При изучении такой науки как физика, рассматриваются тепловые, механические, световые, электрические и многие другие сложные явления. С определенными механическими явлениями мы уже знакомы. Кроме этого, мы знаем, что в природе есть два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.
Любое тело, которое находится не в состоянии покоя, обладает кинетической энергией. К примеру, летящая птица, самолет, текущая вода – все эти тела наделены кинетической энергией. Кинетическая энергия тела напрямую зависит от его некоторых параметров – его массы и скорости передвижения.
Потенциальную энергию тела, возможно определить взаимным положением взаимодействующих тел либо его отдельных частей. К примеру, поднятый над землей камень, или пружина, находящаяся в растянутом либо сжатом состоянии наделены потенциальной энергией.
Потенциальная и Кинетическая энергия являются двумя видами механической энергии, они могут переходить друг в друга.
Каким образом происходит преобразование одного вида энергии в другой?
Рассмотрим небольшой пример. Шар из свинца, который покоится на свинцовой плите, поднимем вверх, на определенную высоту и отпустим вниз. При приближении шара к земле, его скорость увеличивается, а высота подъема сокращается. Таким образом, делаем вывод: кинетическая энергия шара увеличивается, в тоже время как его потенциальная энергия уменьшается. На этом примере мы видим, как потенциальная энергия нашего шара переходит в кинетическую энергию. После момента столкновения шара с плитой он остановится. А значит, его потенциальная и кинетическая энергия будут равны нулю. Может ли это обозначать что механическая энергия, которой обладает шар, исчезла в никуда? Очевидно, нет.
Механическая энергия преобразовалась в абсолютно другую форму энергии. В какую жу другую форму энергии она превратилась? Рассмотрим снова свинцовый шар и плиту, однако, уже после удара. Можно заметить, что шар приобрел немного сплюснутую форму, а на плите возникла небольшая впадина. Свинцовый шар и плита деформировались. Сразу после столкновения измерим температуру шара и плиты. Можно заметить, что они нагрелись.
Таким образом, мы видим, что после удара шара о плиту состояние двух тел изменилось – они нагрелись и деформировались. Однако, при изменении состояния тела, изменяется и энергия его частиц, то из чего состоит тело. В самом деле, мы знаем, что при увеличении температуры тела средняя скорость передвижения молекул увеличивается. А значит, увеличивается и их кинетическая энергия. Но кроме этой энергии, молекулы обладают еще и потенциальной. Ведь они взаимодействуют друг с другом: сближаются, а при еще большем приближении – отталкиваются. При деформации тела, изменяется и двустороннее расположение его молекул, а значит, изменяется и его потенциальная энергия.
Мы пришли к тому, что при ударе кинетическая и потенциальная энергия свинца изменилась. Таким образом, механическая энергия, которой наделен шар изначально, не исчезла. Она была преобразована в энергию молекул.
Делаем вывод: Кинетическая энергия всех молекул, которые образуют тело, а также потенциальная энергия их взаимодействия образуют внутреннюю энергию тела.
При изучении тепловых явлений учитывается только энергия молекул, т.к. только она, главным образом, изменяется в этих явлениях.
Когда тело переходит в состояние покоя, механическое движение останавливается, однако, увеличивается хаотичное (тепловое) передвижение его молекул. Механическая энергия становится внутренней энергией тела.
Хотите узнать больше о внутренней энергии тела? Зарегистрируйтесь на нашем сайте и получите один бесплатный урок с нашим репетитором!
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!
Зарегистрироваться
© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Решение задач – занятие, которое любит далеко не каждый. Здесь мы стараемся сделать так, чтобы оно занимало у вас поменьше времени без ущерба для качества самого решения. Тема этой статьи — задачи на внутреннюю энергию.
Подписывайтесь на наш телеграм и читайте полезные материалы для студентов каждый день!
Решение задач: внутренняя энергия
Прежде чем приступать к задачам на внутреннюю энергию тела, посмотрите общую памятку по решению физических задач. И пусть под рукой на всякий случай всегда будут основные физические формулы.
Задача №1. Изменение внутренней энергии
Условие
Воздушный шар объёмом 500 м3 наполнен гелием под давлением 105 Па. В результате нагрева температура газа в аэростате поднялась от 10 °С до 25 °С. Как увеличилась внутренняя энергия газа?
Решение
Для решения будем использовать формулу внутренней энергии идеального газа:
Массу гелия выразим из уравнения Клапейрона-Менделеева:
Тогда можно записать:
Ответ: 4 МДж.
Задача №2. Внутренняя энергия и работа
Условие
Азот массой 200 г расширяется изотермически при температуре 280 К, причем объём газа увеличивается в 2 раза. Найти:
- Изменение ∆U внутренней энергии газа.
- Совершенную при расширении газа работу А.
- Количество теплоты Q, полученное газом.
Решение
Так как процесс изотермический, то изменение внутренней энергии равно нулю, а работа равна количеству теплоты, полученному газом:
Ответ: 0; 11,6 кДж; 11,6 кДж.
Задача №3. Изменение внутренней энергии при изобарном и изохорном процессе
Условие
Кислород занимает объём V1= 3 л при давлении p1= 820 кПа. В результате изохорного нагревания и изобарного расширения газ переведён в состояние с объёмом V2= 4,5 л и давлением p2= 600 кПа. Найти количество теплоты, полученное газом; изменение внутренней энергии газа.
Решение
Теплота, подведенная к газу, идет на совершение работы и изменение внутренней энергии:
В изохорном и изобарном процессе соответственно:
Изохорное нагревание:
Изменение внутренней энергии при изохорном процессе:
Изменение внутренней энергии при изобарном процессе:
Общее изменение внутренней энергии:
Ответ: 4,75 кДж.
Задача №4. Изменение внутренней энергии двухатомного газа
Условие
Кислород массой 2 кг занимает объём 6 м3 и находится под давлением 1 атм. Газ был нагрет сначала при постоянном давлении до объёма 13 м3, а затем при постоянном объёме – до давления 23 атм. Найти изменение внутренней энергии газа.
Решение
Изменение внутренней энергии находим по формуле:
Эту форму можно преобразовать, используя уравнение Клапейрона-Менделеева:
Ответ: 75,7 МДж.
Задача №5. Внутренняя энергия смеси газов
Условие
В закрытом сосуде находится масса m1 = 20 г азота и масса m2 = 32 г кислорода. Определить изменение ΔU внутренней энергии смеси газов при охлаждении ее на ΔТ = 28 К.
Решение
Определим количество молей азота и кислорода, а затем общее количество вещества в смеси соответственно:
Изменение внутренней энергии:
Знак «минус» означает, что внутренняя энергия уменьшается.
Ответ: -539 Дж.
Вопросы на тему «Внутренняя энергия тела»
Вопрос 1. Что такое внутренняя энергия?
Ответ. Для начала, внутренняя энергия чего? Бутылки с пивом, воздуха в шарике, тазика с водой? Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри них: атомы твердого тела колеблются в кристаллической решетке около положений равновесия, молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении и т.д.
По определению:
Внутренняя энергия вещества – это энергия, которая складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул, и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Для идеального газа с числом степеней свободы i внутренняя энергия вычисляется по формуле:
Вопрос 2. От чего зависит внутренняя энергия идеального газа?
Ответ. Эта величина не зависит от объёма и определяется только температурой.
Вопрос 3. Как изменяется внутренняя энергия тела?
Ответ. Если тело совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается. Например, газ передвигает поршень. Если же работа совершается над телом, то внутренняя энергия увеличивается.
Вопрос 4. Что такое функция состояния?
Ответ. Функция состояния – это один из параметров, которым можно описать термодинамическую систему. Функция состояния не зависит от того, как система пришла в то или иное состояние, а определяется несколькими переменными состояния.
Внутренняя энергия – это функция состояния термодинамической системы. В общем случае она зависит от температуры и объёма.
Вопрос 5. Можно ли изменить внутреннюю энергию тела, не совершая над ним работы?
Ответ. Да, еще один способ изменения внутренней энергии – теплопередача. В процессе теплопередачи внутренняя энергия тел изменяется.
Нужна помощь в решении задач по любой теме и других студенческих заданий? Профессиональный студенческий сервис поспособствует в выполнении работы вне зависимости от ее сложности.
Внутренняя энергия
Всякое движущееся тело обладает кинетической энергией. Так, например, кинетической энергией обладает летящая птица, движущиеся самолет, мяч, текущая вода и т. д. Кинетическая энергия тела зависит от его массы и от скорости движения тела. Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или его отдельных частей. Например, потенциальной энергией обладают поднятый над землей камень, сжатая или растянутая пружина и т.д. Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, они могут превращаться друг в друга. 
Как же происходит превращение одного вида энергии в другой? Свинцовый шар, лежащий на свинцовой плите, поднимем вверх и отпустим (рис. 2). При падении скорость шара увеличивается, а высота подъема уменьшается. Следовательно, его кинетическая энергия возрастает, а потенциальная уменьшается. Это значит, что происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. После того как шар ударится о свинцовую плиту, он остановится (рис. 3).
Его кинетическая и потенциальная энергия будут равны нулю. Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. Мы заметим, что шар немного сплюснулся, а на плите возникла небольшая вмятина. Шар и плита при ударе деформировались. Измерим температуру шара и плиты сразу после удара. Мы заметим, что они нагрелись. Таким образом, в результате удара шара о плиту изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела. Действительно, мы знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул. Значит, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией. Когда тело деформировалось, то изменилось взаимное расположение его молекул, а значит, изменилась и их потенциальная энергия.
Итак, при соударении изменилась и кинетическая и потенциальная энергия молекул свинца. Следовательно, механическая энергия, которой обладал шар в начале опыта, не исчезла. Она перешла в энергию молекул. Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. В дальнейшем, рассматривая внутреннюю энергию тела, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела. При остановке тела механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела.
Итак, кроме механической энергии, существует еще один вид энергии. Это внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Тело, имея некоторый запас внутренней энергии, одновременно может обладать и механической энергией. Например, пуля, летящая на некоторой высоте над землей, кроме внутренней энергии, обладает еще и механической энергией — потенциальной и кинетической.
Кинетическая и потенциальная энергия одной молекулы очень маленькая величина, ведь масса молекулы мала. Поскольку в теле содержится множество молекул, то внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, будет велика.
Физика. Изменение внутренней энергии при неупругом ударе.
Михаил Мачнев
Ученик
(91),
закрыт
1 год назад
Два шарика с массами 3 кг и 5 кг движутся по гладкой горизонтальной поверхности навстречу друг другу со скоростями 4 м/с и 6 м/с соответственно. Каково изменение внутренней энергии шаров после неупругого столкновения?
Куклин Андрей
Высший разум
(189270)
2 года назад
До столкновения E1 = m1*V1^2/2 + m2*V2^2/2 = 3*4^2/2 + 5*6^2/2 = 114 Дж.
После из закона сохранения импульса m1*V1 + m2*V2 = (m1 + m2)*V.
V = (m2*V2 – m1*V1)/(m1 + m2) = (5*6 – 3*4)/(3 + 5) = 2,25 м/с.
E2 = (m1 + m2)*V^2/2 = (3 + 5)*2,25^2/2 = 20,25 Дж.
ΔU = E1 – E2 = 114 – 20,25 = 93,75 Дж.
В физике рассматриваются всевозможные явления: механические, тепловые, световые, электрические и др.
Вы уже знакомы с некоторыми механическими явлениями. Такая физическая величина, как механическая энергия, показывает, какую работу может совершить тело. Она бывает двух видов: потенциальная и кинетическая.
Сможем ли мы использовать эти виды энергии для описания тепловых явлений? Или же нам будет недостаточно этих определений? На данном уроке мы рассмотрим превращение энергии и узнаем ответы на эти вопросы.
Кинетическая и потенциальная энергии
Вспомним определения:
Потенциальная энергия — это энергия , которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.
Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.
Любое тело, находящееся в движении, обладает кинетической энергией ($E_к = frac{mupsilon^2}{2}$). Примером может служить едущий по дороге автомобиль, бегущий человек, катящийся по дорожке шар для боулинга, летящая птица (рисунок 1).
Примером тела, обладающим потенциальной энергией, может служить сжатая или растянутая пружина, тетива лука, резинка (рисунок 2). В таком случае потенциальная энергия будет рассчитываться по формуле $E_п = frac{kx^2}{2}$.
Другим примером потенциальной энергии будет являться любое тело, поднятое над землей на какую-либо высоту (рисунок 3). В таком случае используется формула $E_п = mgh$).
Кинетическая и потенциальная энергии — это два вида механической энергии, и они могут превращаться друг в друга.
Превращение энергии
Рассмотрим простой опыт (рисунок 4).
У нас есть шар и плита из свинца. Поднимем шар на определенную высоту и отпустим (рисунок 4, а). Что будет происходить во время падения?
- Высота подъема уменьшается — потенциальная энергия шара уменьшается
- Увеличивается скорость — увеличивается кинетическая энергия шара
Значит, происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую.
Шар достигает плиты и останавливается (рисунок 4, б). Его кинетическая и потенциальная энергии равны нулю. Механическая энергия превратилась в другую форму энергии.
Что это за энергия? При ударе о плиту шар приплюснулся, а на плите осталась вмятина. Произошла деформация двух тел. Измерение температуры шара и плиты после удара покажет нам, что они нагрелись. О чем это говорит?
- Состояние тел изменилось — изменилась энергия частиц, из которых состоят тела
- При нагревании увеличилась средняя скорость движения и средняя кинетическая энергия молекул
- При деформации изменилось взаимное расположение молекул — изменилась их потенциальная энергия
Таким образом, механическая энергия шара перешла в энергию молекул.
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия — это кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия.
$U = E_к + E_п$,
где $U$ — внутренняя энергия, $E_к$ — кинетическая энергия молекул тела, $E_п$ — потенциальная энергия молекул тела.
В нашем опыте (рисунок 4) механическое движение прекратилось, когда шар упал на плиту. Но усилилось тепловое движение его молекул. Так механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара.
Теперь мы знаем два вида энергии: механическая энергия и внутренняя энергия. При рассмотрении тепловых явлений мы будем учитывать только внутреннюю энергию (энергию молекул).
Свойства внутренней энергии
- Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества, химических и ядерных реакций
- Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела и положения этого тела относительно других тел
Например, если мы поднимем карандаш над столом, то мы не изменяем его внутреннюю энергию. Почему? Расстояние между молекулами у карандаша не изменяется — не изменяется потенциальная энергия молекул. Не изменяется его температура — не изменяется средняя кинетическая энергия его молекул.
- Любое тело при любых условиях обладает внутренней энергией
Таким образом, тело иногда может обладать и внутренней энергией, и механической. Примером будет служить любое движущееся тело, растянутая пружина, тело, поднятое на какую-то высоту. То есть, тело может не обладать механической энергией. Примером может послужить любое неподвижное тело на поверхности Земли. Но при этом такое тело обязательно будет иметь запас внутренней энергии.
