Первый закон термодинамики

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию тел можно изменять теплообменом – передавая телу или забирая у него некоторое количество теплоты (см. § 6-в). А опыты Румфорда и Джоуля продемонстрировали нам, что внутреннюю энергию тел можно изменить и совершением работы (см. § 6-ж).

То есть существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и работа.

DU – изменение внутренней энергии тела, Дж Q – полученное им количество теплоты, Дж A – совершенная над телом работа, Дж

Эта формула гласит, что изменение внутренней энергии тела есть величина, равная сумме количества теплоты, полученной этим телом, и совершенной над ним работы.

Это утверждение называется первым законом термодинамики. Чтобы лучше понять его суть, рассмотрим примеры, иллюстрирующие взаимосвязь изменения внутренней энергии и совершения работы.

Опыт «воздушное огниво». Возьмём толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем немного «серы» от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы сильно сожмём воздух. В результате он нагреется настолько, что серный порошок воспламенится.

Объясним опыт. Удар длился очень недолго, поэтому передачей теплоты из цилиндра наружу можно пренебречь. Из внешней среды теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда имеем: DU = 0 + A, то есть DU = A. Это равенство будет верно и наоборот: A = DU.

Полученная формула – частный случай первого закона термодинамики: при отсутствии теплообмена вся совершенная над телом работа идёт на изменение внутренней энергии тела. В нашем случае работа, совершённая над воздухом, привела к возрастанию его внутренней энергии – воздух нагрелся.

Опыт «туман в бутыли». Для него нам потребуются бутыль и насос, изображённые на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить, накачивание прекращают и ожидают 5–10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа.

Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с опытом «воздушное огниво», первый закон термодинамики запишется:. Поскольку А – положительная величина, значит, и DU положительна. Это говорит, что внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону, то есть возрастает.

Затем 5–10 минут работу не совершали (A = 0), давая воздуху возможность охладиться. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: DU = –Q. Величина –Q является отрицательной, значит, и равная ей величина DU тоже является отрицательной. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону, то есть уменьшается.

Теперь пробку отпускают, и она вылетает, подталкиваемая струёй воздуха. Всё это происходит очень быстро, поэтому теплообмен не успевает произойти: Q = 0. Кроме того, работа совершена не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется: DU = –A. Поскольку величина –A является отрицательной, значит, и равная ей величина DU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается ниже комнатной температуры, и в бутыли появляется туман.

Из истории термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить; он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых.

Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии граф Б. Румфорд проделал знаменитый опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.

В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его высверливали позже – огромными сверлильными станками, приводившимися в движение лошадьми (см. рис.). Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки своей гипотезы (предположения) Румфорд решил увеличить силу трения. Для этого он взял тупое сверло, а пушечный ствол поместил в бочку с водой. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода закипела!

Из опыта Румфорда следовало, по крайней мере, два вывода. Либо теплород можно «изготавливать» в неограниченных количествах (и тогда это приведёт к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.

Дальнейшее развитие науки подтвёрдило правильность именно второго вывода – при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты.

В то время и работу, и количество теплоты уже умели измерять, поэтому возникало много вопросов. Например, таких. Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами (сталью, медью, водой и так далее), то одинаковое ли количество теплоты выделится при этом? Если одинаковое – то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это зависит? Были и многие другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену научной деятельности выходит манчестерский пивовар Д. Джоуль. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей (см. рисунок). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию. Это измеряли термометром

Сила тяжести, опуская гирю, совершала работу A = F · l = mg · h. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле Q=cmDt°.

Опыт многократно повторяли при различных условиях: изменяли количество воды, заменяли её ртутью и другими жидкостями, меняли массу гири, высоту её поднятия и так далее. Однако вывод был всегда один и тот же: совершение 1 Дж механической работы приводило к возникновению теплоты в количестве именно 1 Дж. Этот экспериментальный факт стал подтверждением закона сохранения энергии, прежде существовавшего только как гипотеза (теоретическое предположение).

Закон сохранения энергии лёг в основу термодинамики – новой для того времени теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о взаимопревращениях работы, теплоты и энергии вообще: химической, электрической и так далее. В таком виде термодинамика существует и по сей день.

Кипение и конденсация

Нальём в сосуд чистой воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим мелкие пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворён в воде.

Рассмотрим пузырёк, возникающий около горячего дна сосуда. Увеличиваясь в объёме, пузырёк увеличивает площадь своего соприкосновения с ещё недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырька охлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды «захлопывает» пузырёк. В этот момент закипающая вода издает характерный шум.

Шум закипающей воды создается растущими и захлопывающимися пузырьками. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутри пузырьков при их росте уже не уменьшается. Пузырьки перестают захлопываться и начинают расти. С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объёма возрастает архимедова сила, и пузырьки начинают всплывать.

В физике кипением называется интенсивное (бурное) парообразование, происходящее по всему объёму жидкости за счёт возникновения и всплытия многочисленных пузырей пара.

Опыты показывают, что во время кипения температура жидкости и пара над её поверхностью одинакова и остаётся постоянной до полного выкипания жидкости.

Каждая жидкость кипит при строго определённой температуре. Поэтому температура кипения – одна из характеристик вещества. Однако если давление на поверхность жидкости отличается от атмосферного, температура кипения изменяется.

Рассмотрим опыт. Возьмём колбу и вскипятим в ней воду. Немно¬го подождем, чтобы вода остыла, а затем закроем колбу пробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мы заставим воду кипеть вновь без нагревания!

Итак, опытным путём мы установили, что при уменьшении давления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным и обратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости ведёт к возрастанию температуры кипения. Это явление можно объяснить на основе зако¬на Паскаля. Атмосферное давление передается через слой жидкости до её дна и способствует «захлопыванию» зарождающихся пузырьков. Используя насос, мы уменьшаем давление на воду и пузырьки. В результате они начинают расти и всплывать – вода кипит.

Конденсация – это превращение вещества из газообразного состояния в жидкое. Взгляните на рисунок справа: пар, вырывающийся из чайника невидимой струей, вскоре конденсируется – превращается в туман (скопление мельчайших капелек воды). Чтобы конденсация произошла, пар должен отдать теплоту окружающим телам. В результате он превратится в жидкость, а окружающие его тела нагреются.

Плавление и кристаллизация

Весна. Выглянуло солнышко, и сквозь осевшие сугробы и журчащие ручьи пробиваются первые подснежники. Но взгляните на рисунок: температура и снега, и талой воды остаётся 0 °С. Так будет до тех пор, пока не растает последний кристаллик льда, даже если температура воздуха станет +10 °С!

В физике превращение кристаллического тела в жидкость называют плавлением. Поэтому превращение снега (а он состоит из мельчайших кристалликов льда) в воду – это также плавление.

Лёд – не единственное кристаллическое тело. Например, можно разглядеть через лупу кристаллики стеарина, а также железа и других металлов, если надломить свечу или проволоку.

Многочисленные наблюдения за плавлением разных тел показывают, что каждое кристаллическое тело плавится при строго определенной температуре; во время плавления температура тела и образующейся жидкости одинакова и остается постоянной до тех пор, пока всё тело не расплавится.

Если расплав кристаллического тела охлаждать, то наступит его кристаллизация – образование кристаллов твёрдого вещества. Как ни удивительно, но температура жидкого и твёрдого веществ во время этого будет оставаться постоянной, пока вся жидкость не отвёрдеет. Кроме того, она будет равна температуре плавления. Это подтверждается опытами.

Плавление и отвёрдевание тел часто изображают графически. Рассмотрим один из таких графиков. Пусть, например, кусочек свинца положили в ложку и поместили над горелкой.

На участке AB горелка не была зажжена, и свинец имел комнатную температуру, 20 °С. На этапе BC твёрдый свинец постепенно прогревался, и вскоре его температура достигла температуры плавления, 327 °С. Затем он начал плавиться, и в ложке одновременно сосуществовали твёрдый и жидкий свинец (участок CD). После окончания этого этапа температура свинца вновь стала повышаться, так как пламя всё ещё продолжало гореть (участок DE).

В момент времени, соответствующий точке E, горелку погасили, и температура жидкого свинца начала понижаться (участок EF). Как видите, остывание происходило медленнее, чем нагревание (сравните наклон участков EF и DE).

В точке F температура расплава достигла 327 °С и длительное время оставалась постоянной, так как происходила кристаллизация. Следовательно, на участке FG сосуществуют жидкий и твёрдый свинец. Наконец, на участке GH остывает (отдаёт теплоту) уже полностью отвёрдевший свинец.

Теплота плавления и парообразования

Из истории калориметрии. Что такое калориметр, для чего он служит и как устроен, мы узнали в § 6-в. А известно ли вам, что калориметрия – наука об измерении количества теплоты – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь веков?

Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра предшествовало создание в ХVIII веке французами П. Лапласом и А. Лавуазье так называемого ледяного калориметра. Если при пользовании школьным калориметром с жидкостью мы измеряем изменение её температуры, то при пользовании ледяным калориметром требовалось измерять массу растаявшего льда. В ХVIII веке только так и можно было поступить, так как не было общепринятых методов измерения температуры.

Лаплас и Лавуазье опирались на труды своих предшественников, шотландца Д. Блэка и голландца И. Вильке, которые нашли необходимым ввести в физику новое понятие: скрытая теплота.

Вильке, например, в 1772 г. нагревал огнем смесь воды и льда и обнаружил, что часть теплоты «исчезает». То есть пламя греет, а температура не повышается. В 1803 г. Блэк описывает постоянство температуры тающего льда, несмотря на приток тепла извне. Отсюда он пришёл к понятию «скрытой теплоты плавления».

Позже он установил наличие и «скрытой теплоты парообразования», поскольку вода всегда кипела при постоянной температуре, несмотря на приток тепла. Блэк также четко разграничил термины «количество теплоты» и «количество температуры».

Усилиями уже упомянутых, а также других физиков конца XVIII и начала XIX веков, установлено, что необходимое количество теплоты прямо пропорционально массе расплавившегося вещества или массе превратившейся в пар жидкости. Упрощённо говоря, чем больше масса вещества, тем больше нужно теплоты.

На следующей странице показан современный вид формул для расчёта теплоты плавления и теплоты парообразования. Они, наряду с уже известной вам формулой Q = cmDt, по сей день лежат в основе всех методов калориметрических измерений.

Подсчёт количества теплоты, необходимого для плавления. Чем больше масса вещества, которое нужно расплавить, тем большее количество теплоты нужно. Его можно подсчитать:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса вещества, кг. l – удельная теплота плавления, Дж/кг.

Коэффициент «l» берут из таблиц (см. ниже). Он показывает количество теплоты, требуемое для плавления 1 кг вещества.

Точные калориметрические измерения показывают, что при кристаллизации вещества (это процесс, обратный плавлению) выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на образование расплава.

Подсчет количества теплоты, нужного для парообразования. Чем больше масса вещества, которое нужно превратить в пар, тем большее количество теплоты необходимо:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса вещества, кг. r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Коэффициент «r» берут из таблиц. Он показывает количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг вещества.

Точные калориметрические измерения показывают, что при конденсации вещества (это процесс, обратный парообразованию) выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на образование пара.

Количество теплоты и калориметр

В этом параграфе мы будем использовать два новых термина. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене.

Вы видите калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового. Стаканы разделены воздушным промежутком.

Рассмотрим пример применения калориметра. Во внутренний стакан нальём 100 г воды. Измерим её температуру: 20 °С. Погрузим в воду горячее тело, например, металлический цилиндрик. В калориметре начнётся теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдёт от цилиндрика к воде. В результате её температура повысится. На рисунке – до 60 °С.

Вычислим изменение температуры: Dt_воды = 60 °С – 20 °С = 40 °С.

Зная, что масса воды 100 г, инженер-теплотехник скажет: вода получила 100 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты. В отличие от теплотехники, в физике количество теплоты измеряют джоулями. Для этого служит специальная формула.

Q – количество теплоты, Дж. с – удельная теплоемкость, Дж/(кг°С). m – масса тела, кг. Dt° – изменение температуры тела, °С.

Удельная теплоёмкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.

Используя табличное значение для коэффициента «с», легко подсчитать, что вода внутри калориметра получила от металлического цилиндрика 16,8 кДж теплоты:

Q_вод = 4200 Дж/(кг°С) · 0,1 кг · 40 °С = 16800 Дж.

Формулу Q = cmDt применяют не только в том случае, когда тело нагревается. Ее также используют для подсчета количества теплоты, которое отдают охлаждающиеся тела. Например, вода внутри отопительных батарей в вашей квартире.

Удельные теплоемкости различных веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/ (кг°С). Это значение показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Можно сказать и иначе: остывая на 1°С, каждый килограмм воды отдаёт окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии.

Поясним дополнительно, почему в определении теплообмена присутствуют слова «без совершения механической работы». Вспомним, что в § 5-е мы рассмотрели опыт с манометром и горячей гирей. Тогда внутренняя энергия гири уменьшалась. За счёт этого совершалась механическая работа – удлинялся «столбик» жидкости в манометре. В опыте с калориметром внутренняя энергия цилиндрика также уменьшалась. Однако она превращалась не в механическую работу, а во внутреннюю энергию воды (см. рисунок; для наглядности мы нарисовали цилиндрик вне калориметра).

Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.

Температура и термометры

Проводя измерения, следует помнить, что любой термометр всегда измеряет свою собственную температуру. Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения. Например, в термоскопе меняется давление и объём газа в шаре (см. § 6-а), а в термометрах меняется длина «столбика» ртути или подкрашенного спирта.

Но вскоре между термометром и телом наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела: их массы, объёмы, давления и так далее. С этого момента термометр показывает не только свою температуру, но и температуру изучаемо¬го тела.

Итак, температура – физическая величина, измеряемая термометром и одинаковая у всех тел или частей тела, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом. Нпример, на этом рисунке термодинамическое равновесие ещё не наступило, так как меняется длина столбика спирта. Поэтому говорить о температуре воды преждевременно, необходимо подождать.

Процедура разметки шкалы термометра в единицах темепратуры называется градуированием. Проведём её на примере шкалы Цельсия. Поместим будущий термометр в смесь воды и льда. Поставим отметку 0 °С. Затем опустим его в воду, кипящую при нормальном атмосферном давлении. Поставим отметку 100 °С. Расстояние между отметками разделим на 100 равных частей. Образуются деления, каждое по 1 °С.

Вообразим, что мы изготовили два термометра: ртутный и спиртовой. Поместим их в стакан с кипятком. Разумеется, они покажут 100 °С. Подождем, пока вода остынет до 50 °С по ртутному термометру. Удивительно, но спиртовой термометр будет показывать температуру на 7 градусов ниже! Это объясняется тем, что ртуть и спирт неодинаково расширяются при одинаковом изменении температуры. Другие опыты также подтвёрдят, что тепловое расширение других веществ, как правило, тоже неодинаково. Это необходимо учитывать при изготовлении термометров.

Как мы только что выяснили, показания термометров зависят от выбора термометрического тела: ртути, спирта и так далее. Для преодоления этого недостатка ученые стали искать другие способы измерения температуры. Их внимание остановилось на газонаполненном термометре.

Выяснилось, что газовый термометр показывает одно и то же значение температуры вне зависимости от того, каким газом заполнен. Например, водородом, кислородом, воздухом или каким-либо другим. Оказывается, тепловое расширение всех газов практически одинаково. Поэтому газовый термометр условились считать эталонным (образцовым) термометром.

Показаниям газового термометра наиболее близко соответствуют показания ртутных термометров. Они гораздо более компактны, и потому очень широко применяются в технике. Спиртовые термометры менее точны, но зато и более безопасны (так как ртуть ядовита). Их используют, главным образом, в быту.

Из истории термометрии

Что такое термометр, мы знаем с малых лет. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерении температуры – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь тысячелетий?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал изменение температуры (см. рисунок). При потеплении воздух внутри шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку с открытым концом. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры. В XVII веке термоскопы стали изготавливать в виде запаянной трубки, заполненной ртутью или спиртом. С этого момента показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали всеобщим увлечением; ими даже украшали комнаты. Но, чтобы термоскоп стал термометром, нужно было научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу. Как это сделать? Разные ученые поступали по-разному.

Известно, что соль, смешанная со льдом, разъедает его, частично превращая в воду. При этом смесь сильно охлаждается. Исследуя это явление, американец Д. Фаренгейт обнаружил, что температура смеси постоянна и не зависит от количества льда и соли. Температуру этой смеси он и принял за 0 °F (читается: ноль градусов по Фаренгейту). За 100 °F он принял температуру тела человека.

Француз Р. Реомюр предложил в качестве нуля градусов принять температуру замерзания воды. Температуру кипения воды он принял за 80 °R (читается: восемьдесят градусов по Реомюру).

Проверку шкалы Реомюра выполнял швед А. Цельсий. Он, в частности, писал: «Эти опыты я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных показаниях барометра, и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но и в снег, когда он начинал таять. Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра».

Итак, Цельсий установил важное явление – постоянство температуры смеси воды и льда. Далее он принялся за исследование температуры кипения воды. Он, в частности, обнаружил, что она зависит от наличия примесей и внешнего давления. Чем оно было больше, тем при более высокой температуре закипала вода. А в горах, например, где давление низкое, вода закипает при меньшей температуре.

Усилиями А. Цельсия и другого шведского ученого, К. Линнея, была создана шкала, которой мы пользуемся и сегодня. В ней имеются две постоянные точки: 0 °С – температура сосуществования воды и льда, 100 °С – температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими так называемыми реперными точками, поделенное на 100 равных частей, называется градусом шкалы Цельсия (лат. «градус» – шаг, ступень).

Как видите, ученые XVIII века называли температурой то, что показывал их собственный термометр. В разных странах были приняты различные температурные шкалы, что создавало путаницу и затрудняло развитие науки. Единство измерений температуры стало возможным лишь в XIX веке, благодаря усилиям англичанина У.Томсона (лорда Кельвина). Он вошел в историю физики тем, что ввел так называемую абсолютную шкалу температуры.

Она была построена теоретически, исходя из предположения, что существует абсолютный ноль температуры, ниже которого температура никакого тела не может опуститься. По шкале Цельсия он равен –273 °С. Один градус шкалы Кельвина был назван Кельвином и принят равным 1 °С. Эта шкала успешно применяется в науке и технике, и является основной температурной шкалой в современной физике.

А знаете ли вы, что …

… существует совершенно плоский термометр. Он представляет собой «бумажку», которую накладывают на лоб больного. Если температура высокая, то «бумажка» становится красного цвета.

… существует очень легкоплавкое металлическое вещество – сплав Вуда. Если из него отлить чайную ложечку, то в стакане с горячим чаем она расплавится и стечет на дно стакана!

… на вершине горы Эверест, самой высокой точке Земли, атмосферное давление в три раза меньше нормального. При таком давлении вода кипит при температуре всего 70 °С. В «кипятке» такой температуры даже чай как следует не заваришь.

… снимая с кухонной плиты горячую кастрюльку, нужно пользоваться только сухой тряпкой или варежкой. Если они будут влажными, вы рискуете получить ожог, так как вода проводит теплоту в 25 раз быстрее, чем воздух между волосками ткани.

… если бы уголь или дрова имели такую же хорошую теплопроводность, как и металлы, то поджечь их было бы просто невозможно. Тепло, подводимое к ним (например, от спички), очень быстро передавалось бы в толщу материала и не нагревало бы поджигаемую часть до температуры воспламенения.

… по пути к Земле солнечные лучи проходят через космический вакуум огромное расстояние – 150 миллионов километров. И несмотря на это, на каждый квадратный метр земной поверхности падает поток энергии мощностью ?1 кВт. Если бы эта энергия «падала» на чайник, то он закипел бы всего через 10 минут!

… если бы человек мог видеть тепловое излучение, то, попав в темную комнату, он увидел бы немало интересного: ярко сияющие трубы и батареи отопления, окруженные светлыми вьющимися струйками теплого воздуха; такие же струйки были бы и над музыкальным центром, телевизором.

… в XIX веке замороженные продукты считались безнадежно испорченными. И только трудности снабжения продовольствием, которые стали препятствием для развития больших городов, заставили преодолеть предрассудки. В конце XIX – начале XX века во многих странах были изданы законы, предписывающие строительство специальных зданий – холодильников.

… тепловые насосы, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха, – кондиционеры – начали применяться уже в начале XX века. С 20-х годов их стали устанавливать в театрах, гостиницах и ресторанах.

Превращения энергии

У всех видов энергии есть общее свойство: энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает; она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения энергии. Рассмотрим примеры проявления этого закона.

Колебания нитяного маятника. Вы видите груз, качающийся на нити. Сначала его оттянули вправо, и он приподнялся на высоту h над своим нижним положением. В этот момент груз имел наибольшую потенциальную энергию под действием силы тяжести.

Когда груз отпустили, он начал двигаться влево, увеличивая скорость. Следовательно, кинетическая энергия груза возрастает. Одновременно груз опускается, и в среднем положении его потенциальная энергия становится наименьшей. Однако в этот момент скорость груза является наибольшей. За счёт запаса кинетической энергии груз продолжает двигаться влево, поднимаясь все выше. Это приводит к возрастанию его потенциальной энергии. Одновременно скорость груза уменьшается, что приводит к уменьшению кинетической энергии.

В этом примере энергия переходит из одного вида в другой: из кинетической энергии в потенциальную энергию и наоборот. Рассмотрим теперь примеры, когда энергия переходит не только из одного вида в другой, но и от одного тела к другому.

Колебания пружинного маятника. Взгляните на рисунок. Сначала груз на пружине оттянули вниз. Пружина растянулась, следовательно, сила упругости возросла. Увеличение этой силы означает увеличение потенциальной энергии пружины.

После отпускания груза пружина сжимается. По мере её сжатия сила упругости пружины уменьшается, значит, уменьшается и потенциальная энергия пружины. Однако одновременно возрастает кинетическая энергия груза, так как при разгоне вверх увеличивается его скорость. Одновременно возрастает и потенциальная энергия груза под действием силы тяжести, так как груз поднимается выше. Эти превращения энергии происходят периодически.

В этом примере энергия перешла из одного вида в другие: из потенциальной под действием силы упругости в кинетическую, а также в потенциальную под действием силы тяжести. Кроме того, энергия перешла от одного тела к другому: от пружины к грузу. При его опускании произойдут обратные превращения энергии.

Торможение тела силой трения. На рисунке «а» изображено колесо едущего поезда. На рисунке «б» – то же самое колесо, но при торможении поезда. Специальные тормозные колодки прижались к колесу. Возникшая между колесом и колодками сила трения замедляет вращение колеса, а значит, и скорость поезда. В этом случае колодки и колесо не случайно выделены красным цветом. Дело в том, что при трении они нагреваются настолько сильно, что при касании рукой можно получить ожог.

В этом примере мы наблюдали превращение энергии из одного её вида в другой и, одновременно, переход от одного тела к другим: кинетическая энергия всего поезда превращалась во внутреннюю энергию его тормозных колодок, колёс и окружающего воздуха, который тоже нагревался.