Физика. 8 класс. Максимально простым и понятном языком.

Частицы непрерывно движутся, а ещё взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются. Поэтому у тела есть энергия, связанная и с движением его частиц, и с их взаимодействием. Её называют внутренней энергией.

Проще говоря, внутреннюю энергию можно представить как общую энергию всех частиц тела: их движения и взаимодействия. Это не отдельное «топливо», спрятанное внутри, и не вещество, которое можно вычерпать из ложки. Это свойство самого тела, связанное с тем, как ведут себя его частицы.

Когда ложка горячая, её частицы в среднем движутся энергичнее, чем частицы стола. При соприкосновении частицы ложки взаимодействуют с частицами стола и передают им часть энергии. Соседние частицы стола начинают двигаться немного активнее. Затем энергия распространяется дальше — по столу, воздуху и другим предметам.

Ложка остывает не потому, что её частицы остановились. Они продолжают двигаться, просто в среднем уже не так энергично, как сразу после чая. Энергия ложки уменьшилась, зато энергия окружающих тел увеличилась.

Тепло — не содержимое ложки

В быту мы говорим: «В ложке осталось тепло» или «От батареи идёт тепло». Это удобные выражения, но в физике важно различать две вещи.

Внутренняя энергия — это энергия, которой обладает тело. Теплопередача — это передача энергии от одного тела к другому из-за разницы температур.

Горячая ложка не хранит внутри себя отдельную порцию «тепла». У неё есть внутренняя энергия, и часть этой энергии передаётся столу, воздуху и другим окружающим телам. Именно этот процесс в повседневной речи мы и называем «передачей тепла».

Если рядом соприкасаются тела с разной температурой, энергия в среднем переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Поэтому горячая ложка остывает, а более холодные стол и воздух получают энергию. Обмен продолжается, пока температуры не выравниваются. При этом частицы не замирают: просто прекращается заметный общий поток энергии от одного тела к другому.

Вернёмся к столу. Он не становится таким же горячим, как ложка, потому что энергия не остаётся только на одном маленьком участке. Она постепенно распределяется по столу и воздуху, уходит к другим предметам. Кроме того, стол обычно намного массивнее ложки: чтобы заметно нагреть его целиком, нужна большая энергия. Рядом с ложкой температура стола может чуть-чуть измениться, но наши пальцы этого не заметят.

Если бы у нас был очень чувствительный термометр и мы измерили температуру точно в месте соприкосновения, изменение могло бы обнаружиться. Но ощущения и приборы — не одно и то же. Это важное правило физики: невидимое или незаметное ещё не означает, что его нет.

Температура и внутренняя энергия: рядом, но не одно и то же

В предыдущей главе мы говорили, что температура связана со средней энергией движения частиц. Теперь можно уточнить: температура помогает понять, насколько энергично в среднем движутся частицы, но сама по себе не сообщает, сколько внутренней энергии у всего тела.

Представь две чашки с водой одинаковой температуры. В большой чашке воды больше, а значит, частиц тоже больше. Если чашки одинаковы по форме и вода в них находится в одинаковом состоянии, то у большой порции воды внутренняя энергия будет больше: частиц, движения которых нужно учитывать, намного больше.

Похожий пример — чашка горячего чая и большой бассейн прохладной воды. Чай горячее: его частицы в среднем движутся энергичнее. Но частиц в бассейне так много, что внутренняя энергия всей воды в бассейне может быть значительно больше.

Есть и другая причина, почему нельзя судить о внутренней энергии только по температуре: разные вещества устроены по-разному. Частицы в них различаются, по-разному взаимодействуют и по-разному запасают энергию. Поэтому два тела одинаковой массы и температуры не обязательно имеют одинаковую внутреннюю энергию.

Даже температура тела иногда не меняется, хотя его внутренняя энергия меняется. Например, когда лёд тает, он получает энергию, но некоторое время остаётся примерно при той же температуре. Энергия расходуется на изменение расположения частиц и их взаимодействия, а не только на увеличение скорости их движения.

Получается, температура и внутренняя энергия связаны, но отвечают на разные вопросы. Температура показывает, насколько энергично движутся частицы в среднем. Внутренняя энергия относится ко всему телу и учитывает энергию движения и взаимодействия всех его частиц.

Два способа изменить внутреннюю энергию

Внутренняя энергия тела может увеличиваться или уменьшаться. Изменить её можно двумя основными способами:

1. Передать телу энергию теплопередачей.

2. Совершить работу над телом или позволить самому телу совершить работу.

Первый способ уже знаком нам по ложке. Если поставить кастрюлю с водой на плиту, энергия будет передаваться воде, и её внутренняя энергия увеличится. Если оставить горячий напиток в прохладной комнате, часть его энергии перейдёт окружающим телам, и внутренняя энергия напитка уменьшится.

Второй способ становится понятнее на примере трения. Энергично потри ладони друг о друга — они станут теплее. Твои руки не соприкасались с горячей батареей, и рядом никто не включал обогреватель. Но ты совершал работу: двигал руками, а сила трения мешала их движению. В результате часть энергии движения рук перешла во внутреннюю энергию кожи и ладони нагрелись.

Энергия при этом не возникла из ничего. Мышцы потратили энергию, полученную организмом из пищи. Движение рук постепенно превращалось во внутреннюю энергию ладоней и частично окружающего воздуха. Трение не создаёт энергию, а меняет способ её передачи и распределения.

Работу над телом можно совершать и по-другому: сжимать газ, перемешивать жидкость, сгибать или деформировать предмет. Например, при быстром сжатии воздуха в ручном насосе работа совершается над газом, и его внутренняя энергия может увеличиться. Поэтому насос иногда становится тёплым. В реальном насосе могут влиять и другие процессы, например трение, но главный принцип тот же: механическое действие способно изменить внутреннюю энергию.

Важно и обратное: тело может совершать работу и при этом терять внутреннюю энергию. Например, газ, расширяясь, способен толкать поршень. Энергия передаётся движущемуся поршню, и при некоторых условиях газ остывает. Для нашего первого знакомства достаточно запомнить: работа — это ещё один способ обмена энергией, не сводящийся к контакту с более горячим телом.

Схема для разбора: что изменилось и как

Когда замечаешь, что тело нагрелось или охладилось, задай три вопроса: какое тело рассматриваем, как оно обменивалось энергией и что именно изменилось?

Тело или действие

Обмен энергией

Что происходит с внутренней энергией

Горячая ложка остывает на столе

Теплопередача ложке, столу, воздуху и другим окружающим телам

Внутренняя энергия ложки уменьшается, окружающих тел — увеличивается

Вода нагревается на плите

Теплопередача от плиты воде

Внутренняя энергия воды увеличивается

Ладони растирают друг о друга

Совершается работа, действует трение

Внутренняя энергия ладоней увеличивается

Газ быстро сжимают в насосе

Совершается работа над газом

Внутренняя энергия газа может увеличиться

Тёплый предмет охлаждают в прохладной комнате

Теплопередача от предмета окружающим телам

Внутренняя энергия предмета уменьшается

Такая таблица помогает не путать способ изменения энергии с результатом. Тело может нагреться из-за теплопередачи, а может — из-за работы. И наоборот: его внутренняя энергия может уменьшиться, если энергия уходит в окружающую среду или передаётся через совершение работы.

Небольшие наблюдения, которые можно провести

Понаблюдай за остыванием. Вместе со взрослым можно налить в кружку тёплую воду и время от времени измерять её температуру термометром. Не используй кипяток и не трогай горячую посуду. Температура воды будет постепенно снижаться: энергия переходит к кружке и окружающему воздуху. Измерения покажут, что остывание — не мгновенное событие, а процесс.

Проверь действие трения. Несколько раз спокойно потри ладони и сравни их ощущения до и после. Трение и работа мышц изменили внутреннюю энергию кожи. Не нужно делать это изо всех сил: достаточно короткого наблюдения.

Задай вопрос о границе. Когда ложка остывает, внутренняя энергия именно ложки уменьшается. Если рассматривать ложку вместе со столом и воздухом, становится видно, куда перешла часть энергии. А если включить в картину ещё и стены комнаты, отопление и другие предметы, обнаружится, что обмен продолжается дальше. То, что кажется исчезновением, часто оказывается передачей энергии за пределы выбранного нами предмета.

Четыре действия — четыре разбора

Попробуем применить новый способ рассуждать к простым глаголам.

Нагреть воду. Внутренняя энергия воды увеличивается. Если кастрюля стоит на плите, энергия передаётся воде теплопередачей. При этом температура воды обычно растёт, но при некоторых изменениях состояния она может временно не меняться.

Охладить ложку. Внутренняя энергия ложки уменьшается. Если ложка горячее окружающих тел, энергия передаётся им. Она не пропадает, а распределяется среди стола, воздуха и других предметов.

Растереть ладони. Внутренняя энергия кожи увеличивается. Здесь важно не только то, насколько тёплый воздух рядом, а то, что мы совершили работу и возникло трение.

Сжать газ. Над газом совершается работа. При быстром сжатии часть этой энергии увеличивает внутреннюю энергию газа, поэтому его температура может вырасти. В ручном насосе это иногда можно заметить по нагреванию корпуса. Работать с насосом нужно обычным безопасным способом, не разбирая его и не направляя выходное отверстие на людей.

Теперь можно вернуться к ложке. Она остывает не потому, что тепло куда-то исчезло. Её внутренняя энергия уменьшается: часть передаётся столу, часть воздуху и другим телам. А температура самой ложки падает потому, что её частицы в среднем движутся менее энергично. Если же потереть ладони или сжать газ, внутренняя энергия может увеличиться уже не из-за горячего предмета рядом, а вследствие совершённой работы.

Запомни главное различие: температура говорит о среднем движении частиц, а внутренняя энергия учитывает движение и взаимодействие всех частиц тела. Изменить её можно теплопередачей или совершением работы. Энергия не исчезает бесследно: она передаётся, распределяется или переходит из одного вида в другой. А теперь разберёмся, какими именно путями тепло переходит от одного тела к другому.

Как передаётся тепло: теплопроводность, конвекция и излучение

Утром Артём торопился в школу и схватился за металлическую дверную ручку. Она показалась ледяной. Рядом лежала деревянная разделочная доска — та же самая, что и вчера, но на ощупь она была почти тёплой. Артём посмотрел на термометр: в комнате около двадцати градусов. Неужели металл ночью успел охладиться сильнее дерева?

Чтобы проверить догадку, он оставил в комнате на несколько часов металлическую ложку и деревянную линейку, а потом снова измерил их температуру. Прибор показал почти одно и то же. Значит, дело было не в том, что металл холоднее. Дело было в том, как быстро тепло переходило от руки к предмету.

Вскоре Артём увидел, как над батареей поднимается тёплый воздух, а солнечный свет ложится на подоконник и нагревает его. За одно утро он встретил три разных дороги, по которым передаётся тепловая энергия.

Тепло — не вещество

Мы часто говорим: «тепло пошло от батареи» или «солнце передало тепло». Это удобные выражения, но тепло — не невидимая жидкость, которая переливается из одного предмета в другой. Так называют передачу энергии, связанную с разностью температур.

Если соприкасаются более тёплое и более холодное тела, энергия обычно переходит от тёплого к холодному. Передача продолжается, пока температуры не выровняются или пока что-нибудь не помешает этому процессу.

А вот способов передачи несколько. Чтобы распознать их, задавай два вопроса:

1. Передаётся ли энергия через соприкасающиеся части вещества?

2. Перемещается ли само вещество целиком?

И есть ещё один важный вопрос: может ли энергия добраться до тела, даже если между ними нет непосредственного контакта?

Сцена первая. Металл и дерево: передача через соприкосновение

Кожа Артёма была теплее и ручки, и доски. Когда он касался предметов, энергия переходила от руки к ним. Но металлическая ручка уносила эту энергию быстрее: металл хорошо проводит тепло. Дерево проводит его гораздо хуже, поэтому поверхность дерева не так быстро забирала энергию у пальцев.

Именно поэтому металлический предмет комнатной температуры часто кажется холоднее деревянного, хотя их температура одинакова. Ощущение руки зависит не только от температуры предмета, но и от того, насколько быстро энергия уходит из кожи. Если бы металлическая ручка была горячее руки, она, наоборот, передавала бы энергию коже быстрее и ощущалась бы более горячей, чем деревянный предмет той же температуры.

Передача энергии внутри вещества или между соприкасающимися телами без перемещения всего вещества называется теплопроводностью.

Представь, что один конец металлической ложки погружён в горячий чай, а другой остаётся снаружи. Со временем наружный конец тоже нагревается. Частицы вещества около чая получают энергию и передают её соседним частицам. Они не бегут по ложке всей толпой, как пассажиры автобуса, — колеблются и взаимодействуют друг с другом. В металлах передачу энергии дополнительно помогают свободные электроны, способные перемещаться внутри металла.

У дерева, ткани, пенопласта и многих пластмасс теплопроводность низкая. Поэтому их используют для ручек кастрюль, прихваток, утеплителей. Воздух тоже плохо проводит тепло, если он заключён в маленьких неподвижных промежутках. Вот почему рыхлая шерсть, пух и пеноматериалы хорошо сохраняют тепло: внутри них много воздушных полостей.

Но «плохо проводит» не значит «вообще не передаёт». Через дерево тепло тоже может пройти, просто медленнее. И металлическая ложка не создаёт холод: она лишь быстро отводит энергию от руки.

Проверка для первой дороги: если энергия переходит от одной части тела к другой, а вещество в целом не перетекает, перед нами теплопроводность.

Сцена вторая. Батарея: тёплый воздух отправляется в путь

После уроков Артём вернулся домой и заметил, что возле батареи воздух нагрет сильнее, чем в дальнем углу комнаты. Над батареей поднималась лёгкая занавеска. Воздух не просто нагрелся на месте — он двигался.

Воздух около батареи получает энергию, нагревается и расширяется. При этом его плотность обычно уменьшается: в таком же объёме оказывается меньше вещества. Более лёгкий тёплый воздух поднимается, а его место занимает более холодный воздух. Тот тоже нагревается, поднимается, и движение продолжается. Так в комнате возникают потоки воздуха.

Передача энергии потоками жидкости или газа называется конвекцией. Жидкости и газы вместе называют текучими средами, или флюидами: они могут перемещаться и менять форму. В твёрдом теле конвекции нет, потому что твёрдое тело не течёт целиком. Частицы в нём, конечно, движутся и колеблются, но это не поток всего вещества.

То же самое происходит с водой в кастрюле, если её нагревать снизу. Вода у дна нагревается и поднимается, а более прохладная вода опускается на её место. Постепенно перемешиваются всё новые порции воды. Не случайно радиаторы отопления часто размещают у пола: нагретый воздух поднимается, а более прохладный опускается, создавая циркуляцию по комнате.

Однако батарея передаёт энергию не только конвекцией. Металл батареи нагревает непосредственно соприкасающийся с ним воздух — здесь участвует теплопроводность. Кроме того, поверхность батареи излучает энергию. В быту разные способы передачи тепла часто работают одновременно; мы называем процесс по тому способу, который особенно важен в данной ситуации.