§ 6. Способы изменения внутренней энергии тела

ДВА ПУТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

• Постановка проблемы: Внутренняя энергия покоящегося тела постоянна до тех пор, пока неизменно его внутреннее состояние. Каким же образом можно изменить внутреннюю энергию тела — увеличить её или уменьшить?

• Два фундаментальных способа: В термодинамике доказано, что внутреннюю энергию тела можно изменить исключительно двумя физическими путями:

1. Совершением механической работы;
2. Теплопередачей (теплообменом).

СПОСОБ 1: СОВЕРШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

• 1. Совершение работы НАД телом (внутренняя энергия возрастает, $U \uparrow$):
  • Когда внешние силы действуют на тело и деформируют его или преодолевают силы трения, совершённая механическая работа превращается во внутреннюю энергию тела. В результате тело ощутимо нагревается.
  • Опыт с металлическим стержнем: если многократно и сильно ударять молотком по медному или железному стержню, стержень расплющивается, а его температура резко возрастает.
  • Опыт с трубкой и эфиром: латунную трубку, заполненную легкокипящим эфиром и плотно закрытую пробкой, обвивают веревкой. Если быстро двигать веревку взад и вперед, сила трения совершает работу над трубкой. Трубка и эфир нагреваются, эфир закипает, и высокое давление его паров с громким хлопком выбивает пробку.
  • Забивание гвоздя в стену: пока гвоздь проникает в стену, совершаемая работа тратится на преодоление силы трения гвоздя о материал стены, поэтому его шляпка нагревается слабо. Но как только гвоздь забит до шляпки, дальнейшие удары молотка вызывают пластическую деформацию металла — механическая работа целиком переходит во внутреннюю энергию шляпки, и она мгновенно становится горячей.

• 2. Тело САМО совершает работу (внутренняя энергия убывает, $U \downarrow$):
  • Если тело (например, сжатый газ) само расширяется и толкает поршень или выбивает пробку, оно преодолевает внешние силы сопротивления. Совершая эту механическую работу, газ расходует исключительно свою собственную внутреннюю энергию.
  • Опыт с появлением тумана в сосуде: в толстостенную стеклянную бутыль наливают немного воды, закрывают резиновой пробкой и с помощью насоса начинают нагнетать воздух. Давление в сосуде возрастает, и через некоторое время пробка с шумом вылетает. В тот же миг прозрачный воздух внутри бутыли заполняется густым белым туманом.
  • Физическое объяснение эффекта: выталкивая пробку наружу, сжатый воздух совершил работу против внешнего атмосферного давления. За счёт затраты внутренней энергии воздух в сосуде мгновенно охладился ниже точки росы, и находившийся в нём водяной пар сконденсировался в микроскопические капли тумана.

СПОСОБ 2: ТЕПЛОПЕРЕДАЧА (ТЕПЛООБМЕН)

• Определение: Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения механической работы (без перемещения тела или его макроскопической деформации) называют теплопередачей (или теплообменом).

• Главное условие протекания процесса: Теплопередача возможна только при наличии разности температур ($\Delta T \neq 0$) между контактирующими телами или между разными частями одного тела. При равенстве температур наступает тепловое равновесие, и теплообмен полностью прекращается.

• Естественное направление теплопередачи: Внутренняя энергия всегда самопроизвольно передаётся от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (от горячего к холодному). Обратный самопроизвольный переход невозможен.

• Примеры теплопередачи:
  • Нагревание конца металлического стержня в пламени спиртовки: тепловая энергия пламени передаётся стержню, и вскоре весь стержень становится горячим;
  • Опускание горячей ложки в стакан с прохладной водой: вода нагревается, а ложка остывает;
  • Охлаждение раскалённой металлической детали при закалке в ванне с холодной водой.

ИСТОРИЯ НАУКИ: ПОБЕДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ НАД ТЕПЛОРОДОМ

• Заблуждение о «теплороде»: До первой половины XIX века многие естествоиспытатели считали теплоту особой невесомой, невидимой жидкостью — теплородом, способной как вода губку пропитывать поры тел и перетекать от горячих тел к холодным. Считалось, что приток теплорода вызывает нагревание тела, а убыль — охлаждение.

• Пророческий вклад М. В. Ломоносова: Ещё в 1744–1745 годах великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов в трактате «Размышления о причине теплоты и холода» решительно отверг теорию теплорода. Он доказал, что теплота — это не материальная жидкость, а внутреннее вращательное и поступательное движение невидимых частиц самого вещества («связанной материи»).

• Решающий опыт графа Румфорда: В конце XVIII века англо-американский учёный Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) исследовал высверливание пушечных стволов из массивных бронзовых отливок. Погрузив болванку в воду и начав сверление абсолютно тупым сверлом (не срезавшим стружки), Румфорд обнаружил, что за счёт одного лишь трения вода в баке через два с половиной часа закипела без всякого огня! Количество выделившегося тепла было практически неограниченным, что окончательно опровергло гипотезу об ограниченном запасе теплорода и подтвердило кинетическую природу теплоты.