Номер 30, страница 44, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 4. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Виды теплопередачи - номер 30, страница 44.

Условие.

30. Расскажите о способах изменения внутренней энергии. Приведите примеры, иллюстрирующие ваш ответ.

Решение.

Внутренняя энергия тела представляет собой сумму кинетической энергии хаотического (теплового) движения всех его микрочастиц (молекул, атомов, ионов) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Существует два способа изменения внутренней энергии: совершение работы и теплопередача. Эти два процесса количественно связаны в первом законе термодинамики: $\Delta U = Q + A'$, где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ — количество теплоты, переданное системе, а $A'$ — работа, совершённая над системой внешними силами.

1. Совершение механической работы

Внутреннюю энергию можно изменить, совершая механическую работу над телом или когда само тело совершает работу. Этот способ не требует наличия разности температур.

Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается. Это происходит, когда внешние силы действуют на тело, вызывая его деформацию, сжатие или трение.
Примеры:
- Сжатие газа: При быстром накачивании шины насосом, воздух внутри насоса сжимается. Работа, совершаемая поршнем над газом, приводит к увеличению кинетической энергии его молекул, что проявляется в виде нагрева насоса.
- Трение: Если потереть ладони друг о друга, они согреваются. Механическая работа против сил трения преобразуется во внутреннюю энергию, увеличивая температуру кожи.
- Деформация: При многократном сгибании и разгибании металлической проволоки место сгиба заметно нагревается, так как работа по преодолению сил межмолекулярного взаимодействия в материале переходит во внутреннюю энергию.

Если работу совершает само тело (например, расширяющийся газ), его внутренняя энергия уменьшается.
Пример:
- Расширение газа: При распылении дезодоранта сжатый газ внутри баллона расширяется и совершает работу по выталкиванию окружающего воздуха. Эта работа совершается за счет собственной внутренней энергии газа, поэтому газ и баллончик охлаждаются.

2. Теплопередача (теплообмен)

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, обусловленный контактом тел с разной температурой. Энергия всегда самопроизвольно передается от более нагретого тела к менее нагретому. Существует три вида теплопередачи.

а) Теплопроводность

Это вид теплопередачи, при котором энергия переносится от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате непосредственного взаимодействия и соударения частиц вещества (атомов, молекул, электронов). Теплопроводность характерна для всех веществ, но наиболее выражена в твердых телах, особенно в металлах.
Примеры:
- Металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, быстро нагревается. Энергия от быстрых молекул воды передается частицам металла при их столкновениях, и этот процесс распространяется по всей длине ложки.
- Горячая сковорода передает тепло продуктам, находящимся на ней, путем прямого контакта.

б) Конвекция

Этот вид теплопередачи свойственен только жидкостям и газам. Перенос энергии осуществляется потоками (струями) самого вещества. Нагретые слои жидкости или газа становятся менее плотными и поднимаются вверх, уступая место более холодным и плотным слоям, которые опускаются вниз.
Примеры:
- Нагревание воды в кастрюле: нижние слои нагреваются от дна, поднимаются вверх, а верхние, более холодные, опускаются вниз, создавая циркуляцию.
- Система центрального отопления в домах: горячий воздух от радиаторов поднимается к потолку, а холодный воздух опускается к полу, создавая конвекционные потоки, которые прогревают всё помещение.

в) Излучение

Это перенос энергии с помощью электромагнитных волн (преимущественно инфракрасного диапазона), которые излучают все нагретые тела. Для этого вида теплопередачи не требуется среда, он может происходить и в вакууме.
Примеры:
- Солнце согревает Землю, передавая энергию через безвоздушное пространство космоса.
- Человек чувствует тепло от костра или камина на расстоянии, даже если воздух между ними холодный. Это тепло передается в основном излучением.
- Предметы темного цвета нагреваются на солнце сильнее, чем светлые, так как они лучше поглощают энергию излучения.

Ответ: Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: 1) совершением механической работы (когда работа совершается над телом или самим телом); 2) теплопередачей (процессом обмена энергией между телами с разной температурой без совершения работы). Теплопередача, в свою очередь, может осуществляться тремя механизмами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.