Удивительное вещество -вода

  • Авторы
  • Руководители
  • Файлы работы
  • Наградные документы

Сабанов Р.А. 1

1МБОУ СОШ №7 им.Ю.Нестеренко г. Беслан

Алборова Д.Р. 1

1МБОУ СОШ №7 им.Ю.Нестеренко г. Беслан

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

«Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты не просто необходима для жизни, ты и есть жизнь… Ты — величайшее в мире богатство…».

Антуан де Сент-Экзюпери

Как известно, что многие вещества в природе могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

А также некоторые могут находиться еще и в четвертом — плазматическом состоянии. Я выбрал данную тему потому ,что многие вещества используются в жизни и в разных агрегатных состояниях.

Цель: рассмотреть существующие агрегатные состояния вещества, выявить все их достоинства и недостатки .Провести опытные исследования физических свойств воды .

Задачи:

1. Используя различные информационные источники, расширить свои теоретические знания о физических свойствах воды и ее аномалиях.

2.Провести опытную проверку изученных свойств.

3. На основе знаний физики объяснить большинство явлений и процессов, связанных с водой.

4. Представить результат в доступной привлекательной форме

1.Агрегатные состояния вещества

Взаимное расположение, характер движения и взаимодействия молекул одного и того же вещества существенно зависящие от внешних условий (температура, давление), характеризуют его агрегатное состояние. Различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина (например, плотность, внутренняя энергия) или симметрия системы. Переход веществa из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а температуру, при которой это происходит – температурой плавления. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а температуру перехода – температурой кристаллизации. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии молекул, входящих в его состав. Потенциальная энергия молекулы характеризует степень ее связи с другими частицами. Между любыми двумя молекулами вещества на расстоянии, большем диаметра молекул, действуют силы притяжения электромагнитного происхождения.
Эти силы стремятся связать молекулы в единое целое. Кинетическая энергия молекул препятствует этой тенденции сцепления их между собой.

Твёрдое тело — это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характеротеплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии. Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Аморфные тела – конденсированные вещества, атомная структура которых имеет ближний порядок, и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. Кристаллические тела – твердые тела, в которых атомы расположены закономерно, образую кристаллическую решетку. Молекулы в твердом теле располагаются упорядоченно. Упаковка молекул в пространстве аналогична заполнению плоскости правильными многоугольниками.

Частицы твердого тела, образуя кристаллическую решетку, колеблются около некоторых средних положений равновесия, называемых узлами кристаллической решетки. Колебания молекул возможны по различным направлениям и могут иметь разную амплитуду. Значительная средняя потенциальная энергия взаимодействия препятствует изменению среднего расстояния между ними. Следствиями этого является сохранение твердыми телами формы и объема. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твёрдого тела основывается на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, которое занимает промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. Вещество находится в жидком агрегатном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул соизмерима со средней потенциальной энергией их притяжения. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём. При нагревании твердого тела средняя кинетическая энергия молекул, колеблющихся около положений равновесия, возрастает. Рост кинетической энергии молекул приводит к увеличению амплитуды ее колебаний. Уменьшение энергии связи при нагревании позволяет молекулам перескакивать из одного положения равновесия в другое. В результате нарушается правильное расположение частиц, характерное для кристаллической решетки твердого тела. Происходит фазовый переход вещества из твердого состояния в жидкое. Молекулы в жидкости упакованы так же плотно, как и в твердом теле, так как плотность жидкости и твердого тела примерно одинакова. При упаковке частиц в жидкости, так же как и в твердых телах, упорядоченное расположение частиц наблюдается лишь в пределах двух-трех слоев.
Это означает, что при фазовом переходе происходит нарушение симметрии системы. Относительные положения молекул в жидкости не фиксированы. Под действием внешней силы жидкость течет, принимая форму сосуда и сохраняя свой объем .Текучесть жидкости объясняется тем, что перескоки молекул из одного положения равновесия в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), если температура выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. Все жидкости принято делить на смеси и чистые жидкости. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства.
Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости. Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Газ (газообразное состояние) – одно из четырех агрегатных состояний вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Так же термин «газ» можно определить как вещество, температура которого равна или превышает критическую точку, при такой температуре сжатие газа не приводит к образованию жидкости. В этом и заключается отличие газа от пара. При повышении давления насыщенный пар частично превращается в жидкость, газ нет. Вещество находится в газообразном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул превышает их среднюю потенциальную энергию.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Газы могут неограниченно расширяться в пространстве, так как силы притяжения между молекулами незначительны. Большая сжимаемость газов по сравнению со сжимаемостью жидкостей и твердых тел объясняется наличием большего межмолекулярного пространства.

При сжатии газа уменьшается среднее расстояние между его молекулами. Однако силы взаимного отталкивания молекул на этом расстоянии невелики и практически не препятствуют сжатию.

Плазма— частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является то что не смотря на наличие свободных зарядов, суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает ее заметно большее взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Плазма обычноразделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную,  равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной. Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние. В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K. В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K). Степень ионизации. Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Ионизация- процесс образования ионов из атомов. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце. Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма.

2.Физические свойства воды и её аномалии

Чтобы как можно лучше познакомиться с таким обычным для всех веществом как вода, раскрыть сущность этого вещества, значимость её физических свойств-я решил провести несколько опытов ,связанные со свойствами воды. Мы все привыкли воспринимать воду как должное, забывая, что это уникальный элемент, без которого не было бы жизни на нашей планете. Мало кто задумывается над удивительными свойствами воды, и это, пожалуй, понятно – ведь вода повсюду окружает нас, она очень обычна на нашей планете. Ну, а обычное никогда не кажется удивительным. Однако сама обыденность необычна. Ведь никакое другое вещество не встречается на Земле в таких количествах, да еще одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Каждый день мы используем воду для повседневных нужд и не задумываемся о том, как мало мы в действительности знаем о ней. Используя воду ежедневно для приготовления пищи, бытовых, сельскохозяйственных и технических целей, мы не задумываемся о ее роли в нашей жизни. Сколько тайн и загадок таит в себе такое близкое и знакомое понятие – вода? Вода обладает многими интересными свойствами, резко отличающими ее от всех других жидкостей. И если бы вода вела себя «как положено», то Земля стала бы просто неузнаваемой. Для воды, будто законы не писаны! Но, благодаря ее капризам, не могла бы родиться и развиваться жизнь.

Вода – это прозрачная жидкость без запаха, цвета, вкуса. Вода текуча. Легко меняет форму, трудно сжимается, сохраняет свой объем. Все тела при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются.Все, кроме воды.При температуре от 0 до + 4 °С вода при охлаждении расширяется, при нагревании сжима­ется.При+ 4 °С вода имеет наибольшую плотность, равную 1000 кг/м3. При более низкой и более высокойтемпературе плотность воды несколько меньше. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит свое­образно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока ее температура не снизится до +4 °С.

Благодаря этому под слоем льда, покрывающим водоем сверху, живут в воде рыбы и другие обитатели водоемов. Чтобы нагреть 1 г воды на 1 °С, ей необходимо отдать в 5, 10, 30 раз большее количество теплоты, чем 1 г любого дру­гого вещества, т. е. вода имеет очень большую удельную теп­лоемкость, равную 4200 Дж/(кг•°С). Вследствие этого вода является хорошим теплоно­сителем. Большая удельная теплоемкость воды определяет климат планеты. Вода нагревается значительно медленнее суши, забирая большое количество солнечного тепла. Полученное тепло она сохраняет дольше, чем воздух и земля, выполняя при этом терморегулирующую функцию. На этом свойстве воды основан и принцип обогрева жилых помещений при движении горячей воды по батареям отопительной системы.

Если бросить твердый кусочек свинца в жидкий свинец, и он потонет, так как он плотнее жидкого, как и подавляющее большинство других веществ. А вода? Твердая вода — лед — имеет плотность всего 900 кг/м3, поэтому льдины спокойно плы­вут по поверхности реки. Расширение воды при отвердевании вызывает разрушение горных пород. Затекая днем в трещины скал, вода ночью замерзает и отделяет куски породы.

В одном стакане находится лед при 0 °С, а в другом — та­кое же количество «ледяной» воды. Разница между ними по запасу внутренней энергии так же велика, как между водой при 0°С. и 80°С. Переход из твердого состояния в жидкое со­провождается у воды необыкновенно большим поглощением теплоты — 330 кДж/кг! Из распространенных метал­лов только алюминий превосходит воду по величине удель­ной теплоты плавления. Большое количество теплоты, кото­рое нужно отнять у воды при ее замерзании, объясняет тот факт, что во время снегопада обычно становится теплее, а во время весеннего ледохода у реки сравнительно прохладно. Вода переходит из твердого в жидкое состояние и наоборот (тает и замерзает) при одной и той же температуре 0°С.

Вода требует громадного количества теплоты для своего испарения. Вот почему там, где много воды, даже под паля­щими лучами солнца бывает не очень жарко. Испаряя неко­торое количество воды через поры кожи, организм человека имеет возможность поддерживать определенную температуру тела. Удельная теплота парообразования воды равна 2300 000 Дж/кг.Если бы удельная теплота парообразования воды была раз в десять меньше (например, как у жидкого азота или керосина), то один за другим высыхали бы мелкие водоемы, дождь испарял­ся бы зачастую еще в воздухе, а леса и луга вскоре преврати­лись бы в пустыню. Температура кипения воды +100°С, хотя и тут вода проявляет интереснейшие свойства: это правило соблюдается только при нормальном давлении ( которое составляет 760 мм рт. ст.), при понижении давления уменьшается и температура кипения воды (например, на высоте 2900 м над уровнем моря, где атмосферное давление составляет 525 мм рт. ст., точка кипения воды составляет 90°С.)

Вода – поразительная жидкость – у нее есть другая аномалия. Из всех жидкостей, кроме ртути,у воды самое большое поверхностное натяжение.

Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму: она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Например, существуют целые виды мелких насекомых и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лапок. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.В обычных сосудах вода принимает горизонтальную поверхность. Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – тоже следствие поверхностного натяжения. Молекулы жидкости взаимодействуют между собой и с молекулами сосуда. В зависимости от того, какая из этих сил больше будет наблюдаться, явление смачивания (вогнутая поверхность) или не смачивания (выпуклая форма). Благодаря капиллярным явлениям влага поднимается, и растения имеют возможность питаться. Вода – лучший растворитель. Свойства и строение воды во многом определяют различные особенности растворов. Вода нужна для нашего организма как растворитель питательных веществ, и как переносчик их, и как среда, в которой протекают различные процессы, связанные с нашей жизнедеятельностью. Нельзя забывать, что в истории нашей планеты вода имеет исключительное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля за многие сотни миллионов лет своего существования. Там, где есть жизнь, всегда есть вода. Жизнь без воды невозможна.

Огромное значение воды и важность проблем, связанных с ее загрязнением ни у кого не вызывает сомнений. Запасы пресной воды ограничены. Берегите себя. Берегите воду. Берегите нашу планету!

Аномалии воды — отклонения от нормальных свойств тел — до конца не выяснены и сегодня, но главная причина их известна: строение молекул воды. Атомы водорода присое­диняются к атому кислорода не симметрично с боков, а тя­готеют к одной стороне. Изучение воды продолжается.

3.Опыты

Опыт №1

Опыт №2

Опыт №3

Опыт №4

Опыт №5

Опыт №6

Опыт №7

Опыт №8

Вывод

В ходе исследования я расширил свои знания о воде. Провел собственные наблюдения.

Опытным путем доказано, что :

Вода-это жидкость, которая имеет свойства.

Вода существует в трех состояниях: твердое, жидкое, газообразное.

Свойства воды меняет свою структуру под влиянием разнообразных воздействий (мыслей, слов, музыки и т.д.)

Вода имеет свои уникальные и тонкие черты. Она бесцветна, без вкуса, без запаха, прозрачна, не имеет формы, текуча, обладает теплоемкостью и хороший растворитель. Туман, облака, роса, дождь, град, иней, снег, гололед, изморозь – все это вода в разных состояниях. Без нее не обходятся ни в одном уголке нашей планеты. Ее влияние поистине огромно. Люди должны сохранить присутствие воды в нашей жизни. Это и подводит нас к пониманию того, что вода — уникальное вещество, несущее информацию о Жизни.

Используемые источники:

1. Я.И. Перельман. Занимательная физика. Издательство АСТ. Москва. 2005

2. М.Н. Алексеева. Физика – юным. Теплота. Электричество. Книга для внеклассного чтения. 7 класс. Москва «Просвещение» 1980

3. Том Тит. Научные забавы. Интересные опыты, самоделки, развлечения. Издательский Дом Мещерякова. Москва. 2007

4. Л.А. Горев. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. Москва «Просвещение» 1985

5. А.В. Перышкин. Физика. 7 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. Москва. Дрофа. 2010

6. Использовался материал с сайта: Фестиваль «Открытый урок 2006/2007», урок-конференция «Вода, вода – кругом вода».

7. Большая книга экспериментов для школьников. Под редакцией АнтонеллыМейями; перевод с итальянского Э.И. Мотылевой. Москва. «РОСМЭН». 2006

Просмотров работы: 96

Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело; она прямо пропорциональна массе тела и квадрату его скорости. Потенциальной энергией обладают взаимодействующие между собой тела. Потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землёй, прямо пропорциональна его массе и расстоянию между
ним и поверхностью Земли.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется его полной механической энергией. Таким образом, полная механическая энергия зависит от скорости движения тела и от его положения относительно того тела, с которым оно взаимодействует.

Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу. При совершении работы энергия тела изменяется. Значение работы равно изменению энергии.

2. Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать воздух (рис. 67), то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман.

Это объясняется тем, что в воздухе, находящемся в банке, присутствует водяной пар, образующийся при испарении воды. Появление тумана означает, что пар превратился в воду, т.е. сконденсировался, а это может происходить при понижении температуры. Следовательно, температура воздуха в банке понизилась.

Причина этого следующая. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.

При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.

3. Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Кинетической энергией ​\( (E_к) \)​ молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией \( (E_п) \), поскольку они взаимодействуют.

Внутреннюю энергию обозначают буквой ​\( U \)​. Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж).

\[ U=E_к+E_п \]

4. Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию. Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела.

Внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его взаимодействия с другими телами. Так, внутренняя энергия мяча, лежащего на столе и на полу, одинакова, так же как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь сопротивлением его движению).

Об изменении внутренней энергии можно судить по значению совершённой работы. Кроме того, поскольку внутренняя энергия тела зависит от его температуры, то по изменению температуры тела можно судить об изменении его внутренней энергии.

5. Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Так, в описанном опыте внутренняя энергия воздуха и паров воды в банке уменьшалась при совершении ими работы по выталкиванию пробки. Температура воздуха и паров воды при этом понижалась, о чём свидетельствовало появление тумана.

Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.

Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.

Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды — повысится. В этом случае работа не совершается, однако внутренняя энергия горячей воды уменьшается, о чем и свидетельствует понижение её температуры.

Поскольку вначале температура горячей воды была выше температуры холодной воды, то и внутренняя энергия горячей воды больше. А это значит, что молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.

В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи.

Теплопередачей называется способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.

Содержание

  • ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
    • Часть 1
  • Ответы

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Внутренняя энергия газа в запаянном сосуде постоянного объёма определяется

1) хаотическим движением молекул газа
2) движением всего сосуда с газом
3) взаимодействием сосуда с газом и Земли
4) действием на сосуд с газом внешних сил

2. Внутренняя энергия тела зависит от

A) массы тела
Б) положения тела относительно поверхности Земли
B) скорости движения тела (при отсутствии трения)

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только Б и В

3. Внутренняя энергия тела не зависит от

A) температуры тела
Б) массы тела
B) положения тела относительно поверхности Земли

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) только В
4) только А и Б

4. Как изменяется внутренняя энергия тела при его нагревании?

1) увеличивается
2) уменьшается
3) у газов увеличивается, у твёрдых и жидких тел не изменяется
4) у газов не изменяется, у твёрдых и жидких тел увеличивается

5. Внутренняя энергия монеты увеличивается, если её

1) нагреть в горячей воде
2) опустить в воду такой же температуры
3) заставить двигаться с некоторой скоростью
4) поднять над поверхностью Земли

6. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится на полке, висящей на высоте 80 см относительно стола. Внутренняя энергия стакана с водой на столе равна

1) внутренней энергии воды на полке
2) больше внутренней энергии воды на полке
3) меньше внутренней энергии воды на полке
4) равна нулю

7. После того как горячую деталь опустят в холодную воду, внутренняя энергия

1) и детали, и воды будет увеличиваться
2) и детали, и воды будет уменьшаться
3) детали будет уменьшаться, а воды увеличиваться
4) детали будет увеличиваться, а воды уменьшаться

8. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится в самолете, летящем со скоростью 800 км/ч. Внутренняя энергия воды в самолёте

1) равна внутренней энергии воды в комнате
2) больше внутренней энергии воды в комнате
3) меньше внутренней энергии воды в комнате
4) равна нулю

9. После того как в чашку, стоящую на столе, налили горячую воду, внутренняя энергия

1) чашки и воды увеличилась
2) чашки и воды уменьшилась
3) чашки уменьшилась, а воды увеличилась
4) чашки увеличилась, а воды уменьшилась

10. Температуру тела можно повысить, если

А. Совершить над ним работу.
Б. Сообщить ему некоторое количество теплоты.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

11. Свинцовый шарик охлаждают в холодильнике. Как при этом меняются внутренняя энергия шарика, его масса и плотность вещества шарика? Для каждой физической величины определите соответствующий характер изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) внутренняя энергия
Б) масса
B) плотность

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

12. В бутыль, плотно закрытую пробкой, закачивают насосом воздух. В какой-то момент пробка вылетает из бутыли. Что при этом происходит с объёмом воздуха, его внутренней энергией и температурой? Для каждой физической величины определите характер её изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) объём
Б) внутренняя энергия
B) температура

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Ответы

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение →

← Тепловое движение атомов и молекул. Связь температуры вещества со скоростью хаотического движения частиц. Броуновское движение. Диффузия. Тепловое равновесие

термодинамика — Уменьшается ли кинетическая энергия отдельной молекулы воды (пара) при подъеме в атмосферу?

спросил

Изменено 4 месяца назад

Просмотрено 331 раз

$\begingroup$

Я пытаюсь объяснить это своему восьмикласснику. Но я, кажется, не понимаю этого полностью… Я постоянно застреваю из-за своих плохих знаний в термодинамике. Сначала я хотел бы задать связанный вопрос :

1) Я знаю, что энергия уменьшается при адиабатическом расширении. Это происходит потому, что молекул газа совершают работу над поршнем и толкают его вверх , увеличивая объем. Но что произойдет, если я подниму поршень вместо молекул газа ? (например, вытащу шприц) Будет ли это по-прежнему называться адиабатическим расширением? Я не добавляю тепло/материю в систему. Поэтому я думаю, что это все еще должен быть адиабатический процесс. Если это так, то энергия системы не должна уменьшаться, так как газ не совершал никакой работы. Я сделал работу. Что-то не так в моих рассуждениях?

2) Вот собственно вопрос: Уменьшается ли кинетическая энергия отдельной молекулы воды (пара) при подъеме в атмосферу? Или это просто средняя кинетическая энергия, которая уменьшается из-за низкой плотности на больших высотах? Также это среднее значение по пространству или по количеству молекул? Если среднее по пространству, то низкая плотность объясняет, почему средняя кинетическая энергия уменьшается. Если среднее значение превышает количество молекул, я не понимаю, почему средняя кинетическая энергия уменьшается… Буду признателен за любую помощь. Спасибо !

  • термодинамика
  • вода
  • наука об атмосфере
  • испарение

$\endgroup$

0

$\begingroup$

1) Да, это все еще адиабатический процесс, потому что теплота не передается, как вы сказали. Если вам удастся потянуть за стопор шприца достаточно быстро, чтобы молекулы газа не успевали за ним и оказывали на него давление, тогда да, вся работа выполняется вами, и внутренняя энергия системы не изменится. Однако в любом реалистичном сценарии газ будет поддерживать более или менее постоянное давление на ограничитель шприца, поэтому работа, выполняемая газом, будет равна силе, действующей на ограничитель шприца, умноженной на расстояние, на которое перемещается ограничитель шприца. Другими словами, вы делаете только часть работы.

2) Среднее значение по количеству молекул. Плотность тут ни при чем. Отдельные молекулы в среднем теряют кинетическую энергию при подъеме. Представьте себе только одну молекулу, движущуюся вверх: очевидно, она потеряет кинетическую энергию из-за гравитационного притяжения. Когда у нас есть группа молекул, эта потеря кинетической энергии из-за гравитации может быть уравновешена ударами других молекул под правильным углом, но в среднем кинетическая энергия одной молекулы будет уменьшаться.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Да, это градиент температуры приблизительно 9,8 мК/м, немного зависящий от содержания пара. Кинетическая энергия молекул преобразуется в потенциальную энергию в гравитационном поле.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

флюид статика — Почему вода обладает потенциальной энергией?

спросил

Изменено 2 года, 10 месяцев назад

Просмотрено 976 раз

$\begingroup$

Я изучал поверхностное натяжение и наткнулся на любопытное понятие поверхностной энергии. В моем учебнике по физике это определяется как потенциальная энергия молекул, которая помогает им оставаться на поверхности (и, таким образом, не проникать внутрь).

Однако у меня есть 2 вопроса о концепции поверхностной энергии. Во-первых, почему молекулы воды обладают потенциальной энергией, просто оставаясь на поверхности, я не вижу интуиции, почему у них может быть какая-либо потенциальная энергия (без учета гравитационной потенциальной энергии). Во-вторых, как эта энергия вообще взялась, во-первых, если я плюнул на землю и капли образовали сферы, откуда взялась эта энергия, из моего рта? Она не могла появиться из ниоткуда, поскольку это нарушило бы правило, что энергия не может быть создана или уничтожена.

  • потенциальная энергия
  • гидростатика
  • поверхностное натяжение

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Рассмотрим большой сосуд, наполненный чистой водой. Большой постоянный дипольный момент молекулы H$_2$O означает, что каждая молекула испытывает силу притяжения по отношению к своим соседям. Транспортировка молекулы из центра контейнера наружу требует энергии, потому что вам нужно совершить работу, чтобы преодолеть эти силы притяжения; назовем эту энергию $u$.

Если мы хотим высвободить все молекулы водорода в некотором малом объеме $V$, нам нужно обеспечить полную энергию, равную $$u_{tot} = Nu = nVu$$ где $N$ — общее число молекул в этом объеме, а $n$ — числовая плотность молекул в воде. Таким образом, можно сказать, что полная потенциальная энергия объема $V$ в глубине контейнера за счет сил притяжения равна $U = — nuV \equiv -\alpha V$, где $\alpha \equiv nu$ и знак минус исходит из того, что мы должны обеспечивают систему энергией , чтобы разделить молекулы.

Вместо того, чтобы рассматривать воду в середине сосуда, теперь представьте воду в виде капли (не обязательно сферической) с общим объемом $V$. Сколько общей потенциальной энергии он имеет? Наивно было бы просто сказать $U=-\alpha V$, но это было бы неправильно. Энергия, рассчитанная ранее, предполагала, что нам потребуется одинаковое количество энергии для освобождения каждой молекулы, но молекулы вблизи поверхности капли вытягиваются только с одной стороны. В результате для их освобождения требуется меньше энергии, а значит, полная потенциальная энергия нашей капли немного выше нашей оценки.

Насколько выше? В качестве грубой модели представьте, что наша предыдущая оценка верна, за исключением тонкого слоя толщиной $t$ у поверхности капли, и что в этом слое энергия, необходимая для удаления молекулы, уменьшается вдвое. Общее число молекул в этом слое равно $nAt$, где $A$ — площадь поверхности капли, поэтому наша скорректированная оценка потенциальной энергии капли равна

$$U = — \alpha V + \frac {nAtu}{2} = -\alpha V +\gamma A$$

, где $\gamma\equiv\frac{ntu}{2}$. Таким образом, потенциальная энергия капли имеет отрицательный вклад, пропорциональный ее объему, и положительный вклад, пропорциональный площади ее поверхности.

Капля примет форму, минимизирующую эту потенциальную энергию. При отсутствии дополнительных внешних воздействий это соответствует минимизации второго члена, так как вода и другие жидкости практически не меняют своего объема. Трехмерная форма, которая минимизирует площадь поверхности для данного объема, представляет собой сферу, поэтому капли жидкости имеют тенденцию быть приблизительно сферическими.

Если мы попытаемся увеличить эту площадь, мы увеличим потенциальную энергию: $$\Delta U = \gamma \Delta A$$ мы называем отношение $\frac{\Delta U}{\Delta A} = \gamma$ поверхностным натяжением .

Во-первых, почему молекулы воды обладают потенциальной энергией, просто оставаясь на поверхности

Молекула у поверхности имеет более высокую (т. е. менее отрицательную) энергию, чем молекула в центре, потому что требуется меньше работы, чтобы освободить ее от капли. Это соответствует эффективному внутреннему притяжению поверхности, поэтому утверждение, что поверхностное натяжение удерживает молекулы воды от проникновения внутрь капли, неверно.

Однако поверхностное натяжение не препятствует деформации поверхности (и, следовательно, увеличению ее площади). Объект, оказывающий достаточно небольшое давление, не сломает поверхность (представьте, что молекулы на поверхности держатся за руки в молекулярной версии красного вездехода), и в этом случае поверхностное натяжение эффективно удерживает объект.

как вообще появилась эта энергия

Потенциальная энергия капли в конечном счете обусловлена ​​силами притяжения между молекулами, которые существуют все время. Если вы выплюнете аморфную каплю в воздух, она превратится в сферу уменьшение его потенциальной энергии, соответствующее увеличению кинетической энергии молекул (в виде колебаний и тепла).

$\endgroup$

$\begingroup$

Ваш вопрос очень хороший вопрос, и я думаю, что у меня есть ответ (небольшая оговорка, я не узнал ответ на ваш вопрос — я объясняю, как я понимаю, это явление возникает).

Итак, первое, что нам нужно понять, это то, почему в первую очередь вода при комнатной температуре является жидкостью, а не газом. Когда вы охлаждаете систему от очень высокой температуры, вы на самом деле снижаете среднюю энергию молекул в ней. Все химические вещества в природе взаимодействуют через электрические и магнитные силы (даже ковалентные связи — это всего лишь квантовая механика с электрическим притяжением электронов и ядер). Некоторые связи слабые, а это означает, что вам не нужно много энергии, чтобы разорвать их и позволить каждому атому или молекуле расстаться, чтобы разойтись. \circ $ Кельвина! Молекулы воды, с другой стороны, более сильно взаимодействуют через водородные связи (которые все еще слабы по сравнению с другими материалами — обратите внимание, что почти все металлы являются твердыми телами при комнатной температуре), и поэтому они чаще всего встречаются в повседневной жизни в виде жидкости. .

«Хорошо, да, мы узнали кое-что из этого в школе, когда нас учили о фазах материи, но какое это имеет отношение к поверхностному натяжению?» вы, вероятно, спрашиваете себя. И как я понимаю, ответ «все».

Подумайте о молекуле воды на поверхности — она ​​чувствует притяжение со всех сторон с одной стороны поверхности (где есть вода) и ничего с другой стороны, то есть она чувствует притяжение внутрь. Таким образом, если бы поверхностные молекулы были втянуты внутрь, это означало бы, что работа выполнена. Если это так, вы можете приписать потенциальную энергию наличию молекул на поверхности (которая должна быть линейной с количеством молекул на поверхности), поэтому энергия поверхностного натяжения линейна с площадью самой поверхности.

Надеюсь, это ответ на ваш вопрос 🙂

$\endgroup$

$\begingroup$

Мне кажется, что ваш учебник физики дает очень плохое описание этого момента. На самом деле все, о чем вам нужно думать, это межмолекулярные силы. Каждая молекула воды тянет за собой другую. Вот и все. Нет особой потенциальной энергии. Просто молекулы притягиваются друг к другу. Но потенциальная энергия может быть полезным способом количественной оценки результата.

Представьте себе жидкость, например воду, состоящую из миллионов крошечных частиц материи. На самом деле мы можем также говорить о молекулах.

Предположим, у вас есть прежде всего вода с плоской поверхностью. Теперь создайте покачивания на поверхности (и игнорируйте гравитацию для этого — представьте, что эксперимент проводится в среде с низкой гравитацией). Сделайте это покачиванием таким образом, чтобы объем воды не изменился. Это означает, что вода имеет ту же плотность, что и раньше, и, следовательно, такое же среднее расстояние между молекулами. Таким образом, все межмолекулярные силы между соседними молекулами остаются прежними.

Но что-то изменилось: площадь поверхности. Это означает, что теперь на поверхности находится больше молекул, чем раньше.

Эти дополнительные молекулы на поверхности ранее находились в толще воды, окруженной водой. Теперь они на поверхности, с одной стороны вода, а с другой воздух (или какой-то другой газ). Таким образом, у них на 90 109 меньше связей с остальной водой на 90 110, чем раньше. По мере того как поверхность воды меняла форму, различные молекулярные пары должны были двигаться 90–109 раз. друг от друга, и энергии должно быть обеспечено, чтобы это произошло . Другими словами, для изменения формы поверхности на большую площадь требуется энергия! Это лежит в основе явления, называемого поверхностным натяжением. Это означает, что для того, чтобы найти конфигурацию с наименьшей энергией, поверхность оттягивается так, чтобы попытаться минимизировать свою площадь.

Вот двумерное изображение, иллюстрирующее идею: $$ \begin{массив}{cccccccccccccccc} . &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. &. \конец{массив} $$

Всего 64 точки. 36 на поверхности; 28 в массе. Теперь представьте линию, проведенную между каждой парой соседей, и для простоты просто обработайте горизонтальные и вертикальные соединения. Вы можете найти $16 \times 3 = 48$ вертикальных линий и $15 \times 4 = 60$ горизонтальных линий, что в сумме составляет $108$.

Теперь я нарисую такое же количество точек, но расположенных в форме с меньшим периметром: $$ \begin{массив}{cccccccc} . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \\ . &. &. &. &. &. &. &. \конец{массив} $$ У нас снова 64 точки, но теперь 28 на поверхности и 36 в массе. Количество вертикальных связей равно 8 $ \× 7 = 56$, а количество горизонтальных связей также равно 56, что в сумме составляет 112$. Это больше облигаций! Итак, если связи представляют собой силы притяжения, как здесь, то во второй конфигурации точки «сблизились» больше, хотя общий объем не изменился. (Чтобы согласиться с этим утверждением об объеме, не забывайте, что каждая точка представляет собой центр капли, а не математическую точку.)

Вы можете немного позабавиться, переставив эти точки немного дальше, чтобы еще немного увеличить общее количество связей.

К какой форме вы стремитесь?

Какую форму имеют капли воды в невесомости?

«Потенциальная энергия», упомянутая в вашей книге, представляет собой потенциальную энергию, связанную с раздвижением молекул, разрывом некоторых связей, при переходе от конфигурации с малой площадью поверхности к конфигурации с большей площадью поверхности в условиях фиксированной плотности. Это полезный способ выражения чистого результата. Но основная причина этого та, что я объяснил.

В случае любой капли воды вся содержащаяся в ней энергия обеспечивается источником этой капли воды вместе с силами и, возможно, теплообменом, действующими на нее со стороны окружающей среды. Таким образом, магии нет, и энергия сохраняется.

$\endgroup$

$\begingroup$

Молекулы воды на поверхности просто притягиваются молекулами внутри воды и ощущают чистое притяжение внутрь, потому что в результате возникает притяжение молекул внутри.

Притяжение в основном электростатическое по своей природе. Теперь предположим, что вам нужно отодвинуть 2 противоположных заряда, чтобы передать энергию в систему. Это потому, что потенциальная энергия системы до того, как вы вложите дополнительную энергию, отрицательна.

Точно так же молекулы воды, притягиваемые внутрь, являются причиной потенциальной энергии. Одни молекулы движутся внутрь, а другие снизу занимают их место, но притяжение все равно остается.

Теперь, когда вы выплевываете, бывает, что так же, как две противоположно заряженные системы пытаются минимизировать свою потенциальную энергию, сближаясь (тем самым изменяя исходную конфигурацию), так и когда вы выплевываете капли, они образуют шар, потому что получается, что шар имеет минимум потенциальной энергии. Причина снова в электростатическом притяжении.

$\endgroup$

$\begingroup$

«Я не понимаю, откуда у них потенциальная энергия»

У них есть электростатическая потенциальная энергия просто потому, что они находятся на расстоянии друг от друга. Имейте в виду, что заряженные частицы, находящиеся на расстоянии друг от друга, обладают потенциальной энергией (это энергия, которая преобразуется в кинетическую энергию, если частицам позволить свободно двигаться под влиянием электрических полей друг друга)

Таким образом, капля воды (которая представляет собой совокупность притягивающих молекул воды) также обладает потенциальной энергией.

Теперь, почему поверхность имеет более высокую потенциальную энергию, чем объем?

Итак, если вы рассматриваете молекулу на поверхности, результирующее электрическое поле в точке на поверхности (которое представляет собой векторную сумму электрических полей в этой точке, вызванных другими молекулами) указывает на объем.