1. Расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу. 2. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.

1. Как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу

Внутренняя энергия тела связана с хаотическим движением и взаимодействием его частиц (молекул, атомов). Когда над телом совершают работу, часть переданной энергии переходит во внутреннюю энергию, поэтому внутренняя энергия может изменяться без теплопередачи — только за счет механического воздействия.

• Если работу совершают над телом (энергия “вкладывается” в тело), внутренняя энергия обычно увеличивается.
  Это происходит, потому что частицы начинают двигаться быстрее или сильнее взаимодействовать друг с другом, и тело часто нагревается.

• Если работу совершает само тело (оно отдает энергию наружу), внутренняя энергия обычно уменьшается.
  То есть энергия уходит из внутренней “копилки” тела на совершение внешней работы.

Типичные ситуации:

• Сжатие газа в цилиндре поршнем. Мы давим на поршень — совершаем работу над газом. Газ нагревается, значит его внутренняя энергия увеличивается (частицы при сжатии начинают в среднем двигаться энергичнее).

• Растяжение резины (жгута), деформация металла. При деформации часть механической работы переходит во внутреннюю энергию — тело может немного нагреться.

• Трение. Когда мы трем ладони, совершаем работу против силы трения. Эта работа переходит во внутреннюю энергию ладоней — они становятся теплее. Аналогично нагреваются тормозные колодки, шины, детали механизмов.

• Расширение газа, который толкает поршень. Газ совершает работу над поршнем и окружающей средой. При этом энергия тратится, и внутренняя энергия газа может уменьшаться, что проявляется как охлаждение (особенно заметно при быстром расширении).

Идея проста: работа — это способ изменить внутреннюю энергию без обязательного обмена теплом, за счет “механического” переноса энергии.

2. Примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи

Теплопередача — это изменение внутренней энергии за счет переноса энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Она может происходить тремя основными способами: теплопроводность, конвекция, излучение.

а) Теплопроводность

Это передача энергии при непосредственном контакте, “от частицы к частице”, без переноса вещества в целом.
Примеры:

• Металлическая ложка, оставленная в горячем чае, через некоторое время нагревается по всей длине.

• Ручка кастрюли нагревается, если она металлическая и кастрюля стоит на плите.

• Лед тает в руке: тепло от ладони передается льду, внутренняя энергия льда увеличивается, он плавится.

б) Конвекция

Это перенос энергии потоками жидкости или газа вместе с перемещением вещества.
Примеры:

• Вода в кастрюле нагревается: нагретые слои поднимаются вверх, холодные опускаются вниз, происходит перемешивание, внутренняя энергия воды увеличивается.

• Воздух в комнате: теплый воздух от батареи поднимается, холодный опускается — так прогревается помещение.

• Морской бриз: днем воздух у берега нагревается и поднимается, а более прохладный воздух с моря перемещается к берегу (тепло переносится потоками воздуха).

в) Тепловое излучение

Это передача энергии электромагнитными волнами (инфракрасным излучением), возможна даже в вакууме.
Примеры:

• Солнце нагревает Землю: энергия приходит излучением, внутренняя энергия предметов на солнце увеличивается.

• Человек ощущает тепло от костра или камина на расстоянии — это излучение.

• Нагретая плитка или спираль обогревателя излучает тепло и нагревает окружающие предметы.

Во всех этих примерах внутренняя энергия тела меняется именно потому, что оно получает или отдает энергию “теплом”, то есть из-за разности температур, а не из-за механической работы.