Energía interna. Trabajo y transferencia de calor como formas de cambiar la energía interna de un cuerpo. Ley de conservación de la energía en procesos térmicos. Energía interna del cuerpo

Lección de física en octavo grado sobre el tema: "Energía interna. Formas de cambiar la energía interna"

Objetivos de la lección:

• Formación del concepto de “energía interna del cuerpo” a partir del MCT de la estructura de la materia.
• Familiarización con formas de cambiar la energía interna del cuerpo.
• Formación del concepto de “transferencia de calor” y capacidad de aplicar el conocimiento de MCT de la estructura de la materia para explicar los fenómenos térmicos.
• Desarrollar el interés por la física mediante la demostración de ejemplos interesantes de la manifestación de fenómenos térmicos en la naturaleza y la tecnología.
• Justificación de la necesidad de estudiar los fenómenos térmicos para aplicar estos conocimientos en la vida cotidiana.
• Desarrollo de competencias en información y comunicación de los estudiantes.

Tipo de lección. Lección combinada.

Tipo de lección. Lección - presentación

Formato de lección.Conversación interactiva, experimento de demostración, cuento, trabajo independiente.

Formas de trabajo de los estudiantes.Trabajo en equipo, trabajo individual, trabajo en grupo.

Equipo: Presentación electrónica “Energía interna. Métodos de cambio de energía interna", computadora, proyector.

Progreso de la lección

Momento organizacional.Buenas tardes Hoy en la lección nos familiarizaremos con otro tipo de energía, descubriremos de qué depende y cómo se puede cambiar.

Actualización de conocimientos.

• Repetición de conceptos básicos: energía, energía cinética y potencial, trabajo mecánico.

Aprender material nuevo.

Maestro . Además de los conceptos mencionados anteriormente, también conviene recordar que existen dos tiposenergía mecánicapueden transformarse (transicionar) entre sí, por ejemplo, cuando un cuerpo cae. Considere una pelota que cae libremente. Evidentemente al caer su altura sobre la superficie disminuye y su velocidad aumenta, esto quiere decir que su energía potencial disminuye y su energía cinética aumenta. Debe entenderse que estos dos procesos no ocurren por separado, están interconectados y dicen quela energía potencial se convierte en energía cinética.

Para entender qué es la energía interna de un cuerpo es necesario responder a la siguiente pregunta: ¿de qué están hechos todos los cuerpos?

Estudiantes . Los cuerpos están formados por partículas que se mueven continuamente de forma caótica e interactúan entre sí.

Maestro . Y si se mueven e interactúan, entonces tienen energía cinética y potencial, que constituyen energía interna.

Estudiantes. Resulta que todos los cuerpos tienen la misma energía interna, lo que significa que la temperatura debe ser la misma. Pero esto no es así.

Maestro. Por supuesto que no. Los cuerpos tienen diferentes energías internas, e intentaremos descubrir de qué depende y de qué no depende la energía interna de un cuerpo.

Definición.

Energía cinéticamovimientos de partículas yenergía potencialsus interacciones constituyenenergía interna del cuerpo.

La energía interna se denota pory se mide, como todos los demás tipos de energía, en J (julios).

En consecuencia, tenemos una fórmula para la energía interna del cuerpo:. donde debajo se refiere a la energía cinética de las partículas del cuerpo, y por– su energía potencial.

Recordemos la lección anterior, en la que hablamos de que el movimiento de las partículas de un cuerpo se caracteriza por su temperatura, en cambio, la energía interna del cuerpo está relacionada con la naturaleza (actividad) del movimiento de partículas. Por tanto, la energía interna y la temperatura son conceptos interrelacionados. Cuando aumenta la temperatura corporal, también aumenta su energía interna, y cuando disminuye, disminuye.

Descubrimos que la energía interna del cuerpo puede cambiar. Consideremos formas de cambiar la energía interna del cuerpo.

Ya estás familiarizado con el concepto de trabajo mecánico de un cuerpo; está asociado al movimiento de un cuerpo cuando se le aplica una determinada fuerza. Si se realiza un trabajo mecánico, entonces la energía del cuerpo cambia, y lo mismo puede decirse específicamente de la energía interna del cuerpo. Es conveniente representar esto en un diagrama:

Maestro El método para aumentar la energía interna de un cuerpo mediante la fricción es conocido por la gente desde la antigüedad. Así es como la gente hacía fuego. Cuando se trabaja en talleres, por ejemplo, girando piezas con una lima, ¿qué se puede observar? (Las piezas se calentaron). Cuando una persona tiene frío, comienza a temblar involuntariamente. ¿Por qué crees? (Al temblar, se producen contracciones musculares. Debido al trabajo de los músculos, la energía interna del cuerpo aumenta y se calienta.). ¿Qué conclusión se puede sacar de lo dicho?

Estudiantes . La energía interna de un cuerpo cambia cuando se realiza trabajo. Si el cuerpo mismo realiza trabajo, su energía interna disminuye, y si se realiza trabajo sobre él, entonces su energía interna aumenta.

Maestro . En la tecnología, la industria y la práctica cotidiana, nos encontramos constantemente con cambios en la energía interna de un cuerpo al realizar un trabajo: calentamiento de los cuerpos durante la forja, durante el impacto; realizar trabajos con aire comprimido o vapor.

Relajémonos un poco y al mismo tiempo aprendamos algunos datos interesantes de la historia de los fenómenos térmicos (dos alumnos dan mensajes breves preparados de antemano).

Mensaje 1. Cómo se realizaron los milagros.

El antiguo mecánico griego Garza de Alejandría, inventor de la fuente que lleva su nombre, nos dejó una descripción de dos ingeniosas formas en que los sacerdotes egipcios engañaban al pueblo haciéndole creer en los milagros.
En la Figura 1 se ve un altar de metal hueco, y debajo de él un mecanismo escondido en el calabozo que mueve las puertas del templo. El altar estaba fuera de él. Cuando se enciende un fuego, el aire dentro del altar, debido al calentamiento, ejerce más presión sobre el agua en el recipiente escondido debajo del piso; Desde el recipiente, el agua sale a través de un tubo y se vierte en un balde que, cuando se baja, activa un mecanismo que hace girar las puertas (Fig. 2). Los espectadores asombrados, sin darse cuenta de la instalación escondida bajo el suelo, ven un “milagro” frente a ellos: tan pronto como el fuego arde en el altar, las puertas del templo, “escuchando las oraciones del sacerdote”, se disuelven como si por ellos mismos...

Exponiendo el “milagro” de los sacerdotes egipcios: las puertas del templo se abren por la acción del fuego sacrificial.

Mensaje 2. Cómo se realizaron los milagros.

Otro milagro imaginario realizado por los sacerdotes se muestra en la Fig. 3. Cuando una llama arde en el altar, el aire, al expandirse, extrae el aceite del depósito inferior hacia los tubos escondidos dentro de las figuras de los sacerdotes, y luego el aceite milagrosamente se agrega al fuego... Pero tan pronto como el sacerdote a cargo de este altar quitó silenciosamente el tapón del depósito de la tapa y el derrame de aceite se detuvo (porque el exceso de aire se escapó libremente a través del agujero); Los sacerdotes recurrían a este truco cuando las ofrendas de los fieles eran demasiado escasas.

Maestro. ¡Qué familiarizados estamos todos con el té de la mañana! Es muy agradable preparar té, verter azúcar en una taza y beber un poco con una cuchara pequeña. Sólo una cosa es mala: ¡la cuchara está demasiado caliente! ¿Qué pasó con la cuchara? ¿Por qué le subió la temperatura? ¿Por qué aumentó su energía interna? ¿Hemos trabajado en ello?

Estudiantes . No, no lo hicieron.

Maestro . Averigüemos por qué ocurrió el cambio en la energía interna.

Inicialmente, la temperatura del agua es mayor que la temperatura de la cuchara y, por tanto, la velocidad de las moléculas de agua es mayor. Esto significa que las moléculas de agua tienen más energía cinética que las partículas del metal del que está hecha la cuchara. Cuando chocan con partículas metálicas, las moléculas de agua les transfieren parte de su energía, y la energía cinética de las partículas metálicas aumenta y la energía cinética de las moléculas de agua disminuye. Este método de cambiar la energía interna de los cuerpos se llama transferencia de calor . En nuestra vida diaria nos encontramos a menudo con este fenómeno. Por ejemplo, en el agua, al tumbarse en el suelo o en la nieve, el cuerpo se enfría, lo que puede provocar resfriados o congelación. En caso de heladas severas, los patos se sumergen voluntariamente en el agua. ¿Por qué crees? (En caso de heladas severas, la temperatura del agua es significativamente más alta que la temperatura del aire ambiente, por lo que el ave se enfriará menos en el agua que en el aire.). La transferencia de calor ocurre de varias maneras, pero hablaremos de esto en la próxima lección.

Por tanto, hay dos formas posibles de cambiar la energía interna. ¿Cual?

Estudiantes . Rendimiento del trabajo y transferencia de calor.

Consolidación del material estudiado.Ahora veamos qué tan bien has aprendido el nuevo material de la lección de hoy.. Te haré preguntas y tú intentarás responderlas.

Pregunta 1 . Se vierte agua fría en un vaso y la misma cantidad de agua hirviendo en el otro. ¿En qué vaso el agua tiene más energía interna? (En el segundo, porque su temperatura es mayor).

Pregunta 2. Dos barras de cobre tienen la misma temperatura, pero la masa de una es 1 kg y la otra 0,5 kg. ¿Cuál de las dos barras dadas tiene mayor energía interna? (El primero, porque su masa es mayor).

Pregunta 3. El martillo se calienta cuando se golpea, por ejemplo, sobre un yunque y cuando se deja al sol en un caluroso día de verano. Nombra formas de cambiar la energía interna del martillo en ambos casos. (En el primer caso se realiza trabajo y en el segundo transferencia de calor).

Pregunta 4 . Se vierte agua en una taza de metal. ¿Cuál de las siguientes provoca un cambio en la energía interna del agua? (1, 3)

1. Calentar agua en una estufa caliente.
2. Realizar trabajos sobre el agua, llevándola hacia adelante junto con la taza.
3. Realizar trabajos sobre agua mezclándola con una batidora.

Maestro . Y ahora te sugiero que trabajes por tu cuenta. (Los estudiantes se dividen en 6 grupos y el trabajo posterior se realizará en grupos). Frente a ti hay una hoja de papel con tres tareas.

Tarea 1. ¿Cuál es el motivo del cambio en la energía interna de los cuerpos en los siguientes fenómenos?

1. calentar agua con caldera;
2. enfriar los alimentos colocados en el refrigerador;
3. encendido de una cerilla al golpearla contra una caja;
4. fuerte calentamiento y combustión de satélites terrestres artificiales cuando ingresan a las capas más bajas y densas de la atmósfera;
5. si dobla rápidamente el cable en el mismo lugar, primero en una dirección y luego en la otra, este lugar se calienta mucho;
6. cocinando;
7. Si te deslizas rápidamente por un poste o una cuerda, puedes quemarte las manos;
8. calentar el agua de la piscina en un caluroso día de verano;
9. Al clavar un clavo, su cabeza se calienta;
10. Una cerilla se enciende cuando se coloca sobre la llama de una vela.

Para dos grupos – con fricción; los otros dos grupos - durante el impacto y dos grupos más - durante la compresión.

Reflexión.

• ¿Qué cosas nuevas o interesantes aprendiste hoy en clase?
• ¿Cómo aprendiste el material que cubriste?
• ¿Cuáles fueron las dificultades? ¿Conseguiste superarlos?
• ¿Le resultarán útiles los conocimientos adquiridos en la lección de hoy?

Resumiendo la lección.Hoy nos familiarizamos con los conceptos básicos de la sección "Fenómenos térmicos": energía interna y transferencia de calor y nos familiarizamos con las formas de cambiar la energía interna de los cuerpos. Los conocimientos adquiridos te ayudarán a explicar y predecir el curso de los procesos térmicos que encontrarás en tu vida.

Tarea. § 2, 3. Tareas experimentales:

1. Utilice un termómetro casero para medir la temperatura del agua vertida en un frasco o botella.
   Cierre bien el recipiente y agítelo vigorosamente durante 10 a 15 minutos, luego mida la temperatura nuevamente.
   Para evitar la transferencia de calor de sus manos, use guantes o envuelva el recipiente en una toalla.
   ¿Qué método para cambiar la energía interna usaste? Explicar.
2. Tome una banda elástica atada con un anillo, aplíquela en la frente y observe su temperatura. Sosteniendo la goma con los dedos, estírela vigorosamente varias veces y, cuando esté estirada, presiónela nuevamente contra su frente. Saque una conclusión sobre la temperatura y las razones que provocaron el cambio.

Avance:

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Temas del codificador del Examen Estatal Unificado: energía interna, transferencia de calor, tipos de transferencia de calor.

Las partículas de cualquier cuerpo (átomos o moléculas) realizan un movimiento caótico continuo (el llamado movimiento térmico). Por tanto, cada partícula tiene cierta energía cinética.

Además, las partículas de materia interactúan entre sí mediante fuerzas de atracción y repulsión eléctricas, así como mediante fuerzas nucleares. Por tanto, todo el sistema de partículas de un cuerpo determinado también tiene energía potencial.

La energía cinética del movimiento térmico de las partículas y la energía potencial de su interacción forman juntas un nuevo tipo de energía que no se reduce a la energía mecánica del cuerpo (es decir, la energía cinética del movimiento del cuerpo en su conjunto y la energía potencial de su interacción con otros cuerpos). Este tipo de energía se llama energía interna.

La energía interna de un cuerpo es la energía cinética total del movimiento térmico de sus partículas más la energía potencial de su interacción entre sí..

La energía interna de un sistema termodinámico es la suma de las energías internas de los cuerpos incluidos en el sistema..

Así, la energía interna del cuerpo está formada por los siguientes términos.

1. Energía cinética del movimiento caótico continuo de partículas corporales.
2. Energía potencial de las moléculas (átomos), provocada por las fuerzas de interacción intermolecular.
3. Energía de los electrones en los átomos.
4. Energía intranuclear.

En el caso del modelo más simple de la materia -un gas ideal- se puede obtener una fórmula explícita para la energía interna.

Energía interna de un gas ideal monoatómico.

La energía potencial de interacción entre partículas de un gas ideal es cero (recordemos que en el modelo del gas ideal descuidamos la interacción de partículas a distancia). Por lo tanto, la energía interna de un gas ideal monoatómico se reduce a la energía cinética total del movimiento de traslación (para un gas poliatómico también se debe tener en cuenta la rotación de las moléculas y las vibraciones de los átomos dentro de las moléculas) de sus átomos. Esta energía se puede encontrar multiplicando el número de átomos de gas por la energía cinética promedio de un átomo:

Vemos que la energía interna de un gas ideal (cuya masa y composición química no cambian) es función únicamente de su temperatura. En un gas real, líquido o sólido, la energía interna también dependerá del volumen; después de todo, cuando cambia el volumen, cambia la posición relativa de las partículas y, como consecuencia, la energía potencial de su interacción.

Función de estado

La propiedad más importante de la energía interna es que es función de estado sistema termodinámico. Es decir, la energía interna está determinada únicamente por un conjunto de parámetros macroscópicos que caracterizan el sistema y no depende de la "prehistoria" del sistema, es decir, sobre en qué estado se encontraba el sistema antes y cómo específicamente terminó en este estado.

Por lo tanto, cuando un sistema pasa de un estado a otro, el cambio en su energía interna está determinado únicamente por los estados inicial y final del sistema y no depende del camino de transición del estado inicial al estado final. Si el sistema vuelve a su estado original, entonces el cambio en su energía interna es cero.

La experiencia demuestra que sólo hay dos maneras de cambiar la energía interna de un cuerpo:

Realizar trabajos mecánicos;
transferencia de calor.

En pocas palabras, calentar una tetera solo se puede de dos formas fundamentalmente diferentes: frotándola con algo o prendiéndola fuego :-) Consideremos estos métodos con más detalle.

Cambio de energía interna: trabajo realizado

si el trabajo esta hecho encima cuerpo, entonces la energía interna del cuerpo aumenta.

Por ejemplo, un clavo, después de ser golpeado con un martillo, se calienta y se deforma ligeramente. Pero la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo. Calentar un clavo indica un aumento de la energía cinética de sus partículas: de hecho, las partículas se aceleran mediante un golpe de martillo y por la fricción del clavo sobre la tabla.

La deformación no es más que el desplazamiento de partículas entre sí; Después de un impacto, un clavo experimenta una deformación por compresión, sus partículas se acercan, las fuerzas repulsivas entre ellas aumentan y esto conduce a un aumento de la energía potencial de las partículas del clavo.

Entonces, la energía interna de la uña ha aumentado. Este fue el resultado del trabajo realizado en él: el trabajo fue realizado por el martillo y la fuerza de fricción sobre la tabla.

Si el trabajo esta hecho nosotros mismos cuerpo, entonces la energía interna del cuerpo disminuye.

Dejemos, por ejemplo, que el aire comprimido en un recipiente con aislamiento térmico debajo de un pistón se expanda y levante una determinada carga, realizando así trabajo (el proceso en un recipiente con aislamiento térmico se llama adiabático. Estudiaremos el proceso adiabático considerando la primera ley de la termodinámica). Durante este proceso, el aire se enfriará: sus moléculas, al golpear el pistón en movimiento, le dan parte de su energía cinética. (De la misma manera, un jugador de fútbol, ​​​​deteniendo con el pie un balón que vuela rápido, hace un movimiento con él. de bola y amortigua su velocidad.) Por lo tanto, la energía interna del aire disminuye.

El aire, por tanto, trabaja a expensas de su energía interna: dado que el recipiente está aislado térmicamente, no hay flujo de energía al aire desde ninguna fuente externa, y el aire sólo puede extraer energía para realizar trabajo de sus propias reservas. .

Cambio de energía interna: transferencia de calor.

La transferencia de calor es el proceso de transferir energía interna de un cuerpo más caliente a uno más frío, no asociado con la realización de trabajo mecánico.. La transferencia de calor puede ocurrir mediante el contacto directo de los cuerpos o mediante un medio intermedio (e incluso mediante el vacío). La transferencia de calor también se llama intercambio de calor.

Hay tres tipos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación térmica.

Ahora los veremos con más detalle.

Conductividad térmica

Si pones un extremo de una barra de hierro en el fuego, entonces, como sabemos, no la tendrás en la mano por mucho tiempo. Una vez en una región de alta temperatura, los átomos de hierro comienzan a vibrar más intensamente (es decir, adquieren energía cinética adicional) y causan impactos más fuertes en sus vecinos.

La energía cinética de los átomos vecinos también aumenta y ahora estos átomos imparten energía cinética adicional a sus vecinos. Así, de una sección a otra, el calor se propaga gradualmente a lo largo de la varilla, desde el extremo colocado en el fuego hasta nuestra mano. Esta es la conductividad térmica (Fig. 1) (Imagen de educationelectronicsusa.com).

Arroz. 1. Conductividad térmica

La conductividad térmica es la transferencia de energía interna desde áreas más calientes del cuerpo a otras menos calientes debido al movimiento térmico y la interacción de las partículas del cuerpo..

La conductividad térmica de diferentes sustancias es diferente. Los metales tienen una alta conductividad térmica: los mejores conductores del calor son la plata, el cobre y el oro. La conductividad térmica de los líquidos es mucho menor. Los gases conducen tan mal el calor que se los considera aislantes térmicos: las moléculas de gas, debido a las grandes distancias entre ellas, interactúan débilmente entre sí. Por eso, por ejemplo, las ventanas tienen marcos dobles: una capa de aire impide que se escape el calor).

Por tanto, los cuerpos porosos como el ladrillo, el algodón o la piel son malos conductores del calor. Contienen aire en sus poros. No en vano las casas de ladrillo se consideran las más cálidas y, en climas fríos, la gente usa abrigos de piel y chaquetas con una capa de plumón o relleno sintético.

Pero si el aire conduce tan mal el calor, ¿por qué la habitación se calienta con el radiador?

Esto sucede debido a otro tipo de transferencia de calor: la convección.

Convección

La convección es la transferencia de energía interna en líquidos o gases como resultado de la circulación de flujos y la mezcla de materias..

El aire cerca de la batería se calienta y se expande. La fuerza de gravedad que actúa sobre este aire sigue siendo la misma, pero la fuerza de flotación del aire circundante aumenta, de modo que el aire caliente comienza a flotar hacia el techo. En su lugar viene el aire frío (el mismo proceso, pero a una escala mucho mayor, ocurre constantemente en la naturaleza: así surge el viento), con el que se repite lo mismo.

Como resultado, se establece la circulación del aire, que sirve como ejemplo de convección: la propagación del calor en la habitación se realiza mediante corrientes de aire.

En los líquidos se puede observar un proceso completamente similar. Cuando se pone una tetera o una cacerola con agua en la estufa, el agua se calienta principalmente por convección (la contribución de la conductividad térmica del agua es muy insignificante).

Las corrientes de convección en aire y líquido se muestran en la figura. 2 (imágenes de física.arizona.edu).

Arroz. 2. Convección

En los sólidos no hay convección: las fuerzas de interacción entre partículas son grandes, las partículas oscilan cerca de puntos espaciales fijos (nodos de la red cristalina) y no se pueden formar flujos de materia en tales condiciones.

Para la circulación de corrientes de convección al calentar una habitación, es necesario que el aire calentado había espacio para emerger. Si el radiador se instala debajo del techo, no se producirá circulación: el aire caliente permanecerá debajo del techo. Por eso se colocan dispositivos de calefacción. abajo alojamiento. Por la misma razón se pone la tetera en fuego, como resultado de lo cual las capas de agua calentadas, al elevarse, dan paso a otras más frías.

Por el contrario, el aire acondicionado debe colocarse lo más alto posible: entonces el aire enfriado comenzará a descender y el aire más cálido ocupará su lugar. La circulación irá en dirección opuesta al movimiento de los flujos al calentar la habitación.

Radiación térmica

¿Cómo recibe la Tierra energía del Sol? Se excluyen la conducción térmica y la convección: nos separan 150 millones de kilómetros de espacio sin aire.

El tercer tipo de transferencia de calor funciona aquí: radiación térmica. La radiación puede propagarse tanto en la materia como en el vacío. ¿Cómo surge?

Resulta que los campos eléctrico y magnético están estrechamente relacionados entre sí y tienen una propiedad notable. Si un campo eléctrico cambia con el tiempo, genera un campo magnético que, en términos generales, también cambia con el tiempo (esto se explicará con más detalle en la hoja sobre inducción electromagnética). A su vez, un campo magnético alterno genera un campo eléctrico alterno, que a su vez genera un campo magnético alterno, que a su vez genera un campo eléctrico alterno...

Como resultado del desarrollo de este proceso, onda electromagnética- campos eléctricos y magnéticos “comprometidos” entre sí. Al igual que el sonido, las ondas electromagnéticas tienen una velocidad de propagación y una frecuencia; en este caso, esta es la frecuencia con la que fluctúan la magnitud y la dirección de los campos en la onda. La luz visible es un caso especial de ondas electromagnéticas.

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es enorme: km/s. Así, la luz viaja de la Tierra a la Luna en poco más de un segundo.

El rango de frecuencia de las ondas electromagnéticas es muy amplio. Hablaremos más sobre la escala de las ondas electromagnéticas en el folleto correspondiente. Aquí simplemente observamos que la luz visible es un rango minúsculo de esta escala. Debajo están las frecuencias de la radiación infrarroja, arriba están las frecuencias de la radiación ultravioleta.

Recuerde ahora que los átomos, aunque generalmente eléctricamente neutros, contienen protones con carga positiva y electrones con carga negativa. Estas partículas cargadas, que realizan movimientos caóticos junto con los átomos, crean campos eléctricos alternos y, por lo tanto, emiten ondas electromagnéticas. Estas ondas se llaman radiación térmica- como recordatorio de que su fuente es el movimiento térmico de partículas de materia.

La fuente de radiación térmica es cualquier cuerpo. En este caso, la radiación se lleva parte de su energía interna. Al encontrarse con los átomos de otro cuerpo, la radiación los acelera con su campo eléctrico oscilante y la energía interna de este cuerpo aumenta. Así disfrutamos de los rayos del sol.

A temperaturas normales, las frecuencias de la radiación térmica se encuentran en el rango infrarrojo, por lo que el ojo no la percibe (no vemos cómo “brillamos”). Cuando un cuerpo se calienta, sus átomos comienzan a emitir ondas de frecuencias más altas. Un clavo de hierro se puede calentar al rojo vivo, es decir, llevarlo a una temperatura tal que su radiación térmica alcance la parte inferior (roja) del rango visible. Y el Sol nos parece de color blanco amarillento: la temperatura en la superficie del Sol es tan alta que su espectro de radiación contiene todas las frecuencias de la luz visible, e incluso la ultravioleta, gracias a la cual nos bronceamos.

Echemos otro vistazo a los tres tipos de transferencia de calor (Figura 3) (imágenes de beodom.com).

Arroz. 3. Tres tipos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

La energía interna se puede cambiar de dos maneras.

Si se realiza trabajo sobre un cuerpo, su energía interna aumenta.

Si el cuerpo mismo hace el trabajo, su energía interna disminuye.

Hay tres tipos simples (elementales) de transferencia de calor:

Conductividad térmica

Convección

La convección es el fenómeno de transferencia de calor en líquidos o gases, o medios granulares mediante flujos de materia. Hay un llamado Convección natural, que ocurre espontáneamente en una sustancia cuando se calienta de manera desigual en un campo gravitacional. Con tal convección, las capas inferiores de la sustancia se calientan, se vuelven más ligeras y flotan, y las capas superiores, por el contrario, se enfrían, se vuelven más pesadas y se hunden, después de lo cual el proceso se repite una y otra vez.

La radiación térmica o radiación es la transferencia de energía de un cuerpo a otro en forma de ondas electromagnéticas debido a su energía térmica.

Energía interna de un gas ideal.

Según la definición de gas ideal, no tiene un componente potencial de energía interna (no existen fuerzas de interacción molecular, excepto las de choque). Por tanto, la energía interna de un gas ideal representa sólo la energía cinética de movimiento de sus moléculas. Anteriormente (ecuación 2.10) se demostró que la energía cinética del movimiento de traslación de las moléculas de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Usando la expresión de la constante universal de los gases (4.6), podemos determinar el valor de la constante α.

Por tanto, la energía cinética del movimiento de traslación de una molécula de un gas ideal estará determinada por la expresión.

De acuerdo con la teoría cinética, la distribución de energía entre grados de libertad es uniforme. El movimiento de traslación tiene 3 grados de libertad. En consecuencia, un grado de libertad de movimiento de una molécula de gas representará 1/3 de su energía cinética.

Para moléculas de gas dos, tres y poliatómicas, además de los grados de libertad del movimiento de traslación, existen grados de libertad del movimiento de rotación de la molécula. Para las moléculas de gas diatómico, el número de grados de libertad del movimiento de rotación es 2, para tres y moléculas poliatómicas: 3.

Dado que la distribución de la energía de movimiento de una molécula en todos los grados de libertad es uniforme y el número de moléculas en un kilomol de gas es igual a Nμ, la energía interna de un kilomol de un gas ideal se puede obtener multiplicando la expresión (4.11) por el número de moléculas en un kilomol y por el número de grados de libertad de movimiento de una molécula de un gas dado.

donde Uμ es la energía interna de un kilomol de gas en J/kmol, i es el número de grados de libertad de movimiento de una molécula de gas.

Para 1 - gas atómico i = 3, para 2 - gas atómico i = 5, para 3 - gases atómicos y poliatómicos i = 6.

Corriente eléctrica. Condiciones para la existencia de corriente eléctrica. CEM. Ley de Ohm para un circuito completo. Trabajo y potencia actual. Ley de Joule-Lenz.

Entre las condiciones necesarias para la existencia de una corriente eléctrica se encuentran: la presencia de cargas eléctricas libres en el medio y la creación de un campo eléctrico en el medio. Es necesario un campo eléctrico en un medio para crear un movimiento direccional de cargas libres. Como se sabe, una carga q en un campo eléctrico de intensidad E actúa sobre una fuerza F = qE, que hace que las cargas libres se muevan en la dirección del campo eléctrico. Un signo de la existencia de un campo eléctrico en un conductor es la presencia de una diferencia de potencial distinta de cero entre dos puntos cualesquiera del conductor.

Sin embargo, las fuerzas eléctricas no pueden mantener una corriente eléctrica durante mucho tiempo. El movimiento dirigido de cargas eléctricas después de un tiempo conduce a la igualación de potenciales en los extremos del conductor y, en consecuencia, a la desaparición del campo eléctrico en él. Para mantener la corriente en un circuito eléctrico, las cargas deben estar sujetas a fuerzas de naturaleza no eléctrica (fuerzas externas) además de las fuerzas de Coulomb. Un dispositivo que crea fuerzas externas, mantiene una diferencia de potencial en un circuito y convierte varios tipos de energía en energía eléctrica se llama fuente de corriente.

Condiciones para la existencia de corriente eléctrica:

presencia de transportistas gratuitos

·presencia de diferencia de potencial. estas son las condiciones para la aparición de la corriente. para que exista la corriente

· circuito cerrado

·una fuente de fuerzas externas que mantiene la diferencia de potencial.

Cualquier fuerza que actúe sobre partículas cargadas eléctricamente, con excepción de las fuerzas electrostáticas (de Coulomb), se denomina fuerza extraña.

Fuerza electromotriz.

La fuerza electromotriz (EMF) es una cantidad física escalar que caracteriza el trabajo de fuerzas externas (no potenciales) en fuentes de corriente continua o alterna. En un circuito conductor cerrado, la FEM es igual al trabajo de estas fuerzas para mover una sola carga positiva a lo largo del circuito.

La unidad de EMF, al igual que el voltaje, es el voltio. Podemos hablar de fuerza electromotriz en cualquier parte del circuito. La fuerza electromotriz de una celda galvánica es numéricamente igual al trabajo de las fuerzas externas al mover una única carga positiva dentro del elemento desde su polo negativo al positivo. El signo de la EMF se determina dependiendo de la dirección elegida arbitrariamente para evitar la sección del circuito donde se enciende la fuente de corriente.

Ley de Ohm para un circuito completo.

Consideremos el circuito completo más simple que consta de una fuente de corriente y una resistencia con resistencia R. Una fuente de corriente que tiene una fem ε tiene una resistencia r, se llama resistencia interna de la fuente de corriente. Para obtener la ley de Ohm para un circuito completo, utilizamos la ley de conservación de la energía.

Deje que una carga q pase a través de la sección transversal del conductor durante un tiempo Δt. Entonces, según la fórmula, el trabajo realizado por fuerzas externas al mover una carga q es igual a . De la definición de intensidad actual tenemos: q = IΔt. Por eso, .

Debido al trabajo de fuerzas externas, cuando la corriente pasa a través del circuito, se libera una cantidad de calor en sus secciones externa e interna del circuito, de acuerdo con la ley de Joule-Lenz. igual:

Según la ley de conservación de la energía, A st = Q, por lo tanto, por lo tanto, la fem de la fuente de corriente es igual a la suma de las caídas de voltaje en las secciones externa e interna del circuito.

Para resolver problemas prácticos, no es la energía interna en sí la que juega un papel importante, sino su cambio Δ Ud. = Ud. 2 - Ud. 1. El cambio de energía interna se calcula basándose en las leyes de conservación de la energía.

La energía interna de un cuerpo puede cambiar de dos maneras:

1. Al finalizar trabajo mecanico.

a) Si una fuerza externa provoca la deformación de un cuerpo, entonces las distancias entre las partículas que lo componen cambian y, por tanto, cambia la energía potencial de interacción de las partículas. Durante las deformaciones inelásticas, además, la temperatura corporal cambia, es decir. la energía cinética del movimiento térmico de las partículas cambia. Pero cuando un cuerpo se deforma, se realiza trabajo, que es una medida del cambio en la energía interna del cuerpo.

b) La energía interna de un cuerpo también cambia durante su colisión inelástica con otro cuerpo. Como vimos anteriormente, durante una colisión inelástica de cuerpos, su energía cinética disminuye, se convierte en energía interna (por ejemplo, si golpea varias veces con un martillo un cable que se encuentra sobre un yunque, el cable se calentará). La medida del cambio en la energía cinética de un cuerpo es, según el teorema de la energía cinética, el trabajo de las fuerzas actuantes. Este trabajo también puede servir como medida de los cambios en la energía interna.

c) Un cambio en la energía interna de un cuerpo se produce bajo la influencia de la fricción, ya que, como se sabe por experiencia, la fricción siempre va acompañada de un cambio en la temperatura de los cuerpos que se frotan. El trabajo realizado por la fuerza de fricción puede servir como medida del cambio de energía interna.

2. Usando intercambio de calor. Por ejemplo, si se coloca un cuerpo en la llama de un quemador, su temperatura cambiará, por lo tanto, su energía interna también cambiará. Sin embargo, aquí no se realizó ningún trabajo, porque no se observó ningún movimiento visible ni del cuerpo en sí ni de sus partes.

Un cambio en la energía interna de un sistema sin realizar trabajo se llama intercambio de calor(transferencia de calor).

Hay tres tipos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

A) Conductividad térmica es el proceso de intercambio de calor entre cuerpos (o partes de un cuerpo) durante su contacto directo, provocado por el movimiento térmico caótico de partículas corporales. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la amplitud de las vibraciones de las moléculas de un cuerpo sólido. La conductividad térmica de los gases se debe al intercambio de energía entre las moléculas de gas durante sus colisiones. En el caso de los líquidos ambos mecanismos funcionan. La conductividad térmica de una sustancia es máxima en estado sólido y mínima en estado gaseoso.

b) Convección Representa la transferencia de calor mediante flujos calentados de líquido o gas desde unas áreas del volumen que ocupan a otras.

c) Intercambio de calor en radiación lleva a cabo a distancia mediante ondas electromagnéticas.

Consideremos con más detalle las formas de cambiar la energía interna.

cantidad de calor

Como es sabido, durante diversos procesos mecánicos se produce un cambio de energía mecánica. W.. Una medida del cambio de energía mecánica es el trabajo de las fuerzas aplicadas al sistema:

Durante el intercambio de calor se produce un cambio en la energía interna del cuerpo. Una medida del cambio de energía interna durante la transferencia de calor es la cantidad de calor.

cantidad de calor es una medida del cambio de energía interna durante la transferencia de calor.

Por tanto, tanto el trabajo como la cantidad de calor caracterizan el cambio de energía, pero no son idénticos a la energía interna. No caracterizan el estado del sistema en sí (como lo hace la energía interna), pero determinan el proceso de transición de energía de un tipo a otro (de un cuerpo a otro) cuando cambia el estado y dependen significativamente de la naturaleza del proceso.

La principal diferencia entre trabajo y calor es que

§ trabajo caracteriza el proceso de cambio de la energía interna de un sistema, acompañado de la transformación de energía de un tipo a otro (de mecánica a interna);

§ la cantidad de calor caracteriza el proceso de transferencia de energía interna de un cuerpo a otro (de más calentado a menos calentado), no acompañado de transformaciones de energía.

§ Capacidad calorífica, la cantidad de calor consumida para cambiar la temperatura en 1°C. Según una definición más estricta, capacidad calorífica- cantidad termodinámica determinada por la expresión:

§ donde Δ q- la cantidad de calor impartida al sistema y que hace que su temperatura cambie en Delta T; Relación de diferencias finitas Δ q/ΔТ se llama promedio capacidad calorífica, la relación de cantidades infinitesimales d Q/dT- verdadero capacidad calorífica. desde d q no es un diferencial completo de la función de estado, entonces capacidad calorífica Depende del camino de transición entre dos estados del sistema. Distinguir capacidad calorífica sistema en su conjunto (J/K), específico capacidad calorífica[J/(g·K)], molar capacidad calorífica[J/(mol·K)]. Todas las fórmulas siguientes utilizan cantidades molares capacidad calorífica.

Pregunta 32:

La energía interna se puede cambiar de dos maneras.

La cantidad de calor (Q) es el cambio en la energía interna de un cuerpo que se produce como resultado de la transferencia de calor.

La cantidad de calor se mide en unidades del SI en julios.
[Q] = 1J.

La capacidad calorífica específica de una sustancia muestra cuánto calor se necesita para cambiar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia determinada en 1°C.
Unidad SI de capacidad calorífica específica:
[c] = 1 J/kg°C.

Pregunta 33:

33 La primera ley de la termodinámica es la cantidad de calor que recibe un sistema para cambiar su energía interna y realizar trabajo sobre cuerpos externos. dQ=dU+dA, donde dQ es la cantidad elemental de calor, dA es el trabajo elemental, dU es el incremento de energía interna. Aplicación de la primera ley de la termodinámica a los isoprocesos.
Entre los procesos de equilibrio que ocurren en los sistemas termodinámicos se destacan los siguientes: isoprocesos, en el que uno de los principales parámetros de estado permanece constante.
proceso isocórico (V=constante). Diagrama de este proceso. (isocora) en coordenadas pag, V se representa como una línea recta paralela al eje de ordenadas (Fig. 81), donde el proceso 1-2 hay calentamiento isocórico, y 1 -3 - enfriamiento isocórico. En un proceso isocórico, el gas no realiza trabajo sobre cuerpos externos, proceso isotérmico (t=constante). Como ya se indicó en el § 41, el proceso isotérmico se describe mediante la ley de Boyle-Mariotte.
, para que la temperatura no disminuya durante la expansión del gas, se debe suministrar al gas una cantidad de calor equivalente al trabajo externo de expansión durante un proceso isotérmico.

Pregunta 34:

34 adiabático Es un proceso en el que no hay intercambio de calor ( dQ= 0)entre el sistema y el medio ambiente. Todos los procesos rápidos se pueden clasificar como procesos adiabáticos. Por ejemplo, el proceso de propagación del sonido en un medio puede considerarse un proceso adiabático, ya que la velocidad de propagación de una onda sonora es tan alta que el intercambio de energía entre la onda y el medio no tiene tiempo de ocurrir. Los procesos adiabáticos se utilizan en motores de combustión interna (expansión y compresión de la mezcla combustible en cilindros), en unidades de refrigeración, etc.
De la primera ley de la termodinámica ( dQ= d U+dA) para un proceso adiabático se deduce que
p /С V =γ , encontramos

Integrando la ecuación en el rango de p 1 a p 2 y, en consecuencia, de V 1 a V 2, y potenciando, llegamos a la expresión

Como los estados 1 y 2 se eligen arbitrariamente, podemos escribir