Внутренняя энергия · Теплопередача · Тепловые расчёты · Фазовые переходы
§1 · Физика 8 кл
Внутренняя энергия тела
Внутренняя энергия тела — сумма кинетической и потенциальной энергий всех молекул. Существует всегда, не зависит от механической энергии тела.
🔬 кинетическая + потенциальная молекул⚡ единица — Дж🌡 зависит от T и агр. состояния
§1. Внутренняя энергия тела
Определение
внутренняя энергия = кинетическая + потенциальная энергии всех молекул
Кинетическая — энергия хаотического теплового движения молекул.
Потенциальная — энергия взаимодействия молекул друг с другом.
Единица внутренней энергии: джоуль (Дж)
От чего зависит
температура · вещество · агрегатное состояние
↑ Температура → растёт скорость молекул → растёт внутренняя энергия.
Тв.→жид.→газ → растёт (даже при той же температуре!).
Не зависит от скорости и высоты тела как целого.
📌 Три агрегатных состояния
💡 Пример
Камень, лежащий на земле, не имеет механической энергии ($v=0$, $h=0$). Но его молекулы всё равно движутся и взаимодействуют — внутренняя энергия есть всегда.
При нагреве воды её молекулы движутся быстрее — внутренняя энергия растёт. При охлаждении — молекулы замедляются, внутренняя энергия уменьшается.
Запомни!
Внутренняя энергия всегда больше нуля — молекулы никогда не стоят полностью.
При нагреве → внутренняя энергия растёт. При переходе тв.→жид.→газ — тоже растёт (даже при той же температуре!).
Механическая энергия тела и внутренняя энергия — разные вещи. Камень в покое на земле не имеет механической, но внутренняя — есть всегда.
Частые ошибки
Путают «тело не имеет механической энергии» с «внутренняя энергия = 0».
Считают, что при одинаковой температуре внутренняя энергия твёрдого и жидкого тел одинакова (на самом деле у жидкого больше — разрушена решётка).
🪨
Камень в покое
v=0, h=0 — нет механической, но молекулы движутся → внутренняя энергия есть
🧊
Лёд при -10°C
Холодный, но молекулы всё равно колеблются — внутренняя энергия не нулевая
♨️
Кипяток
Высокая T → молекулы движутся быстро → большая внутренняя энергия
✈️
Самолёт в полёте
Есть и механическая (скорость+высота), и внутренняя (тепло двигателей) — независимо
💬 Объяснение простыми словами
Представь, что молекулы — крошечные шарики, которые никогда не стоят на месте. Они прыгают, вращаются, сталкиваются — даже в самом холодном веществе. Сумма всей их энергии и есть внутренняя энергия тела.
Нагрел тело — молекулы разогнались → внутренняя энергия выросла. Охладил — замедлились → уменьшилась. Но никогда не стала нулём!
Интерактив — Молекулярное движение
🎚️ Меняй температуру и агрегатное состояние
🌡 Температура:20°C
🧪 Вещество:⟨Eₖ⟩ ~ 0
Цвет атомов отражает их скорость по Максвелл-Больцману: синие — медленные, красные — быстрые. В газе работают упругие столкновения. Каждое вещество имеет свою массу и температуры фазовых переходов — попробуй сравнить!
🔑 Главное в §1
Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий всех молекул тела, она есть всегда (даже у холодного тела).
Внутренняя энергия растёт при нагреве и при переходе тв.→жид.→газ (даже при той же температуре).
Внутренняя энергия не зависит от скорости и высоты тела как целого — это не то же самое, что механическая энергия.
Единица внутренней энергии — джоуль (Дж).
§2 · Физика 8 кл
Способы изменения внутренней энергии
Изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами: совершив механическую работу (трение, сжатие газа) или путём теплопередачи (теплообмена).
🔨 механическая работа🌡 теплообмен⚡ Q — количество теплоты, Дж
§2. Способы изменения внутренней энергии
1. Совершение механической работы
трение · сжатие · удар
Трение (пиление, сверление), сжатие газа поршнем, удар — внутренняя энергия тела увеличивается.
Молекулы разгоняются → температура растёт.
Пример: натирание рук, нагрев воздуха в насосе при накачивании шины.
2. Теплопередача (теплообмен)
передача без работы
Изменение внутренней энергии тела без совершения механической работы.
Количество теплоты Q — величина, равная изменению внутренней энергии при теплообмене. Единица: Дж.
Пример: нагрев воды в чайнике, охлаждение тела в холодильнике.
Запомни!
Работа: молекулы разгоняются внешней силой → T растёт.
Теплообмен: быстрые молекулы передают энергию медленным при контакте.
Оба способа изменяют внутреннюю энергию — результат одинаков, пути разные.
📊 Два способа изменения внутренней энергии
🔩
Сверление
Трение между сверлом и деталью → нагрев (механическая работа)
🚗
Торможение
Тормозные колодки нагреваются от трения (кинетическая → внутренняя)
🫙
Холодильник
Молоко охлаждается → теплопередача от молока к воздуху холодильника
☀️
Загар на солнце
Кожа нагревается от излучения Солнца — это тоже теплопередача
Интерактив — Два способа нагрева
🔨 Работа vs 🌡 Теплообмен
Слева — сжатие поршнем (механическая работа). Справа — нагрев стенки (теплопередача). Оба способа увеличивают внутреннюю энергию газа.
🔑 Главное в §2
Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: совершив механическую работу или через теплопередачу.
Механическая работа: трение, сжатие, удар — молекулы разгоняются внешней силой.
Теплопередача: быстрые молекулы передают энергию медленным при контакте — без приложения внешней силы.
Количество теплоты Q — величина изменения внутренней энергии при теплообмене; единица — Дж.
§3 · Физика 8 кл
Теплопроводность
Теплопроводность — передача тепла от молекулы к молекуле без переноса вещества. Возможна в твёрдых, жидких, газообразных телах, но скорость разная.
⚙️ металлы — хорошие🫧 газы — плохие🚫 без переноса вещества
§3. Теплопроводность
Механизм
столкновения молекул
Тепло передаётся через столкновения молекул от горячих к холодным участкам. Перенос вещества не происходит.
В твёрдых телах конвекция невозможна — молекулы не могут свободно перемещаться.
Естественная конвекция — за счёт разности плотностей; принудительная — насос или вентилятор.
Примеры: батарея отопления, морской бриз, кипение воды в кастрюле.
§5 · Физика 8 кл
Излучение
Излучение — теплопередача электромагнитными волнами. Единственный вид, который работает в вакууме. Тёмные поверхности поглощают и излучают лучше светлых.
🌊 ЭМ-волны🌌 в вакууме⚫ чёрное > белого
§5. Излучение
Тепловое излучение
ЭМ-волны → вакуум ✓
Любое тело с T > 0 К испускает электромагнитные волны. Не требует среды — работает в вакууме.
Чем выше T — тем интенсивнее излучение.
Поглощение и отражение
⚫ поглощает ≫ ⚪ отражает
Тёмные матовые: лучший поглотитель и излучатель.
Светлые блестящие: хуже поглощают, лучше отражают.
Примеры: термос, солнечный нагрев Земли, тепловизор.
Запомни!
Излучение — единственный вид теплопередачи, работающий в вакууме.
Тёмная матовая поверхность — лучший поглотитель и излучатель.
Тело нагревается, если поглощает больше, чем излучает; охлаждается — если наоборот.
📊 Поглощение и излучение разных поверхностей
Поверхность
Поглощает
Излучает
Пример использования
⬛ Чёрная матовая
★★★★★
★★★★★
Солнечные коллекторы
⬜ Белая матовая
★★☆☆☆
★★☆☆☆
Рефрижераторы, одежда
🪩 Зеркальная
★☆☆☆☆
★☆☆☆☆
Термос, скафандр
Интересный факт
Тепловизор «видит» именно тепловое излучение. Именно поэтому в темноте можно обнаружить тёплый предмет — он сам светится в инфракрасном диапазоне. Тело человека излучает так же, как электрическая плитка мощностью около 100 Вт!
🏖️
Загар
Кожа поглощает излучение Солнца без контакта и без воздуха
🚀
Скафандр
Серебристое покрытие отражает солнечное излучение в космосе
🧥
Одежда в жару
Белая одежда отражает излучение Солнца → тело меньше нагревается
🌡️
Тепловизор
Фиксирует тепловое излучение тел — даже в полной темноте
Интерактив — Поглощение излучения
☀️ Сравни поглощение трёх поверхностей
🌡 T источника:500°C
Источник тепла слева испускает волны. Три поверхности (чёрная / серая / серебристая) поглощают их с разной эффективностью и нагреваются.
🔑 Главное в §5
Излучение — передача тепла электромагнитными волнами, не требует вещества — работает в вакууме.
Любое тело с температурой выше 0 К испускает тепловое излучение; чем выше T, тем интенсивнее.
Тёмная матовая поверхность — лучший поглотитель и излучатель; светлая блестящая — хуже поглощает, лучше отражает.
Тело нагревается, если поглощает больше, чем излучает; охлаждается — если наоборот.
§6 · Физика 8 кл
Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость
$Q = cm\Delta t$
Количество теплоты прямо пропорционально массе и изменению температуры. Коэффициент c зависит от вещества.
Удельная теплоёмкость воды $c = 4200$ Дж/(кг·°C) — одна из самых высоких. Это значит, что для нагрева 1 кг воды на 1°C нужно в 10 раз больше теплоты, чем для нагрева 1 кг железа. Поэтому море медленно нагревается летом и медленно остывает зимой — оно «хранит» тепло!
Интерактив — Калориметр Pro Max
⚖️ Смешай два тела разных веществ
🔥 Горячее тело
Вещество:
m₁, кг:1
T₁:80°C
❄️ Холодное тело
Вещество:
m₂, кг:1
T₂:20°C
T_смеси: —
Уравнение теплового баланса: $c_1 m_1 (T_1 - T) = c_2 m_2 (T - T_2)$. Поэкспериментируй с разными веществами — увидишь, как масло остывает медленнее воды, а металлы — намного быстрее.
🔑 Главное в §6
Количество теплоты при нагреве/охлаждении: $Q = cm\Delta t$, где $c$ — удельная теплоёмкость [Дж/(кг·°C)].
Удельная теплоёмкость — свойство вещества: у воды $c = 4200$ — самое высокое из обычных жидкостей.
Тепловой баланс: $Q_\text{отд} = Q_\text{погл}$ — работает только в изолированной системе.
При остывании $\Delta t$ отрицательное — Q получается отрицательным или записывают $Q = cm(t_1 - t_2)$.
§7 · Физика 8 кл
Горение. Удельная теплота сгорания топлива
$Q = qm$
При полном сгорании топлива выделяется $Q = qm$. Удельная теплота сгорания $q$ зависит только от вида топлива.
📐 [q] = МДж/кг💨 H₂: q = 120 МДж/кг🌍 экология
§7. Удельная теплота сгорания
Основная формула
$Q = qm$
$q$ — удельная теплота сгорания [МДж/кг], $m$ — масса топлива [кг].
Выделяется при полном сгорании.
Значения q, МДж/кг
Дрова: 10
Торф: 19 | Уголь: 27
Бензин: 47 | Газ: 44
Водород: 120 — рекорд
Запомни!
$q$ — свойство топлива, не зависит от массы.
Водород — самый энергоёмкий, но взрывоопасный. Бензин — наиболее распространён.
КПД реальной печи всегда меньше 100% — часть теплоты теряется.
📊 Удельная теплота сгорания топлив
Водород — топливо будущего
Водород имеет $q = 120$ МДж/кг — в 2,5 раза эффективнее бензина и в 12 раз — дров. При сгорании водорода образуется только вода, никакого CO₂. Именно поэтому водородные двигатели и топливные элементы — одно из ключевых направлений зелёной энергетики.
Интерактив — Виртуальная печь
🔥 Выбери топливо и рассчитай теплоту
Масса топлива:2 кг
Q = —
🔑 Главное в §7
При полном сгорании топлива выделяется теплота $Q = qm$, где $q$ — удельная теплота сгорания [МДж/кг].
$q$ — свойство вида топлива, не зависит от его массы.
Водород — рекорд ($q = 120$ МДж/кг), бензин — 47, дрова — 10 МДж/кг.
КПД реальной печи всегда меньше 100% — часть теплоты теряется на нагрев окружения.
§8 · Физика 8 кл
Плавление и кристаллизация
Плавление — переход тв.→жид. при $T_\text{пл} = \text{const}$. Кристаллизация — обратно. Температура постоянна, пока идёт переход, а внутренняя энергия меняется.
🌡 T = const при переходе❄ лёд: 0°C🔩 Fe: 1539°C
§8. Плавление и кристаллизация
Плавление
тв. → жид., $T = \text{const}$
Вся теплота идёт на разрушение кристаллической решётки, а не на разгон молекул. Поэтому T не растёт во время плавления.
Температуры плавления
Лёд: 0°C
Свинец: 327°C | Al: 660°C
Медь: 1084°C | Fe: 1539°C
Вольфрам: 3387°C
Запомни!
При плавлении $T = \text{const}$, но $U$ растёт — энергия идёт на разрушение решётки.
Кристаллизация — обратный процесс при той же температуре.
Аморфные тела (стекло, смола) плавятся постепенно — у них нет чёткой $T_\text{пл}$.
📈 График нагрева вещества (T–t диаграмма)
🕯️
Восковая свеча
Парафин плавится у фитиля → жидкий воск поднимается → горит
🔩
Литьё металлов
Металл плавят при $t_\text{пл}$ → заливают в форму → охлаждают → кристаллизация
🌡️
Антифриз
Смесь с водой — $t_\text{пл}$ ниже 0°C, не замерзает в радиаторе зимой
🧊
Лёд в стакане
При 0°C лёд тает, пока не расплавится весь — температура не растёт
Интерактив — Кристаллическая решётка
❄️ Меняй температуру и наблюдай переход
🌡 Температура:0°C
t_пл = 0°C
Состояние: Твёрдое
🔑 Главное в §8
Плавление — переход тв.→жид. при постоянной температуре $T_\text{пл}$: вся теплота идёт на разрушение кристаллической решётки.
Кристаллизация — обратный процесс при той же $T_\text{пл}$ с выделением теплоты.
Аморфные тела (стекло, смола) не имеют чёткой $T_\text{пл}$ — плавятся постепенно.
На T–t графике плавление — горизонтальный участок: температура не меняется, пока идёт переход.
§9 · Физика 8 кл
Удельная теплота плавления и кристаллизации
$Q = \lambda m$
Для плавления 1 кг вещества при $T_\text{пл}$ нужна теплота $\lambda$. При кристаллизации столько же выделяется. Идёт на разрушение кристаллической решётки.
$\lambda$ — удельная теплота плавления [кДж/кг], $m$ — масса [кг].
При кристаллизации выделяется столько же.
Значения λ, кДж/кг
Лёд: 333 | Свинец: 25
Серебро: 88 | Медь: 205
Железо: 270 | Алюминий: 390
Запомни!
$\lambda$ — теплота на 1 кг при $T_\text{пл}$. На нагрев она не тратится!
При кристаллизации выделяется ровно столько же теплоты, сколько поглощалось при плавлении.
Лёд плавится при 0°C, но нужно ещё 333 кДж/кг — вот почему лёд хорошо охлаждает.
📊 Удельная теплота плавления λ (кДж/кг)
Почему лёд «тает» медленно?
Для плавления 1 кг льда нужно 333 000 Дж — такое же количество теплоты, которое нужно, чтобы нагреть ту же воду от 0°C до 79°C. Вся эта энергия идёт не на нагрев, а на разрушение кристаллической решётки. Именно поэтому айсберги тают очень медленно — они как «термостат» для полярных морей!
Интерактив — Плавление + график T(t)
🔥 Наблюдай горизонтальный участок графика
Масса m:1 кг
Q = —
🔑 Главное в §9
Удельная теплота плавления: $Q = \lambda m$, где $\lambda$ — количество теплоты на плавление 1 кг при $T_\text{пл}$.
При кристаллизации выделяется ровно столько же теплоты, сколько поглощалось при плавлении.
$\lambda$ льда = 333 кДж/кг — поэтому для таяния льда нужно много теплоты (почему лёд хорошо охлаждает).
$\lambda$ идёт на разрушение кристаллической решётки, а не на нагрев вещества.
§10 · Физика 8 кл
Испарение жидкостей. Факторы
Испарение — переход жид.→пар с поверхности при любой T. Охлаждает жидкость. Скорость зависит от температуры, площади, ветра и рода жидкости.
🌡 при любой T❄ охлаждает жидкость💨 ветер ускоряет
§10. Испарение жидкостей
Механизм испарения
жид. → пар (с поверхности)
Быстрые молекулы с поверхности преодолевают силы притяжения → вылетают. Оставшиеся медленнее → жидкость охлаждается.
4 фактора скорости
Температура↑ → быстрее
Площадь поверхности↑ → быстрее
Ветер → быстрее (уносит пар)
Род жидкости: ацетон ≫ вода ≫ масло
Запомни!
Испарение идёт при любой температуре — не только при 100°C.
Скорость испарения растёт с повышением T, увеличением площади поверхности, наличием ветра и зависит от рода жидкости.
Конденсация — обратный процесс: пар переходит в жидкость с выделением теплоты.
§11 · Физика 8 кл
Кипение. Удельная теплота парообразования
$Q = Lm$
Кипение — парообразование по всему объёму при $T_\text{кип} = \text{const}$. $L$ — теплота для превращения 1 кг жидкости в пар. $T_\text{кип}$ зависит от давления.
💧→💨 весь объём📐 [L] = МДж/кг💧 L(воды) = 2,26 МДж/кг
§11. Кипение и теплота парообразования
Кипение
$Q = Lm$, $T = \text{const}$
Парообразование по всему объёму при $T_\text{кип}$. Вся теплота идёт на испарение, а не на нагрев.
$L$ — удельная теплота парообразования [кДж/кг].
Значения $L$ и $T_\text{кип}$
Вода: 100°C, L = 2260 кДж/кг
Спирт: 78°C, L = 857 кДж/кг
Эфир: 35°C, L = 352 кДж/кг
С ростом давления $T_\text{кип}$ повышается (скороварка). С уменьшением — понижается (горы).
Запомни!
При кипении $T = \text{const}$ — вся теплота идёт на превращение жидкости в пар.
$T_\text{кип}$ зависит от давления: больше давление → выше $T_\text{кип}$.
Конденсация — обратный процесс: выделяется столько же теплоты $Lm$.
📈 Температура кипения воды vs давление
🥘
Скороварка
P > 1 атм → $t_\text{кип}$ > 100°C → еда готовится быстрее при высокой T
⛰️
На вершине горы
P < 1 атм → вода кипит при ~70°C → суп варится дольше, чем у моря
💉
Стерилизация
Автоклав — P = 2 атм, $t_\text{кип} = 120$°C → убивает все микробы
☕
Идеальный чай
Заваривают при 80-90°C, не 100°C — кипяток разрушает витамины и аромат
Интерактив — Кипящая жидкость
🫧 Меняй давление и жидкость
🔘 Давление:1 атм
t_кип = 100°C
Масса m:1 кг
Q = —
🔑 Главное в §11
Кипение — парообразование по всему объёму жидкости при постоянной $T_\text{кип}$.