Как изменится внутренняя энергия воздуха
Перейти к содержимому

Как изменится внутренняя энергия воздуха

Как изменится внутренняя энергия воздуха

Задача по физике — 14498

comment

2020-12-04
После включения отопления воздух в комнате нагревается от температуры $T_$ до температуры $T$. Как изменяется внутренняя энергия воздуха, содержащегося в комнате?

Объем воздуха в комнате $V = const$, давление в комнате (равное атмосферному) тоже не меняется. Это возможно только в случае утечки части воздуха из комнаты при нагревании. Если представить себе герметично закрытую комнату, то даже при относительно небольшом повышении температуры ($\Delta T = 10К$) давление в ней повысится на $\Delta p = p_ \frac< \Delta T> \approx 3 кПа$, а такого перепада давлений не выдержат оконные стекла. Итак, $p = const$, а $m$ уменьшается.

Воспользуемся теперь тем, что внутренняя энергия идеального газа $U$ пропорциональна величине $\fracRT$. Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона $pV = \fracRT$, поэтому $U \sim pV$. Отсюда следует, что при нагревании $U = const$.

Внутренняя энергия воздуха в комнате вообще не растет: всю поступающую от источника тепла энергию уносит уходящий наружу воздух. Наружный атмосферный воздух становится чуть-чуть теплее.
Ответ: Не изменится.

Как изменится внутренняя энергия воздуха

Внутреннюю энергию тела можно изменить:

1) теплопередачей (теплопроводностью, конвекцией и излучением);

2) совершением механической работы над телом (трение, удар, сжатие и др.).

Энергия тела, которую оно получает или отдаёт при обмене теплом с другими телами (без совершения работы), называют количеством теплоты.

$$ = \Delta U$$ — количество теплоты. (8)

Рассмотрим эти процессы более подробно.

1. Виды теплопередачи

А)

Теплопроводность

явление передачи теплоты (энергии) от одной части тела (более нагретой) к другой (менее нагретой).

Передача теплоты осуществляется в основном за счёт колебательного движения и столкновения отдельных молекул. При этом при столкновениях некоторая доля кинетической энергии молекул от одной (более нагретой) части тела передаётся молекулам другой (менее нагретой) его части. Важно заметить, что при теплопроводности само вещество не перемещается, а теплопередача всегда идёт в определённом направлении: внутренняя энергия горячего тела уменьшается, а внутренняя энергия холодного тела увеличивается.

В твёрдых металлических телах теплопроводность осуществляется преимущественно за счёт движущихся особым образом свободных электронов (в металлах также осуществляется перенос тепла колеблющимися атомами, но их вклад сравнительно небольшой).

Благодаря непрерывному взаимодействию соседствующих молекул, теплопроводность в твёрдых телах и жидкостях происходит заметно быстрее, чем в газах.

Интенсивность теплопроводности между телами зависит от разности их температур, площади поверхности, через которую происходит теплопередача, а также от свойств вещества, расположенного между телами.

В обычных условиях для расчёта количества теплоты `Q`, передаваемого через слой вещества путём теплопроводности, пользуются следующим соотношением:

$$ Q=k\frac·t$$ — закон Фурье. (9)
Здесь $$ k$$ – коэффициент теплопроводности вещества слоя,
$$ S$$ – площадь поверхности, через которую происходит теплопередача (см. рис 3),
$$ h$$ – толщина слоя вещества,
$$ t$$ – время наблюдения,
$$ \Delta T=_-_ $$ — разность температур между границами слоя $$ (_>_)$$.

Например, тепловая энергия уходит из комнаты через стену на улицу.

$$ S$$ – площадь поверхности стены,

  • $$ h$$ – толщина слоя вещества, составляющего стену.
  • $$ \Delta T$$ – разность температур между комнатой $$ \left(_\right)$$ и улицей $$ \left(_\right)$$;

$$ k$$ – коэффициент теплопроводности вещества стены.

Следует отметить, что значения коэффициентов теплопроводности различных веществ отличаются столь сильно, что некоторые вещества применяют как эффективные теплопроводники (металлы, термомастика), а другие, наоборот, как теплоизоляторы (кирпич, дерево, пенопласт).

Б) В поле силы тяжести ещё одним механизмом теплопередачи может служить конвекция.

Естественной конвекцией

называют процесс перемешивания вещества, осуществляемый силой Архимеда, вследствии разности температур.

Конвекция может быть обнаружена в газах, жидкостях или сыпучих материалах.

Например, в кастрюле (см. рисунок 4) нагреваемая снизу вода расширяется, плотность её уменьшается. Сила Архимеда, действующая на небольшой фрагмент прогретой воды, поднимает её вверх. На поверхности прогретая вода остывает, смешиваясь с более холодной водой, испаряясь и т. п. Вследствие чего вода сжимается, становится более плотной, и тонет. Возникает конвективная ячейка.

На практике часто встречается принудительная конвекция, осуществляемая насосами или специальными перемешивающими механизмами.

В) Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны, которые переносят энергию. При комнатной температуре это в основном инфракрасное излучение. Так происходит лучистый теплообмен, или теплопередача посредством теплового излучения.

Из этого факта вытекает, что энергией в форме излучения обмениваются практически все окружающие нас тела. Этот процесс также приводит к выравниванию температур тел, участвующих в теплообмене.

Согласно теории равновесного теплового излучения интенсивность $$ I$$ излучения так называемого абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры $$ T$$ тела:

$$I=\sigma ·^$$ — (закон Стефана—Больцмана). (10)

Где `sigma=5,67*10^(-8)` `»Вт»//»м»^2«»К»^4` — постоянная Стефана-Больцмана.

(Подробно речь об этом пойдёт в разделе «Основы квантовой физики» в 11 классе.)

В замкнутой системе теплообмен должен привести к установлению теплового равновесия. Теперь понятию «замкнутой системы» можно придать более отчётливые очертания: если границы некоторой области пространства имеют очень малый коэффициент теплопроводности (граница – слой теплоизолятора) и теплопередача через него не проходит, то содержащаяся внутри области пространства энергия изменяться не может и будет сохраняться.

2. Работа и изменение внутренней энергии.
Работа газа при расширении и сжатии

Для изменения внутренней энергии тела необходимо изменить кинетическую или потенциальную энергию его молекул. Этого можно добиться, не только при теплопередаче, но и деформируя тело. При упругой деформации изменяется расположение молекул или атомов внутри тела, приводящее к изменению сил взаимодействия (а значит, и потенциальной энергии взаимодействия), а при неупругой изменяются и амплитуды колебаний молекул или атомов, что изменяет кинетическую энергию молекул или атомов.

При ударе молотком по свинцовой пластине молоток заметно деформирует поверхность свинца (рис. 5). Атомы поверхностных слоёв начинают двигаться быстрее, внутренняя энергия пластины увеличивается.

Стоя на улице в морозную погоду и потирая руки, мы совершаем работу, что также приводит к увеличению внутренней энергии. Если сила трения возникла из-за взаимодействия шероховатостей, то при прохождении одной шероховатости мимо другой возникают колебания частей тела. Энергия колебаний превращается в тепло. Тот же процесс происходит и при разрывах шероховатостей.

Если работу совершает газ, закрытый в цилиндре и поршень будет перемещаться из положения `1` в положение `2` (рис. 6), то работа равна

Здесь $$ F$$ – сила, действующая на поршень со стороны газа,

  • $$ p$$ – давление газа,
  • $$ S$$ – площадь поверхности поршня,

$$ \Delta V$$ – изменение объёма газа.

В некоторых случаях для расчёта работы газа в тепловом процессе удобно воспользоваться графическим методом . Суть его можно представить следующим образом. Допустим, что газ изобарно расширяется от начального объёма $$ _$$ до конечного объёма $$ _$$. На $$ pV$$ -диаграмме график процесса представляет собой отрезок прямой линии (см. рис. 7). Сравним полученное выражение для расчёта работы $$ ^>$$ газа (см. выше) с «площадью» заштрихованного прямоугольника под графиком изобары $$ <>^S< >^=p(_-_)$$.

Нетрудно убедиться, что $$ <>^S< >^=^>$$, т. е. работа газа при расширении от объёма $$ _$$ до объёма $$ _$$ численно равна площади прямоугольника под графиком процесса на этом участке зависимости.

Если же процесс является более сложным (см. рис. 8), то и в этом случае графически работу можно найти как площадь фигуры под графиком процесса `1–2`.

Докажем это, рассмотрев переход газа из состояния 1 в состояние 2 не по кривой, а по ломаной, состоящей из $$ N$$ отрезков изохор и изобар. Работа на $$ i$$-ой изобаре (на рисунке $$ i=5$$) равна $$ _=

_·\Delta _$$. Суммируя площади под всеми изобарами, получим площадь фигуры под ломаной, которую можно приближённо считать равной работе газа при расширении:

Эту работу можно вычислить точнее, если увеличить число изобар и изохор ломаной (увеличить $$ N$$ и уменьшить $$ \Delta _$$). Площадь под ломаной при этом возрастёт,

так как к площади заштрихованной фигуры добавятся новые площади. Если число изобар и изохор устремить к бесконечности так, чтобы длина отрезков любой изобары и изохоры неограниченно уменьшалась, то ломаная линия совпадёт с кривой. Это и доказывает утверждение о том, что графически работу газа можно вычислить, найдя площадь фигуры под графиком процесса. Аналогично подсчитывают работу газа при его сжатии (уменьшении объёма). Необходимо только помнить, что работа газа в этом случае отрицательна.

При разбиении фигуры, образованной графиком процесса, изохорами и осью объёмов, на бесконечно малые элементы, изменение объёма записывается как $$ dV$$ (рис. 9). В этом случае малый элемент общей работы (элементарную работу) можно найти как $$ dA=p·dV$$, а всю работу получим суммированием всех элементарных работ на участке расширения:

Работа газа численно равна площади фигуры под графиком $$ p\left(V\right)$$.

Если идеальный газ находится в теплоизолированном сосуде (стенки сосуда не пропускают тепло), то работа внешней силы, совершённая над ним, равна изменению кинетически энергий молекул газа, т. е. равна изменению его внутренней энергии:

В рамках молекулярно-кинетической теории этот факт можно пояснить следующим образом. При столкновении молекулы с движущимся навстречу ей массивным поршнем перпендикулярная к поршню составляющая скорости молекулы увеличится на удвоенную скорость поршня.

2. Как изменится внутренняя энергия воздуха при его сжатии? Почему?​

nuraymasimkan

При сжатие воздуха внутренняя энергия увеличивается за счёт совершаемой работы внешних сил,а при расширении производится работа против внешних сил,тем самым внутренняя энергия уменьшается. . При трении друг о друга внутренняя энергия увеличивается,так как тела нагреваются.

aisuluuelebaeva28

Ответ:

Повышение температуры, увеличится.. .

Новые вопросы в Физика

С помощью реостата сопротивление электрического устройства можно изменять от 200 Ω до 20 Ω. В каких пределах изменится сила тока в приборе, если напря … жение 220 V ?

Електрична лампа, що має форму кулі діаметром 4,1 см, розташована на відстані 2,8 м від екрана. Визначте, на якій найменшій відстані від екрана слід р … озмістити залізну кульку діаметром 21,7 мм, щоб вона не відкидала тінь на екран, а давала тільки півтінь. Відповідь заокругліть до сотих.

скільки кубічних метрів соснових дров треба спалити щоб виділилось 504 кілоджоулі теплоти
Фиопредкление удельной теплоемкостизика

газ, поглощая 0,7 мДЖ тепла, увеличивает свою внутреннюю энергию на 400 кДЖ. Вычислите работу, совершенную газом​

как изменится внутренняя энергия воздуха находящегося в закрытом баллоне прои увеличении его температуры в 4 раза

Для ответа на данный вопрос, вспомним формулу внутренней энергии вещ-ва: U = 3/2*v*R*T, где v — количество вещ-ва в газе и вычисляется по формуле m / M (m — масса вещ-ва, М — молярная масса), R — молярная газовая постоянная (8,31 Дж/моль*К), Т — температура.

Соответственно, внутренняя энергия зависит от температуры и при её повышении в 4 раза, вн. энергия тоже возрастёт в 4 раза.

  • Связаться с нами
  • Правила проекта
  • Лицензионное соглашение
  • Политика конфиденциальности

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *