеличивается. Происходит это за счет увеличения средней скорости движения молекул и возрастания их кинетической энергии.

При понижении температуры внутренняя энергия, наоборот, понижается. Значит, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

В данном уроке мы выясним, каким способом можно изменить скорость движения молекул. Таким образом, мы определим, при каких условиях происходит изменение внутренней энергии и дадим определения новым понятиям.

Совершение работы над телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.

У нас есть металлическая трубка, закрепленная на подставке. Наливаем в трубку немного эфира (бесцветная летучая жидкость, употребляется в технике и медицине для дезинфекции, имеет температуру кипения около $35 \degree C$). Закрываем пробкой. Обвиваем вокруг трубки веревку, и начинаем быстро двигать ее в разные стороны. Что произойдет?

После некоторого времени наших манипуляций с веревкой, эфир закипит. Его пар вытолкнет пробку.

Такой способ используется при разведении огня в диких условиях. Древние люди обладали им в совершенстве. При вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на $250 \degree C$ и загорался.

Внутренняя энергия эфира изменилась — она увеличилась. Он не только нагрелся, но и закипел. Натирая трубку веревкой, мы совершали механическую работу.

Также тела нагреваются при деформациях: ударах (вспомните опыт из прошлого урока с шаром из свинца), разгибании, сгибании (можно провести простой опыт, сгибая медную проволоку) и др.

Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Когда нам холодно, мы начинаем дрожать — происходят мышечные сокращения. Таким образом наш организм увеличивает температуру тела — за счет работы мышц увеличивается внутренняя энергия.

Совершение работы самим телом

Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 2.

У нас имеется стеклянный сосуд, который закрывается пробкой. В пробке есть специальное отверстие. Через него с помощью насоса начнем закачивать в сосуд воздух.

Через некоторое время пробка вылетит. В этот момент можно заметить как образуется туман. Это означает, что воздух в сосуде стал холоднее.

Вытолкнув пробку, сжатый воздух в сосуде совершил работу. Т. к. температура воздуха понизилась, мы можем сказать, что его внутренняя энергия тоже уменьшилась.

Если работу совершает само тело, то его его внутренняя энергия уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.

Теплопередача

Можно ли изменить внутреннюю энергию тела без совершения работы?

Мы часто наблюдаем ситуации, когда увеличивается температура тела. Например, закипание воды в чайнике, воздух нагревается от батарей отопления в квартире, нагреваются предметы, оставленные на солнце. Работа во всех этих примерах не совершается.

Попробуем объяснить увеличение внутренней энергии в таких случаях на следующем примере. Опустим обычную металлическую ложку в стакан с горячей водой (рисунок 3).

Что будет происходить?

  1. Температура горячей воды намного больше температуры холодной ложки. Значит, кинетическая энергия молекул воды больше кинетической энергии частиц металлической ложки
  2. Молекулы воды начинают взаимодействовать с частицами металла — передают им часть своей кинетической энергии
  3. Энергия молекул воды уменьшается, энергия частиц металла увеличивается
  4. Температура воды уменьшается, температура ложки увеличивается
  5. Вскоре им температуры выравниваются

Внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи.

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы самими телом или над ним.

  • Теплопередача происходит между телами с разной температурой
  • Теплопередача идет в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой
  • Теплопередача заканчивается, когда температуры тел выравниваются (становятся равны друг другу)

В мороз многие водоплавающие птицы (например, утки) охотно залезают в воду. В такую погоду температура воды выше температуры воздуха, что позволяет птицам не замерзать.

Способы изменения внутренней энергии тела

внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.


Всем известно, что при любом механическом движении возникает трение и выделяется теплота.

Сам факт выделения теплоты при трении был известен людям с незапамятных времен, но корректного объяснения этого явления нет и до сих пор [5] (Список литературы в конце данной главы).

Теплота – мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи. В системе СИ единицей измерения теплоты является Джоуль.

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. При трении теплота не переносится, она генерируется и трансформируется.

Из основ физики известно, что энергия может преобразовываться из одной формы в другую и такие преобразования постоянно происходят в природе и технике. Более ста лет назад Джеймс Прескотт Джоуль с помощью калориметра доказал превращение механической энергии в тепловую. В его приборе опускающиеся и поднимающиеся грузы вращали вал с лопастями в заполненном водой калориметре. В результате проделанной работы вода нагревалась. Для измерения температуры Джоуль изготовил специальный термометр, который позволил ему провести точные измерения и определить эквивалент калории теплоты, она оказалась равной 4,186 Дж механической работы. В дальнейшем похожее устройство было применено для определения теплового эквивалента электрической энергии.

Все мы прекрасно осведомлены о том, что при трении или ударе выделяется теплота. Теплота, возникающая без нагрева, теплота как следствие проделанной работы. А как она появляется, образуется, откуда она вообще берется?

Когда на смену лошадям пришли машины, то проблема отвода тепла, а особенно его уменьшения в трущихся парах, стала особенно актуальной.

Появилась даже специальная наука – трибология, занимающаяся вопросами трения, которая выясняет, сколько же зря теряется энергии в любой установке на потери трения. Трибологию, прежде всего, интересует, как уменьшить потери на трение, как уменьшить теплоту, при этом выделившуюся, а как происходит преобразование механической работу в теплоту – это для нее не столь важно.

Современная физика трактует понятие теплоты как энергии, выделившейся в процессе движения и столкновения атомов и молекул в веществе. Такого же понятия в физике придерживаются и при появлении теплоты в узлах трения, деформации и изгибе.

Но так ли это на самом деле? Сколько бы мы не колотили молотом по головам молекул, они так и не скажут, почему выделяют тепло. А может они при этом еще кричат от боли и потеют? Нужно разбираться.

В данной главе будут исследованы процессы возникновения теплоты, связанные с ударом, деформацией и трением.


1. Понятие о тепловом явлении

В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Словами холодный, теплый, горячий, мы указываем на степень нагревания тела. То есть указываем на различную температуру тел. Следовательно температурой называют физическую величину которая определяет степень нагревания тела. Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, то есть изменением температуры, называют тепловыми. К тепловым явлениям относятся, например нагревания и охлаждения воздуха, таянии льда, плавления металлов, испарение воды и другие.

2. Понятие о температуре. Виды термометров

Температурой называют физическую величину, которая определяет степень нагревания тела.

Температура измеряется разными термометрами:

  1. Спиртовой термометр.
  2. Ртутный термометр.
  3. Газовый термометр.
  4. Полупроводниковый термометр.
  5. Электронный термометр.

Температуру измеряют в градусах по Цельсию. Кроме шкалы по Цельсию существуют еще шкала по Кельвину и шкала по Фаренгейту.

3. Зависимость кинетической энергии движения молекул от температуры

  1. Зависимость кинетической энергии движения молекул от температуры

Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество, в окружающих телах очень велико. Так как движение частиц связано с температурой, то чем выше температура, тем скорость движения молекул или атомов больше. Чем меньше температура, тем скорость движения частиц меньше. Поэтому скорость движения молекул зависит от температуры. 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.

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

4. Понятие теплового движения частиц

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Например, в одном кубическом сантиметре воды содержится 3,34*10 в 22 степени. И поэтому изучить движение молекул, очень сложно.


Привет ребят, сегодня визику повторяем и чет ничего вспомнить не могу, кто может подскаать ответики на 3 параграф §3 СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА?
1 Пользуясь рисунком , расскажите как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу.

2 опшите опыт, показывающий, что за счет внутренней энергией тела может совершить работу.
3 приведите примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
4 объясните на основе молекулярного строения вещества нагревания спицы, опущенной в горячую воду.
5 что такое теплопередача.
6 какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергиб тела?
Упражнения
1 сила терния совершает над телом работу . меняется ли при этом внутренняя энергия тела? По каким признакам можно судить об этом?
2 при быстром спуске по канату нагреваются руки. Объясните почему это происходит.

Читайте также: