§ 6. Способы изменения внутренней энергии тела

• 1. Совершение механической работы (над телом или самим телом).
• 2. Теплопередача (теплообмен) без совершения работы.

• Если над телом совершают работу внешние силы (трение, деформация, сжатие), внутренняя энергия тела возрастает (тело нагревается).
• Если работу совершает само тело против внешних сил (расширение газа), внутренняя энергия тела уменьшается (тело охлаждается).

процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы над ним или самим телом.

• Условие протекания: наличие разности температур между телами или частями одного тела (T₁ ≠ T₂).
• Направление процесса: внутренняя энергия самопроизвольно передаётся всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой до наступления теплового равновесия.

Великий русский учёный-энциклопедист, физик и химик, основоположник молекулярно-кинетической теории теплоты, отвергший гипотезу невесомого теплорода.

• В фундаментальном труде «Размышления о причине теплоты и холода» (1744–1745) обосновал, что тепловые явления вызваны механическим движением частиц самого вещества — его молекул.
• Решительно отрицал существование невесомого теплорода, утверждая, что причиной теплоты служит внутреннее вращательное движение связанных корпускул материи.
• Теоретические идеи Ломоносова более чем на столетие предвосхитили развитие классической термодинамики и молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Англо-американский физик, естествоиспытатель и изобретатель, граф Румфорд, экспериментально опровергший теорию теплорода и доказавший превращение механической работы во внутреннюю энергию.

• В конце XVIII века исследовал высверливание пушечных стволов в воде и доказал, что непрерывное трение тупого сверла о металл заставляет воду закипать без подвода огня.
• Проведённый «опыт Румфорда» продемонстрировал, что количество выделяемой теплоты не ограничено и прямо пропорционально совершённой механической работе.
• Результаты его экспериментов нанесли сокрушительный удар по теории теплорода и подготовили научную почву для открытия закона сохранения энергии.

Когда над телом совершают механическую работу внешние силы, механическая энергия внешних тел переходит во внутреннюю энергию данного тела, в результате чего его внутренняя энергия увеличивается (тело нагревается).

• На опыте (рис. 10 в учебнике): тонкостенную латунную трубку, наполненную эфиром и закрытую пробкой, быстро натирают верёвкой. Силы трения верёвки о трубку совершают механическую работу. Трубка и эфир сильно нагреваются, внутренняя энергия эфира возрастает, он закипает, и давление образовавшегося пара с силой выбивает пробку.

Опыт с толстостенным стеклянным сосудом (рис. 11 в учебнике):

• В сосуд наливают немного воды и накачивают воздух насосом через пробку.
• При увеличении давления сжатый воздух внутри сосуда выталкивает пробку. Совершая механическую работу по выталкиванию пробки и преодолению атмосферного давления за счёт собственной внутренней энергии, расширяющийся воздух совершает работу против внешних сил.
• В результате внутренняя энергия воздуха уменьшается, температура воздуха падает, и в сосуде мгновенно появляется густой туман (водяной пар конденсируется в мельчайшие капельки воды из-за охлаждения).

Теплопередачей (теплообменом) называют процесс изменения внутренней энергии тела без совершения механической работы над телом или самим телом.

• Необходимое условие теплопередачи: наличие разности температур между соприкасающимися телами или между различными частями одного и того же тела (теплообмен происходит самопроизвольно исключительно от более нагретого тела к менее нагретому).

Примерами служат:

• Нагревание холодной металлической ложки, опущенной в стакан с горячим чаем.
• Нагревание дна и стенок кастрюли с водой на горячей плите.
• Остывание горячего утюга или сковороды при выключении нагревателя в окружающий воздух.
• Нагревание поверхности Земли и атмосферы солнечными лучами.
• Охлаждение бутылки с лимонадом, помещённой в таз со льдом.

Существуют два основных способа изменения внутренней энергии тела:

• Совершение механической работы (над телом или самим телом).
• Теплопередача (теплообмен без совершения работы).