الطاقة الداخلية للغاز: طرق تغيير الطاقة الداخلية. الطاقة الداخلية

موضوعات مبرمج امتحان الدولة الموحدة: الطاقة الداخلية، انتقال الحرارة، أنواع انتقال الحرارة.

تقوم جزيئات أي جسم - ذرات أو جزيئات - بحركة فوضوية مستمرة (ما يسمى الحركة الحرارية). ولذلك، فإن كل جسيم لديه بعض الطاقة الحركية.

بالإضافة إلى ذلك، تتفاعل جزيئات المادة مع بعضها البعض من خلال قوى الجذب والتنافر الكهربائية، وكذلك من خلال القوى النووية. لذلك، فإن نظام جزيئات الجسم بأكمله لديه أيضًا طاقة محتملة.

تشكل الطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات والطاقة الكامنة لتفاعلها معًا نوعًا جديدًا من الطاقة لا يختزل إلى الطاقة الميكانيكية للجسم (أي الطاقة الحركية لحركة الجسم ككل و الطاقة الكامنة لتفاعلها مع الهيئات الأخرى). ويسمى هذا النوع من الطاقة بالطاقة الداخلية.

الطاقة الداخلية للجسم هي إجمالي الطاقة الحركية للحركة الحرارية لجزيئاته بالإضافة إلى الطاقة الكامنة لتفاعلها مع بعضها البعض.

الطاقة الداخلية للنظام الديناميكي الحراري هي مجموع الطاقات الداخلية للأجسام الموجودة في النظام.

وهكذا تتشكل الطاقة الداخلية للجسم من خلال المصطلحات التالية.

1. الطاقة الحركية للحركة الفوضوية المستمرة لجزيئات الجسم.
2. الطاقة الكامنة للجزيئات (الذرات) الناتجة عن قوى التفاعل بين الجزيئات.
3. طاقة الإلكترونات في الذرات.
4. الطاقة النووية.

في حالة أبسط نموذج للمادة -الغاز المثالي- يمكن الحصول على صيغة واضحة للطاقة الداخلية.

الطاقة الداخلية للغاز المثالي أحادي الذرة

الطاقة الكامنة للتفاعل بين جزيئات الغاز المثالي هي صفر (تذكر أننا في نموذج الغاز المثالي نهمل تفاعل الجزيئات عن بعد). لذلك، يتم تقليل الطاقة الداخلية للغاز المثالي أحادي الذرة إلى إجمالي الطاقة الحركية للحركة الانتقالية (بالنسبة للغاز متعدد الذرات، يجب أيضًا مراعاة دوران الجزيئات واهتزازات الذرات داخل الجزيئات) لحركة ذراته. ويمكن الحصول على هذه الطاقة بضرب عدد ذرات الغاز في متوسط ​​الطاقة الحركية للذرة الواحدة:

نرى أن الطاقة الداخلية للغاز المثالي (الذي لم تتغير كتلته وتركيبه الكيميائي) هي دالة فقط لدرجة حرارته. في الغاز الحقيقي، السائل أو الصلب، ستعتمد الطاقة الداخلية أيضًا على الحجم - لأنه عندما يتغير الحجم، يتغير الترتيب النسبي للجزيئات، ونتيجة لذلك، تتغير الطاقة المحتملة لتفاعلها.

وظيفة الحالة

إن أهم خاصية للطاقة الداخلية هي أنها كذلك وظيفة الدولةالنظام الديناميكي الحراري. وهي أن الطاقة الداخلية يتم تحديدها بشكل فريد من خلال مجموعة من المعلمات العيانية التي تميز النظام، ولا تعتمد على "ما قبل التاريخ" للنظام، أي. حول الحالة التي كان عليها النظام من قبل وكيف انتهى به الأمر على وجه التحديد إلى هذه الحالة.

وهكذا، عندما ينتقل نظام ما من حالة إلى أخرى، فإن التغير في طاقته الداخلية يتحدد فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام و لا يعتمدمن طريق الانتقال من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية. إذا عاد النظام إلى حالته الأصلية، فإن التغير في طاقته الداخلية يساوي صفرًا.

تظهر التجربة أن هناك طريقتين فقط لتغيير الطاقة الداخلية للجسم:

أداء الأعمال الميكانيكية.
نقل الحرارة.

ببساطة، يمكنك تسخين غلاية فقط بطريقتين مختلفتين بشكل أساسي: فركها بشيء ما أو إشعال النار فيها :-) دعونا نفكر في هذه الطرق بمزيد من التفصيل.

التغير في الطاقة الداخلية : الشغل المنجز

إذا تم العمل زيادةالجسم، فتزداد الطاقة الداخلية للجسم.

على سبيل المثال، مسمار، بعد ضربه بمطرقة، يسخن ويتشوه قليلاً. لكن درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات في الجسم. يشير تسخين المسمار إلى زيادة الطاقة الحركية لجزيئاته: في الواقع، يتم تسريع الجسيمات بضربة مطرقة واحتكاك المسمار على اللوح.

التشوه ليس أكثر من إزاحة الجزيئات بالنسبة لبعضها البعض؛ بعد الاصطدام، يتعرض الظفر لتشوه انضغاطي، وتقترب جزيئاته من بعضها البعض، وتزداد قوى التنافر بينها، وهذا يؤدي إلى زيادة الطاقة الكامنة لجزيئات الظفر.

وبالتالي زادت الطاقة الداخلية للظفر. كان هذا نتيجة الشغل المبذول عليه - تم تنفيذ الشغل بواسطة المطرقة وقوة الاحتكاك المؤثرة على اللوح.

إذا تم إنجاز العمل أنفسناالجسم، فتقل الطاقة الداخلية للجسم.

لنفترض، على سبيل المثال، أن الهواء المضغوط الموجود في وعاء معزول حراريًا تحت مكبس يتمدد ويرفع حملًا معينًا، وبالتالي يؤدي شغلًا (تسمى العملية في وعاء معزول حراريًا ثابت الحرارة. سوف ندرس العملية الأديباتية من خلال النظر في القانون الأول للديناميكا الحرارية). خلال هذه العملية، سوف يبرد الهواء - حيث تضرب جزيئاته المكبس المتحرك، مما يمنحه جزءًا من طاقته الحركية. (بنفس الطريقة، يقوم لاعب كرة القدم، بإيقاف كرة تطير بسرعة بقدمه، ويقوم بحركة بها منالكرة وتخفض سرعتها.) وبالتالي تنخفض الطاقة الداخلية للهواء.

وبالتالي، فإن الهواء يعمل على حساب طاقته الداخلية: بما أن الوعاء معزول حراريًا، فلا يوجد تدفق للطاقة إلى الهواء من أي مصادر خارجية، ولا يمكن للهواء سوى سحب الطاقة للقيام بالعمل من احتياطياته الخاصة. .

التغير في الطاقة الداخلية: انتقال الحرارة

نقل الحرارة هو عملية نقل الطاقة الداخلية من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة، ولا يرتبط بأداء العمل الميكانيكي. يمكن أن يحدث انتقال الحرارة إما من خلال الاتصال المباشر بالأجسام، أو من خلال وسط وسيط (وحتى من خلال الفراغ). ويسمى أيضًا نقل الحرارة التبادل الحراري.

هناك ثلاثة أنواع من انتقال الحرارة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري.

الآن سوف ننظر إليهم بمزيد من التفصيل.

الموصلية الحرارية

إذا وضعت أحد طرفي قضيب حديدي في النار، فكما نعلم، لن تمسكه في يدك لفترة طويلة. بمجرد وصولها إلى منطقة ذات درجة حرارة عالية، تبدأ ذرات الحديد في الاهتزاز بشكل أكثر كثافة (أي أنها تكتسب طاقة حركية إضافية) وتسبب تأثيرات أقوى على جيرانها.

وتزداد أيضًا الطاقة الحركية للذرات المجاورة، والآن تنقل هذه الذرات طاقة حركية إضافية إلى جيرانها. لذلك، من قسم إلى آخر، تنتشر الحرارة تدريجياً على طول القضيب - من النهاية الموضوعة في النار إلى يدنا. هذه هي الموصلية الحرارية (الشكل 1) (صورة من موقع educationelectronicsusa.com).

أرز. 1. التوصيل الحراري

التوصيل الحراري هو نقل الطاقة الداخلية من المناطق الأكثر حرارة في الجسم إلى المناطق الأقل حرارة بسبب الحركة الحرارية وتفاعل جزيئات الجسم.

الموصلية الحرارية للمواد المختلفة مختلفة. تتمتع المعادن بموصلية حرارية عالية: أفضل الموصلات الحرارية هي الفضة والنحاس والذهب. الموصلية الحرارية للسوائل أقل بكثير. تقوم الغازات بتوصيل الحرارة بشكل سيء للغاية لدرجة أنها تعتبر عوازل حرارية: تتفاعل جزيئات الغاز مع بعضها البعض بشكل ضعيف بسبب المسافات الكبيرة بينها. ولهذا السبب، على سبيل المثال، النوافذ مصنوعة بإطارات مزدوجة: طبقة من الهواء تمنع الحرارة من الهروب).

ولذلك، فإن الأجسام المسامية مثل الطوب والصوف القطني أو الفراء تعتبر موصلات حرارية رديئة. تحتوي على الهواء في مسامها. ليس من قبيل الصدفة أن تعتبر المنازل المبنية من الطوب هي الأكثر دفئًا، وفي الطقس البارد يرتدي الناس معاطف وسترات من الفرو بطبقة من الزغب أو الحشو الاصطناعي.

ولكن إذا كان الهواء ينقل الحرارة بشكل سيء للغاية، فلماذا ترتفع درجة حرارة الغرفة من المبرد؟

يحدث هذا بسبب نوع آخر من نقل الحرارة - الحمل الحراري.

الحمل الحراري

الحمل الحراري هو نقل الطاقة الداخلية في السوائل أو الغازات نتيجة لتداول التدفقات وخلط المادة.

يسخن الهواء القريب من البطارية ويتوسع. تظل قوة الجاذبية المؤثرة على هذا الهواء كما هي، لكن قوة الطفو من الهواء المحيط تزداد، بحيث يبدأ الهواء الساخن بالطفو إلى السقف. ويحل محله الهواء البارد (تحدث نفس العملية باستمرار في الطبيعة، ولكن على نطاق أوسع بكثير: هكذا تنشأ الريح)، ويتكرر معها نفس الشيء.

ونتيجة لذلك، يتم إنشاء دوران الهواء، وهو بمثابة مثال على الحمل الحراري - يتم انتشار الحرارة في الغرفة عن طريق تيارات الهواء.

ويمكن ملاحظة عملية مماثلة تمامًا في السوائل. عند وضع غلاية أو وعاء من الماء على الموقد، يتم تسخين الماء في المقام الأول بسبب الحمل الحراري (مساهمة التوصيل الحراري للمياه ضئيلة للغاية).

تظهر تيارات الحمل الحراري في الهواء والسائل في الشكل. 2 (صور من موقعphysics.arizona.edu).

أرز. 2. الحمل الحراري

في المواد الصلبة، لا يوجد حمل حراري: قوى التفاعل بين الجزيئات كبيرة، وتتأرجح الجزيئات بالقرب من نقاط مكانية ثابتة (العقد البلورية)، ولا يمكن أن تتشكل أي تدفقات للمادة في مثل هذه الظروف.

لتدوير تيارات الحمل الحراري عند تسخين الغرفة، من الضروري أن يتم تسخين الهواء كان هناك مجال للظهور. إذا تم تثبيت المبرد تحت السقف، فلن يحدث أي تداول - سيبقى الهواء الدافئ تحت السقف. لهذا السبب يتم وضع أجهزة التدفئة تحتغرف. لنفس السبب تم وضع الغلاية علىالنار، ونتيجة لذلك ترتفع طبقات الماء الساخنة، وتفسح المجال لطبقات أكثر برودة.

على العكس من ذلك، يجب وضع مكيف الهواء على أعلى مستوى ممكن: ثم سيبدأ الهواء البارد في النزول، وسيحل محله الهواء الأكثر دفئًا. سوف تسير الدورة الدموية في الاتجاه المعاكس مقارنة بحركة التدفقات عند تسخين الغرفة.

الإشعاع الحراري

كيف تستقبل الأرض الطاقة من الشمس؟ يتم استبعاد التوصيل الحراري والحمل الحراري: يفصل بيننا 150 مليون كيلومتر من الفضاء الخالي من الهواء.

النوع الثالث من نقل الحرارة يعمل هنا - الإشعاع الحراري. يمكن للإشعاع أن ينتشر في المادة وفي الفراغ. كيف تنشأ؟

اتضح أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ولها خاصية واحدة رائعة. إذا تغير المجال الكهربائي مع مرور الوقت، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا، والذي، بشكل عام، يتغير أيضًا مع مرور الوقت (ستتم مناقشة هذا بمزيد من التفصيل في الورقة حول الحث الكهرومغناطيسي). بدوره، يولد المجال المغناطيسي المتناوب مجالًا كهربائيًا متناوبًا، والذي يولد مرة أخرى مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا، والذي يولد مرة أخرى مجالًا كهربائيًا متناوبًا...

ونتيجة لتطور هذه العملية، الموجة الكهرومغناطيسية- المجالات الكهربائية والمغناطيسية "مترابطة" مع بعضها البعض. مثل الصوت، تتمتع الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة انتشار وتردد - في هذه الحالة، هذا هو التردد الذي يتقلب به حجم واتجاه المجالات في الموجة. الضوء المرئي هو حالة خاصة من الموجات الكهرومغناطيسية.

سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ هائلة: كم/ث. لذلك، ينتقل الضوء من الأرض إلى القمر في ما يزيد قليلاً عن ثانية واحدة.

نطاق تردد الموجات الكهرومغناطيسية واسع جدًا. سنتحدث أكثر عن حجم الموجات الكهرومغناطيسية في النشرة المقابلة. هنا نلاحظ فقط أن الضوء المرئي هو نطاق صغير من هذا المقياس. وتحته ترددات الأشعة تحت الحمراء، وفوقه ترددات الأشعة فوق البنفسجية.

تذكر الآن أن الذرات، على الرغم من كونها محايدة كهربائيًا بشكل عام، إلا أنها تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. هذه الجسيمات المشحونة، التي تؤدي حركة فوضوية مع الذرات، تخلق مجالات كهربائية متناوبة وبالتالي تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية. وتسمى هذه الموجات الإشعاع الحراري- للتذكير بأن مصدرها هو الحركة الحرارية لجزيئات المادة.

مصدر الإشعاع الحراري هو أي جسم. في هذه الحالة، يحمل الإشعاع جزءًا من طاقته الداخلية. بعد أن تقابل ذرات جسم آخر، يقوم الإشعاع بتسريعها بمجاله الكهربائي المتذبذب، وتزداد الطاقة الداخلية لهذا الجسم. هكذا نستمتع بأشعة الشمس.

في درجات الحرارة العادية، تقع ترددات الإشعاع الحراري في نطاق الأشعة تحت الحمراء، لذلك لا تراه العين (لا نرى كيف "نتوهج"). عندما يسخن الجسم، تبدأ ذراته في إصدار موجات ذات ترددات أعلى. يمكن تسخين مسمار حديدي إلى درجة حرارة حمراء - حيث يصل إلى درجة حرارة يصل فيها إشعاعه الحراري إلى الجزء السفلي (الأحمر) من النطاق المرئي. وتظهر لنا الشمس باللون الأصفر والأبيض: درجة الحرارة على سطح الشمس مرتفعة جدًا بحيث يحتوي طيفها الإشعاعي على جميع ترددات الضوء المرئي، وحتى الأشعة فوق البنفسجية، التي بفضلها نسمر.

دعونا نلقي نظرة أخرى على الأنواع الثلاثة لنقل الحرارة (الشكل 3) (صور من beodom.com).

أرز. 3. ثلاثة أنواع من انتقال الحرارة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع

درجة الحرارة وقياسها.

[س]=ي. س=دو.

العمليات الحرارية.

ذوبان وتبلور.

ويمكن أن تكون المادة نفسها، في ظل ظروف معينة، في الحالات الصلبة والسائلة والغازية، وتسمى الحالات المجمعة.

يُسمى الانتقال من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة بالذوبان.يحدث الانصهار عند درجة حرارة تسمى نقطة الانصهار. تختلف درجات انصهار المواد لأن هيكلهم مختلف. نقطة الانصهار هي قيمة جدولية. أثناء عملية الذوبان، لا تتغير درجة الحرارة، لأن يتم إنفاق الحرارة الموردة على تدمير الشبكة البلورية للمادة الصلبة.

إن كمية الحرارة اللازمة لتحويل 1 كجم من المادة الصلبة عند درجة حرارة الانصهار إلى سائل عند نفس درجة الحرارة تسمى الحرارة النوعية للانصهار. [ل]=جول/كجم.

التبلور هو عملية انتقال المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. درجة انصهار المادة تساوي درجة حرارة تبلورها. كما هو الحال في عملية الذوبان، لا تتغير درجة الحرارة أثناء التبلور، وذلك لأن أثناء التبلور، يتم إطلاق الحرارة التي تم إنفاقها في ذوبان الجسم. يحافظ على ثبات درجة حرارة الجسم المتبلور. وفقا لقانون الحفاظ على الطاقة، عند حساب كمية الحرارة المنبعثة أثناء التبلور، يتم استخدام نفس الصيغة كما هو الحال أثناء الذوبان. لإظهار اتجاه انتقال الحرارة، يتم إدخال علامة ناقص فيه.

التبخر والتكثيف.

التبخر هو عملية انتقال المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. تنجذب جزيئات السائل إلى بعضها البعض، لذا فإن أسرع الجزيئات ذات الطاقة الحركية العالية فقط هي التي يمكنها الطيران خارج السائل. إذا لم يكن هناك تدفق للحرارة، تنخفض درجة حرارة السائل المتبخر. ويعتمد معدل التبخر على درجة حرارة السائل ومساحة سطحه ونوع السائل ووجود الرياح فوق سطحه.

التكثيف هو تحويل السائل إلى بخار. في وعاء مفتوح، معدل التبخر يتجاوز معدل التكثيف. في الوعاء المغلق، تكون معدلات التبخر والتكثيف متساوية.

عندما يتم تسخين السائل، يبدأ إطلاق الهواء المذاب في السائل في قاع الوعاء وجدرانه. يتبخر السائل داخل هذه الفقاعات. تحت تأثير قوة أرخميدس، تنفصل الفقاعات عن جدران الوعاء وتطفو. يدخلون السائل الذي لا يزال غير مسخن، ويتكثف البخار. الفقاعات تنهار. في نفس الوقت يتم سماع ضجيج مميز.

عندما يسخن السائل، يتوقف تكثيف البخار في الفقاعات. ويزداد حجم فقاعة البخار بسبب التبخر المستمر، وتصل إلى سطح السائل، وتنفجر، وتطلق البخار الذي يحتوي عليه إلى الغلاف الجوي. السائل يغلي. الغليان هو تكوين بخار يحدث في كامل حجم السائل . ويحدث الغليان عند درجة حرارة تسمى نقطة الغليان، والتي تعتمد على نوع السائل والضغط فوق سطحه. ومع انخفاض الضغط الخارجي، تنخفض درجة غليان السائل. أثناء عملية الغليان، تظل درجة حرارة السائل ثابتة بسبب يتم إنفاق الطاقة الموردة على التغلب على الجذب المتبادل للجزيئات السائلة.

تسمى كمية الحرارة اللازمة لتحويل 1 كجم من السائل إلى بخار بنفس درجة الحرارة بالحرارة النوعية لتكوين البخار.

[L] = جول/كجم. تختلف الحرارة النوعية للتبخير باختلاف السوائل وقيمتها العددية هي قيمة جدولية. لحساب كمية الحرارة اللازمة لتبخير سائل ما، يجب ضرب الحرارة النوعية لتبخير هذا السائل في كتلة السائل المتبخر.

عندما يتكثف البخار، يتم إطلاق نفس كمية الحرارة التي تم إنفاقها على تبخره. يحدث التكثيف المكثف للبخار عند درجة حرارة تكثيف تساوي نقطة الغليان.

احتراق الوقود. الحرارة النوعية لاحتراق الوقود - كمية الحرارة المنبعثة عند الاحتراق الكامل لـ 1 كجم من الوقود . [ف]=ي/كجم. مثل جميع القيم المحددة الأخرى، فإن الحرارة النوعية لاحتراق الوقود هي قيمة جدولية. لحساب كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل للوقود، يجب ضرب الحرارة النوعية لاحتراق الوقود في كتلة الوقود.

احتراق الوقود هو عملية لا رجعة فيها، أي. فهو يتدفق في اتجاه واحد فقط.

قانون كولوم.

الشحنة النقطية هي شحنة موجودة على جسم يمكن إهمال حجمه وشكله في ظل ظروف معينة. تم العثور على قانون تفاعل الشحنات النقطية الثابتة تجريبيًا باستخدام موازين الالتواء بواسطة سي. كولومب في عام 1785.

ميزان الالتواء عبارة عن شعاع عازل للضوء مزود بكرات موصلة صغيرة متصلة بأطرافه، إحداها لا تشارك في التجربة، ولكنها تعمل فقط كثقل موازن. يتم تعليق الروك على خيط مرن رفيع. يتم إسقاط كرة ثالثة مشحونة بالمثل من خلال غطاء الجهاز. تنجذب إحدى الكرات المتأرجحة إلى الكرة المدخلة. وفي هذه الحالة تقسم الشحنة بينهما إلى نصفين، أي. الكرات سيكون لها شحنات بنفس الاسم ومتساوية في الحجم. الكرات سوف تتنافر مع بعضها البعض. يتم قياس قوة التفاعل بين الكرات بزاوية تطور الخيط. يمكن تغيير كمية الشحن عن طريق إزالة الكرة الثالثة من الجهاز وإزالة الشحنة منه. وبعد إدخالها في الجهاز وفصل الشحنات من جديد سيبقى نصف الشحنة الأصلية على الكرات. ومن خلال تغيير حجم الشحنات والمسافات بينها، أثبت كولومب ذلك قوة التفاعل بين رسوم النقاط تتناسب طرديًا مع وحدات الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما . الشحنات النقطية هي تلك الموجودة على الأجسام التي يمكن إهمال حجمها وشكلها في هذه الحالة بالذات.

F ~ q 1 , F~q 2 , F~1/r 2 Þ F~½q 1 ½½q 2 ½/r 2 .

وبالإضافة إلى ذلك، فقد وجد أن قوة التفاعل بين الشحنات في الفراغ أكبر منها في أي وسط عازل. الكمية التي توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة التفاعل بين الشحنات في الفراغ أكبر منها في وسط معين تسمى ثابت العزل الكهربائي للوسط. ثابت العزل الكهربائي للوسط هو قيمة جدولية.

ه = F في /F. [ه] = 1.

لقد ثبت تجريبيًا أن معامل التناسب في قانون كولوم k = 9 * 1O 9 Nm 2 / C 2 هو القوة التي تتفاعل بها شحنتان نقطيتان كل منهما 1 C في الفراغ على مسافة 1 متر.

و = ك |ف 1 | |q 2 |/ er 2 .

قانون كولومب صالح أيضًا للكرات المشحونة. في هذه الحالة، يُفهم r على أنه المسافة بين مراكزهم.

قانون أوم لقسم الدائرة.

تؤدي زيادة فرق الجهد عند طرفي الموصل إلى زيادة شدة التيار فيه. أثبت أوم تجريبيًا أن شدة التيار في الموصل تتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبره.

عندما يتم توصيل مستهلكين مختلفين بنفس الدائرة الكهربائية، فإن قوة التيار لديهم مختلفة. وهذا يعني أن المستهلكين المختلفين يعيقون مرور التيار الكهربائي من خلالهم بطرق مختلفة. كمية فيزيائية تميز قدرة الموصل على منع مرور التيار الكهربي من خلاله تسمى المقاومة الكهربائية . مقاومة موصل معين هي قيمة ثابتة عند درجة حرارة ثابتة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد مقاومة المعادن، وتقل مقاومة السوائل. [ص] = أوم. 1 أوم هي مقاومة الموصل الذي يتدفق من خلاله تيار قدره 1 أمبير مع فرق جهد قدره 1 فولت عند طرفيه. غالبا ما تستخدم الموصلات المعدنية. الناقلات الحالية فيها هي إلكترونات حرة. عند التحرك على طول الموصل، فإنها تتفاعل مع الأيونات الموجبة للشبكة البلورية، مما يمنحها جزءًا من طاقتها وتفقد السرعة. للحصول على المقاومة المطلوبة استخدم مجلة المقاومة. مخزن المقاومة عبارة عن مجموعة من الأسلاك الحلزونية ذات مقاومات معروفة يمكن تضمينها في الدائرة بالتركيبة المطلوبة.

أوم أثبتت ذلك تجريبيا تتناسب القوة الحالية في قسم متجانس من الدائرة بشكل مباشر مع الفرق المحتمل في نهايات هذا القسم وتتناسب عكسيًا مع مقاومة هذا القسم.

القسم المتجانس من الدائرة هو القسم الذي لا توجد فيه مصادر تيار. هذا هو قانون أوم لقسم متجانس من الدائرة - أساس جميع الحسابات الكهربائية.

بما في ذلك الموصلات بأطوال مختلفة، ومقاطع عرضية مختلفة، مصنوعة من مواد مختلفة، تم العثور على: إن مقاومة الموصل تتناسب طرديًا مع طول الموصل وتتناسب عكسيًا مع مساحة مقطعه. مقاومة مكعب طول ضلعه متر واحد، مصنوع من مادة ما، إذا سار التيار بشكل متعامد على وجهيه المقابلين، تسمى المقاومة النوعية لهذه المادة . [r] = أوم م غالبا ما تستخدم وحدة مقاومة غير نظامية - مقاومة موصل بمساحة مقطعية 1 مم 2 وطول 1 م [r] = أوم مم 2 /. م.

المقاومة المحددة للمادة هي قيمة جدولية. تتناسب مقاومة الموصل طرديا مع مقاومته.

يعتمد عمل المتغير المنزلق والخطوة على اعتماد مقاومة الموصل على طوله. إن المتغير المتغير المنزلق عبارة عن أسطوانة سيراميكية ملفوفة بسلك من النيكل حولها. يتم توصيل المتغير المتغير بالدائرة باستخدام شريط التمرير، والذي يتضمن طول ملف أكبر أو أصغر في الدائرة. السلك مغطى بطبقة من القشور التي تعزل المنعطفات عن بعضها البعض.

أ) الاتصال التسلسلي والمتوازي للمستهلكين.

في كثير من الأحيان يتم تضمين العديد من المستهلكين الحاليين في الدائرة الكهربائية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه ليس من المنطقي أن يكون لكل مستهلك مصدره الحالي الخاص به. هناك طريقتان لتوصيل المستهلكين: التسلسلي والمتوازي، ومجموعاتهم في شكل اتصال مختلط.

أ) الاتصال التسلسلي للمستهلكين.

من خلال الاتصال المتسلسل، يشكل المستهلكون سلسلة مستمرة يتصل فيها المستهلكون واحدًا تلو الآخر. مع اتصال سلسلة، لا توجد فروع لتوصيل الأسلاك. من أجل البساطة، فكر في دائرة مكونة من مستهلكين متصلين بالسلسلة. الشحنة الكهربائية التي تمر عبر أحد المستهلكين سوف تمر أيضًا عبر المستهلك الثاني، لأن في الموصل الذي يربط المستهلكين لا يمكن أن يكون هناك اختفاء أو ظهور أو تراكم الرسوم. ف=ف 1 =ف 2 . وبقسمة المعادلة الناتجة على زمن مرور التيار خلال الدائرة، نحصل على علاقة بين التيار المتدفق خلال كامل الوصلة والتيارات المتدفقة عبر أقسامها.

ومن الواضح أن الشغل على تحريك شحنة موجبة واحدة في جميع أنحاء المركب يتكون من الشغل على تحريك هذه الشحنة عبر جميع أقسامه. أولئك. الخامس=الخامس 1 +الخامس 2 (2).

إن إجمالي فرق الجهد عبر المستهلكين المتصلين بالسلسلة يساوي مجموع الفروق المحتملة بين المستهلكين.

نقسم طرفي المعادلة (2) على التيار في الدائرة، فنحصل على: U/I=V 1 /I+V 2 /I. أولئك. مقاومة القسم المتصل بالسلسلة بأكملها تساوي مجموع مقاومات الفولتية لمكوناته.

ب) الاتصال الموازي للمستهلكين.

هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتمكين المستهلكين. وبهذا الارتباط، يرتبط جميع المستهلكين بنقطتين مشتركتين بين جميع المستهلكين.

عند المرور عبر اتصال متوازي، تنقسم الشحنة الكهربائية المتدفقة عبر الدائرة إلى عدة أجزاء، وتذهب إلى المستهلكين الأفراد. حسب قانون حفظ الشحنة q=q 1 +q 2. بقسمة هذه المعادلة على زمن مرور الشحنة، نحصل على علاقة بين إجمالي التيار المتدفق عبر الدائرة والتيارات المتدفقة عبر المستهلكين الأفراد.

وفقًا لتعريف فرق الجهد V=V 1 =V 2 (2).

وفقاً لقانون أوم لقسم من الدائرة، نستبدل شدة التيار في المعادلة (1) بنسبة فرق الجهد إلى المقاومة. نحصل على: V/R=V/R 1 +V/R 2. بعد التخفيض: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,

أولئك. مقلوب مقاومة التوصيل الموازي يساوي مجموع مقلوبات مقاومات فروعه الفردية.

قواعد كيرشوف.

تُستخدم قواعد كيرشوف لحساب الدوائر الكهربائية المتفرعة.

تسمى النقطة في الدائرة التي تتقاطع فيها ثلاثة موصلات أو أكثر بالعقدة. وفقًا لقانون حفظ الشحنة، فإن مجموع التيارات التي تدخل العقدة وتخرج منها يساوي صفرًا. أنا = O. (قاعدة كيرشوف الأولى). المجموع الجبري للتيارات المارة عبر العقدة يساوي الصفر.

يعتبر التيار الذي يدخل العقدة موجبًا، ويترك العقدة سالبًا. يمكن اختيار اتجاهات التيارات في أقسام الدائرة بشكل تعسفي.

ومن المعادلة (2) ينتج ذلك عند تجاوز أي حلقة مغلقة، فإن المجموع الجبري لانخفاض الجهد يساوي المجموع الجبري للمجالات الكهرومغناطيسية في هذه الدائرة - (قاعدة كيرشوف الثانية).

يتم اختيار اتجاه اجتياز الكفاف بشكل تعسفي. يعتبر الجهد في أحد أقسام الدائرة موجباً إذا تزامن اتجاه التيار في هذا القسم مع اتجاه تجاوز الدائرة. يعتبر المجال الكهرومغناطيسي موجبًا إذا مر المصدر من القطب السالب إلى القطب الموجب عند التجول في الدائرة.

إذا كانت السلسلة تحتوي على عقد m، فيمكن تكوين معادلات m - 1 باستخدام القاعدة الأولى. يجب أن تتضمن كل معادلة جديدة عنصرًا جديدًا واحدًا على الأقل. يجب أن يتطابق العدد الإجمالي للمعادلات التي تم تجميعها وفقًا لقواعد كيرشوف مع عدد الأقسام بين العقد، أي. مع عدد التيارات.

مغناطيس دائم.

إن تقوية المجال المغناطيسي للملف اللولبي عند إدخال نواة حديدية فيه يرجع إلى حقيقة أن الحديد الموجود في المجال المغناطيسي ممغنط وأن مجاله المغناطيسي المتراكب على المجال المغناطيسي للملف يقويه. الحديد مادة مغناطيسية للغاية، والتي تشمل أيضًا النيكل والكوبالت والجادولينيوم ومركباتها. تظل مغنطة القلب الحديدي حتى بعد إزالته من الملف. يسمى الجسم الذي يحتفظ بخصائص مغناطيسية بالمغناطيس الدائم. كل مغناطيس دائم له قطبين - الشمال والجنوب. هذه هي الأماكن على المغناطيس حيث يكون المجال المغناطيسي أكبر. كما تتنافر أقطاب المغناطيس، تتجاذب الأقطاب المعاكسة. يمكن بسهولة فحص التكوين الميداني للمغناطيس الدائم باستخدام برادة الحديد.

تم بالفعل استخدام قطع الحديد أو خام الحديد الممغنطة بشكل طبيعي في الصين القديمة للتوجيه على الأرض، والتي تعد في حد ذاتها مغناطيسًا دائمًا ضخمًا. يقع القطب المغناطيسي الجنوبي للأرض في منطقة القطب الجغرافي الشمالي، لكنه لا يتطابق معه، القطب المغناطيسي الشمالي يقع في منطقة القطب الجغرافي الجنوبي. موضع الأقطاب المغناطيسية ليس ثابتًا. بالإضافة إلى ذلك، يشير تحليل الصخور الرسوبية للأرض إلى أن المجال المغناطيسي للأرض قد تغير قطبيته بشكل متكرر. يلعب المجال المغناطيسي للأرض دورًا كبيرًا في جميع أشكال الحياة عليها، وذلك لأن... فهو يحمينا من تدفق الجزيئات السريعة المتجهة إلى الأرض من الفضاء الخارجي، ومعظمها من الشمس. عندما يتغير هذا التدفق، يتم ملاحظة العواصف المغناطيسية على الأرض - وهي تغيرات قصيرة المدى في المجال المغناطيسي للأرض، مما يتسبب في تعطيل الاتصالات الراديوية والانحرافات في موضع الإبر المغناطيسية.

المجال المغناطيسي للتيار.

في عام 182O، اكتشف أورستد أن إبرة مغناطيسية موجودة بجوار موصل يمر من خلاله تيار كهربائي تدور بحيث يتطابق محورها مع مماس الدائرة التي تحيط بهذا الموصل.

وفي نفس العام اكتشف أمبير تفاعل الموصلات مع التيار ووجد القانون الذي يخضع له هذا التفاعل. يمكن تفسير عمل موصل يحمل تيارًا على إبرة مغناطيسية وتفاعل الموصلات الحاملة للتيار من خلال حقيقة أن الموصل الحامل للتيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط به، والذي يتم اكتشافه بواسطة إبرة مغناطيسية أو موصل آخر يحمل التيار.

المجال المغناطيسي هو نوع خاص من المادة ينشأ عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيار) ويتم اكتشافه من خلال تأثيره على الشحنات الكهربائية المتحركة (التيار). ينتشر المجال المغناطيسي عبر الفضاء بسرعة الضوء. ويتناقص مع زيادة المسافة من التيار الذي ينشئه. المجال المغناطيسي لديه طاقة.

لدراسة المجالات المغناطيسية، يتم استخدام إبر مغناطيسية صغيرة، وبمساعدتها تم العثور على طريقة ملائمة لتمثيل المجالات المغناطيسية بيانياً باستخدام الخطوط المغناطيسية. الخط المغناطيسي هو الخط الذي تقع على طوله محاور الإبر المغناطيسية الصغيرة في المجال المغناطيسي. يمكن تحديد مظهر الخطوط المغناطيسية بسهولة باستخدام برادة حديدية صغيرة يتم رشها على الورق المقوى وإدخالها في مجال مغناطيسي. في هذه الحالة، يتم ترتيب نشارة الخشب الممغنطة في الحقل في سلاسل على طول الخطوط المغناطيسية. يعتبر اتجاه هذه الخطوط هو الاتجاه الذي يشير إليه القطب الشمالي للإبرة المغناطيسية.

الخطوط المغناطيسية للموصل المستقيم الذي يحمل التيار هي دوائر، مركزها الموصل الذي يحمل التيار. يتم تحديد اتجاه الخطوط من خلال قاعدة المثقاب: إذا كانت الحركة الانتقالية للمثقاب (المسمار الأيمن) تتزامن مع اتجاه التيار في الموصل، فإن اتجاه الحركة الدورانية لمقبض المثقاب يتزامن مع اتجاه الخطوط المغناطيسية.

الخطوط المغناطيسية للملف الحامل للتيار (الملف اللولبي) هي منحنيات مغلقة تغطي لفات الملف. يمكن تحديد اتجاه هذه الخطوط بسهولة من خلال القاعدة التالية: إذا أخذت الملف بيدك اليمنى بحيث يتم توجيه الأصابع المنحنية على طول التيار الموجود فيه، فإن الإبهام المنحني سيُظهر اتجاه الخطوط المغناطيسية على طول محور الملف.

الملف الحامل للتيار هو مغناطيس كهربائي يشبه شريط المغناطيس الدائم. يزداد المجال المغناطيسي للملف بزيادة عدد لفاته والتيار المار فيه. لتعزيز المجال المغناطيسي، يتم إدخال قلب حديدي في الملف. المكان الذي تخرج منه الخطوط المغناطيسية من الملف هو القطب الشمالي للمغناطيس الكهربائي، ومكان دخولها هو القطب الجنوبي.

تُستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع في التكنولوجيا سواء لنقل الأجزاء الحديدية الثقيلة أو خردة الحديد أو في العديد من الأجهزة الهندسية الكهربائية والراديو.

يؤثر المجال المغناطيسي ببعض القوة على موصل يحمل تيارًا موجودًا فيه. تسمى هذه القوة بقوة أمبير وتعتمد بشكل مباشر على طول الموصل وقوة التيار فيه. ويعتمد أيضًا على حجم المجال وموقع الموصل. يتم تحديد اتجاه قوة الأمبير من خلال قاعدة اليد اليسرى: إذا تم وضع اليد اليسرى في مجال مغناطيسي بحيث تدخل الخطوط المغناطيسية إلى راحة اليد، وتظهر أربعة أصابع ممتدة اتجاه التيار، فسيظهر الإبهام المثني اتجاه القوة.

يستخدم تأثير المجال المغناطيسي على الموصل الحامل للتيار في المحركات الكهربائية. يتكون المحرك الكهربائي الذي يعمل بالتيار المستمر من جزء ثابت - الجزء الثابت وجزء متحرك - الدوار. يتم وضع ملف في فتحات الجزء الثابت، مما يؤدي إلى إنشاء مجال مغناطيسي. الدوار عبارة عن ملف متعدد المنعطفات يتم توفير التيار له باستخدام جهات اتصال منزلقة - فرش. لزيادة المجال المغناطيسي، يتم تصنيع الجزء الدوار والجزء الثابت من صفائح فولاذية محولة، معزولة عن بعضها البعض. يتم تشغيل الدوار بواسطة قوة أمبير. للحفاظ على دوران ثابت، يتغير اتجاه التيار في ملف الدوار بشكل دوري بمساعدة عاكس التيار، والذي في أبسط الحالات عبارة عن حلقتين نصفيتين متصلتين بالفرش. عندما يتحرك الدوار، تتحرك الفرشاة من نصف حلقة إلى أخرى، مما يغير اتجاه التيار في ملف الدوار. وهذا يمنحها الفرصة للدوران نصف دورة أخرى عندما يتغير اتجاه التيار مرة أخرى.

لأن كفاءة المحركات الكهربائية (تصل إلى 98%) أكبر بكثير من كفاءة المحركات الحرارية، لذلك تستخدم المحركات الكهربائية على نطاق واسع في وسائل النقل والمصانع وغيرها. المحركات الكهربائية مدمجة ولا تلوث البيئة ويسهل التحكم فيها.

الأدوات البصرية.

آلة تصوير.

تتكون الكاميرا من جزأين رئيسيين: كاميرا مقاومة للضوء وعدسة. في أبسط الحالات، يمكن للعدسة المجمعة أن تكون بمثابة عدسة. ولكي تكون الصورة ذات جودة عالية في كامل مجال الصورة الفوتوغرافية، فإن عدسات الكاميرات الحديثة عبارة عن نظام معقد من العدسات، يلعب بشكل عام دور العدسة المجمعة. تنتج عدسة الكاميرا، على فيلم فوتوغرافي مطلي بطبقة حساسة للضوء، صورة حقيقية ومعكوسة، وكقاعدة عامة، مخفضة للكائن الذي يتم تصويره. تستخدم الكاميرا صيغة عدسة رقيقة. للحصول على صورة واضحة (حادة) لجسم ما، يتم جعل عدسة الكاميرا متحركة. ومن خلال تحريك العدسة، يتم تحقيق درجة وضوح الصورة المطلوبة. يمكن أن تكون الكائنات التي يتم تصويرها على مسافات مختلفة من الكاميرا في نفس الوقت. يتم تحقيق عمق المجال من خلال السماح لنافذة العدسة بحجب الفتحة جزئيًا. كلما كانت نافذة العدسة أصغر، كلما كانت الكائنات الموجودة على مسافات مختلفة من الكاميرا أكثر وضوحًا في الصورة.

عند التقاط صورة فوتوغرافية، تفتح عدسة الكاميرا تلقائيًا لفترة قصيرة من الوقت، تسمى وقت التعرض. لجعل الصورة مرئية، يتم تطوير الفيلم في محلول خاص وثابت. تسمى الصورة الناتجة سلبية لأنها ويلاحظ عليه انتقال الضوء العكسي. تلك الأجزاء من الفيلم التي يسقط عليها المزيد من الضوء تكون أكثر قتامة والعكس صحيح. للحصول على بطاقة صور فوتوغرافية (إيجابية)، يتم عرض الصورة الناتجة على ورق الصور الفوتوغرافية باستخدام أداة تكبير الصور. ثم يتم تطوير الورقة ومعالجتها.

يمكن للكاميرات الحديثة إنتاج صور ملونة وحتى ثلاثية الأبعاد. تنتج بعض الأجهزة على الفور صورة جاهزة. أصبح تطور التصوير الفوتوغرافي سينما.

يستخدم التصوير الفوتوغرافي على نطاق واسع للأغراض العلمية، والتكنولوجيا، والطب الشرعي، وما إلى ذلك. يمكن أن تجعلنا شهودا على الأحداث التاريخية. التصوير الفوتوغرافي الفني منتشر على نطاق واسع.

جهاز الإسقاط.

يستخدم جهاز العرض للحصول على صورة حقيقية مكبرة ومعكوسة للأجسام التي تظهر على الشاشة. إذا تم الحصول على الصورة في الضوء المنقول (الصورة والفيلم، صورة على الزجاج)، فإن الجهاز يسمى Diascope، في الضوء المنعكس - Episcope. غالبًا ما يتم استخدام مزيج من هذه الأجهزة - منظار الوبائي. يتكون الديسكوب من مصدر ضوء ومكثف وعدسة موضوعية. ولزيادة إضاءة الشاشة، غالبًا ما يتم وضع مرآة أو أكثر خلف مصدر الضوء. يقوم المكثف (عدستين مسطحتين محدبتين) بتوجيه الضوء المتباعد من المصدر إلى العدسة. أبسط عدسة يمكن أن تكون عدسة متقاربة. يتم وضع الجسم الذي يجب الحصول على صورته على الشاشة بين المكثف والعدسة. يتم تحقيق وضوح الصورة عن طريق تحريك العدسة.

تعد مكبرات الصور ومناظير الأفلام وكاميرات الأفلام وأجهزة العرض العلوية من أجهزة العرض.

عين. نظارات.

هيكل العين يشبه الكاميرا. وتتكون من: الصلبة - الجزء الخارجي من العين الذي يحمي العين من الأضرار الميكانيكية؛ القرنية - الجزء الأمامي الشفاف من الصلبة. القزحية مع وجود ثقب بقطر متغير - التلميذ؛ عدسة - عدسة ثنائية التحدب؛ الفكاهة الزجاجية التي تملأ حجم العين. شبكية العين - النهايات العصبية التي تنقل المعلومات إلى الدماغ. تمتلئ المسافة بين القرنية والعدسة بسائل مائي، والذي يؤدي بشكل رئيسي إلى انكسار الضوء. تعمل العين على تركيبة عدسة رقيقة. لأن يمكن وضع الأشياء على مسافات مختلفة من العين، ثم للحصول على صورة واضحة، يمكن أن يتغير انحناء العدسة بمساعدة عضلات العين. تسمى قدرة العين على إعطاء صورة واضحة للأشياء الموجودة على مسافات مختلفة منها بالسكن. المسافة التي تسمح فيها العين برؤية التفاصيل الصغيرة للأشياء دون إجهاد كبير تسمى مسافة الرؤية الأفضل. وللعين السليمة تساوي 25 سم والحد القريب للسكن هو حوالي 12 سم ويتم تحديد عمق المجال حسب مساحة البؤبؤ. تتكون شبكية العين من قضبان تنتج صورًا بالأبيض والأسود، ومخاريط تنتج صورًا ملونة. الصورة على شبكية العين حقيقية، مختزلة، معكوسة. يتم توفير رؤية ثلاثية الأبعاد من خلال عينين.

إذا كانت الصورة التي أنشأتها العين تقع أمام الشبكية، فإن العين تسمى قصر النظر. عند النظر إلى شيء ما، فإن الشخص الذي يعاني من قصر النظر يقربه من عينيه ويجهد عضلات العين بقوة. يتم تصحيح قصر النظر من خلال ارتداء النظارات ذات العدسات المتباعدة. تقوم العين طويلة النظر بإنشاء صورة خلف الشبكية. يتم تصحيح طول النظر من خلال ارتداء النظارات ذات العدسات المجمعة. تجدر الإشارة إلى أن كلا من قصر النظر وطول النظر سوف يتطوران إذا لم تستخدم النظارات، لأن أثناء العمل، سوف تصبح عضلات العين مرهقة.

درجة الحرارة وقياسها.

كان على دراسة الظواهر الحرارية حتما أن تعطي قيمة تميز درجة تسخين الأجسام - درجة الحرارة. عندما تتلامس الأجسام، نتيجة لتفاعل الجزيئات، فإن متوسط ​​طاقتها الحركية يصبح متساويا. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات. ويبين اتجاه العمليات الحرارية، لأن تنتقل الطاقة تلقائيًا من الأجسام الأكثر تسخينًا إلى الأجسام الأقل تسخينًا، أي. من الأجسام ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى الأجسام ذات درجات الحرارة المنخفضة. يتم قياس درجة الحرارة بواسطة موازين الحرارة. يعتمد قياس درجة الحرارة على تحقيق التوازن الحراري بين الأجسام المتلامسة. من الناحية العملية، الأكثر استخدامًا هي موازين الحرارة السائلة التي تستخدم التغير في حجم السائل (الزئبق أو الكحول) عند تسخينه. ومع تمدد السائل، فإنه يرتفع من خلال أنبوب زجاجي يوجد تحته مقياس. والنقاط المرجعية (أي النقاط التي يستند إليها مقياس درجة الحرارة) في نظام درجة الحرارة العملي الدولي المقترح بالدرجة المئوية هي نقطة انصهار الجليد (O0C) ونقطة غليان الماء (1OOS0oTC). المسافة بين هذه النقاط على المقياس مقسمة إلى 100 جزء متساوي. لأن بما أن تمدد السائل يختلف باختلاف نطاقات درجات الحرارة، فإن مقياس الحرارة السائل يضمن القياس الصحيح لدرجات الحرارة المرجعية فقط. تتمتع موازين حرارة الغاز التي تستخدم اعتماد حجم الغاز على درجة الحرارة عند ضغط ثابت أو اعتماد ضغط الغاز على درجة الحرارة عند حجم ثابت، بدقة أكبر. يمكن لمقاييس الحرارة أيضًا استخدام اعتماد المقاومة الكهربائية للموصلات وأشباه الموصلات على درجة الحرارة.

الطاقة الداخلية وطرق تغييرها.

يتكون كل جسم من عدد هائل من الجزيئات. تتحرك جزيئات الأجسام باستمرار، لذلك تمتلك طاقة حركية. تتفاعل جزيئات الأجسام الصلبة والسائلة مع بعضها البعض، مما يعني أن لديها أيضًا طاقة محتملة. يُطلق على مجموع الطاقات الحركية والمحتملة للجزيئات التي يتكون منها الجسم اسم الطاقة الداخلية. [U]=J تشمل الطاقة الداخلية أيضًا طاقة الجزيئات التي تشكل الذرات.

يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية للجسم أثناء العمليات الحرارية المختلفة. لذلك، عند تسخينها، على سبيل المثال، تزداد سرعة حركة الجزيئات، وبالتالي طاقتها الحركية. عندما يسخن جسم ما، يزداد حجمه، وتتغير المسافات بين جزيئاته، وبالتالي تتغير أيضًا الطاقة الكامنة لتفاعلها. يمكن الحكم على التغير في الطاقة الداخلية من خلال التغير في درجة حرارة الجسم. مع ارتفاع درجة حرارة الجسم، تزداد طاقته الداخلية.

يمكن تغيير الطاقة الداخلية بطريقتين مختلفتين بشكل أساسي.

1. إذا بذل شغل على جسم فإنه يسخن، أي: وتزداد طاقته الداخلية. إذا قام الجسم نفسه بعمل على أجسام خارجية، فإن طاقته الداخلية تنخفض. أ = دو.

2. يمكن أيضًا تغيير الطاقة الداخلية عن طريق نقل الحرارة. نقل الحرارة، أو التبادل الحراري، هو عملية تغيير الأجزاء الداخلية الطاقة دون القيام بالعمل. وهكذا، فإن الغلاية الموضوعة على موقد ساخن تستقبل الطاقة من خلال نقل الحرارة.

هناك ثلاثة أنواع من نقل الحرارة: التوصيل الحراري - نقل الطاقة عن طريق تبادلها بين الجزيئات أثناء تفاعلها؛ الحمل الحراري - نقل الطاقة عن طريق تدفق السائل أو الغاز الساخن؛ الإشعاع - نقل الطاقة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية. علاوة على ذلك، فإن النوع الأخير من انتقال الحرارة لا يتطلب الاتصال المباشر بين الأجسام أو وجود أي مادة بينها.

قياس الطاقة الحرارية المنقولة أثناء انتقال الحرارة هو كمية الحرارة هي ذلك الجزء من الطاقة الداخلية الذي يستقبله الجسم أو يتخلى عنه أثناء نقل الحرارة. [س]=ي. س=دو.

العمليات الحرارية.

1. هناك نوعان من الطاقة الميكانيكية: الحركية والمحتملة. أي جسم متحرك لديه طاقة حركية؛ فهو يتناسب طرديا مع كتلة الجسم ومربع سرعته. الأجسام التي تتفاعل مع بعضها البعض لديها طاقة محتملة. تتناسب الطاقة الكامنة لجسم يتفاعل مع الأرض بشكل مباشر مع كتلته والمسافة بينهما
هو وسطح الأرض.

يُطلق على مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لجسم ما اسم الطاقة الميكانيكية الإجمالية. وبالتالي فإن إجمالي الطاقة الميكانيكية يعتمد على سرعة حركة الجسم وعلى موقعه بالنسبة للجسم الذي يتفاعل معه.

إذا كان لدى الجسم طاقة، فإنه يمكنه بذل شغل. عند الانتهاء من العمل، تتغير طاقة الجسم. قيمة الشغل تساوي التغير في الطاقة.

2. إذا تم ضخ الهواء في جرة سميكة الجدران مغلقة بسدادة، فإن الجزء السفلي منها مغطى بالماء (الشكل 67)، فبعد مرور بعض الوقت، ستطير السدادة من الجرة وسيتشكل الضباب في الجرة.

ويفسر ذلك وجود بخار ماء في هواء الجرة يتشكل عندما يتبخر الماء. ظهور الضباب يعني تحول البخار إلى ماء، أي. مكثفة، ويمكن أن يحدث هذا عندما تنخفض درجة الحرارة. ونتيجة لذلك، انخفضت درجة حرارة الهواء في الجرة.

والسبب في ذلك هو ما يلي. طار الفلين من الجرة لأن الهواء هناك أثر عليه بقوة معينة. الهواء يعمل عندما خرج القابس. ومن المعلوم أن الجسم يستطيع أن يبذل شغلاً إذا توفرت له الطاقة. ولذلك، فإن الهواء الموجود في الجرة لديه طاقة.

ومع أداء الهواء للعمل، انخفضت درجة حرارته وتغيرت حالته. في الوقت نفسه، لم تتغير الطاقة الميكانيكية للهواء: لم تتغير سرعتها ولا موقعها بالنسبة للأرض. وبالتالي، لم يتم العمل بسبب الميكانيكية، ولكن بسبب الطاقة الأخرى. هذه الطاقة الطاقة الداخليةالهواء في الجرة.

3. الطاقة الداخلية للجسم هي مجموع الطاقة الحركية لحركة جزيئاته والطاقة الكامنة لتفاعلها.

تمتلك الجزيئات طاقة حركية ​\((E_к) \) ، لأنها في حالة حركة، وطاقة وضع \((E_п) \) ، لأنها تتفاعل.

يُشار إلى الطاقة الداخلية بالحرف ​\(U\) ​. وحدة الطاقة الداخلية هي 1 جول (1 جول).

\[ U=E_к+E_п \]

4. كلما زادت سرعة حركة الجزيئات، ارتفعت درجة حرارة الجسم، وبالتالي تعتمد الطاقة الداخلية على درجة حرارة الجسم. لتحويل مادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، على سبيل المثال، لتحويل الجليد إلى ماء، تحتاج إلى تزويدها بالطاقة. وبالتالي، سيكون للماء طاقة داخلية أكبر من الجليد الذي له نفس الكتلة، وبالتالي، تعتمد الطاقة الداخلية على حالة تجميع الجسم.

إن الطاقة الداخلية للجسم لا تعتمد على حركته ككل وعلى تفاعله مع الأجسام الأخرى. وبالتالي، فإن الطاقة الداخلية للكرة الملقاة على الطاولة وعلى الأرض هي نفسها، وكذلك الكرة الثابتة والمتدحرجة على الأرض (إذا أهملنا بالطبع مقاومة حركتها).

يمكن الحكم على التغير في الطاقة الداخلية من خلال قيمة العمل المنجز. بالإضافة إلى ذلك، بما أن الطاقة الداخلية للجسم تعتمد على درجة حرارته، فيمكن استخدام التغير في درجة حرارة الجسم للحكم على التغير في طاقته الداخلية.

5. يمكن تغيير الطاقة الداخلية عن طريق بذل الشغل. وهكذا، في التجربة الموصوفة، انخفضت الطاقة الداخلية للهواء وبخار الماء في الجرة أثناء قيامهما بعملية دفع السدادة للخارج. وفي الوقت نفسه انخفضت درجة حرارة الهواء وبخار الماء، كما يتضح من ظهور الضباب.

إذا ضربت قطعة من الرصاص عدة مرات بمطرقة، فيمكنك حتى أن تعرف عن طريق اللمس أن قطعة الرصاص ستسخن. وبالتالي، زادت طاقته الداخلية، وكذلك الطاقة الداخلية للمطرقة. حدث هذا لأن الشغل تم على قطعة من الرصاص.

إذا بذل الجسم نفسه شغلاً فإن طاقته الداخلية تنخفض، وإذا بذل شغل عليه فإن طاقته الداخلية تزيد.

إذا قمت بصب الماء الساخن في كوب من الماء البارد، فإن درجة حرارة الماء الساخن سوف تنخفض، وسوف ترتفع درجة حرارة الماء البارد. وفي هذه الحالة لا يبذل أي شغل، بل تتناقص الطاقة الداخلية للماء الساخن، كما يتضح من انخفاض درجة حرارته.

وبما أن درجة حرارة الماء الساخن في البداية كانت أعلى من درجة حرارة الماء البارد، فإن الطاقة الداخلية للماء الساخن تكون أكبر. وهذا يعني أن جزيئات الماء الساخن لديها طاقة حركية أكبر من جزيئات الماء البارد. وتنقل جزيئات الماء الساخن هذه الطاقة إلى جزيئات الماء البارد أثناء التصادمات، وتزداد الطاقة الحركية لجزيئات الماء البارد. تنخفض الطاقة الحركية لجزيئات الماء الساخن.

في المثال المذكور، لا يتم تنفيذ العمل الميكانيكي؛ تتغير الطاقة الداخلية للأجسام نقل الحرارة.

نقل الحرارة هو طريقة تغيير الطاقة الداخلية لجسم ما عن طريق نقل الطاقة من جزء من الجسم إلى آخر أو من جسم إلى آخر دون بذل شغل.

الجزء 1

1. يتم تحديد الطاقة الداخلية للغاز في وعاء مغلق ذو حجم ثابت بواسطة

1) الحركة الفوضوية لجزيئات الغاز
2) حركة الوعاء بأكمله بالغاز
3) تفاعل الوعاء مع الغاز والأرض
4) عمل القوى الخارجية على سفينة بها غاز

2. تعتمد الطاقة الداخلية للجسم على

أ) وزن الجسم
ب) وضعية الجسم بالنسبة لسطح الأرض
ب) سرعة حركة الجسم (في حالة عدم الاحتكاك)

الإجابة الصحيحة

1) أ فقط
2) ب فقط
3) ب فقط
4) فقط ب و ج

3. الطاقة الداخلية للجسم لا تعتمد عليها

أ) درجة حرارة الجسم
ب) وزن الجسم
ب) وضعية الجسم بالنسبة لسطح الأرض

الإجابة الصحيحة

1) أ فقط
2) ب فقط
3) ب فقط
4) فقط أ و ب

4. كيف تتغير الطاقة الداخلية للجسم عند تسخينه؟

1) يزيد
2) النقصان
3) في الغازات يزداد، وفي المواد الصلبة والسوائل لا يتغير
4) لا يتغير بالنسبة للغازات، ويزيد بالنسبة للمواد الصلبة والسوائل

5. الطاقة الداخلية للعملة تزداد إذا

1) التسخين في الماء الساخن
2) تزج في الماء بنفس درجة الحرارة
3) جعلها تتحرك بسرعة معينة
4) ترتفع فوق سطح الأرض

6. كوب واحد من الماء موضوع على طاولة في الغرفة، وكوب آخر من الماء بنفس الكتلة ونفس درجة الحرارة موضوع على رف معلق على ارتفاع 80 سم بالنسبة إلى الطاولة. الطاقة الداخلية لكوب من الماء على الطاولة هي

1) الطاقة الداخلية للمياه على الرف
2) المزيد من الطاقة الداخلية للمياه على الرف
3) طاقة داخلية أقل للمياه على الرف
4) يساوي الصفر

7. وبعد غمر الجزء الساخن في الماء البارد، تنطلق الطاقة الداخلية

1) سيزداد كلا الجزأين والماء
2) سينخفض ​​كلا الجزأين والماء
3) ستقل الأجزاء ويكثر الماء
4) ستزيد الأجزاء وينقص الماء

8. يوجد كوب واحد من الماء على الطاولة في الغرفة، وكوب آخر من الماء له نفس الكتلة ونفس درجة الحرارة في طائرة تطير بسرعة 800 كم/ساعة. الطاقة الداخلية للماء في الطائرة

1) تساوي الطاقة الداخلية للماء في الغرفة
2) المزيد من الطاقة الداخلية للمياه في الغرفة
3) طاقة داخلية أقل من الماء في الغرفة
4) يساوي الصفر

9. بعد سكب الماء الساخن في كوب واقف على الطاولة، تولد الطاقة الداخلية

1) زيادة الأكواب والماء
2)نقصت الأكواب والماء
3) نقصت الأكواب وزاد الماء
4) زادت الأكواب ونقصت المياه

10. يمكن زيادة درجة حرارة الجسم إذا

أ- اعمل على ذلك.
ب. أعطيه بعض الدفء.

الإجابة الصحيحة

1) أ فقط
2) ب فقط
3) كل من أ و ب
4) لا أ ولا ب

11. يتم تبريد كرة الرصاص في الثلاجة. كيف تتغير الطاقة الداخلية للكرة وكتلتها وكثافة مادة الكرة؟ لكل كمية فيزيائية، حدد طبيعة التغير المقابلة لها. اكتب الأعداد المختارة لكل كمية فيزيائية في الجدول. قد تتكرر الأرقام الموجودة في الإجابة.

الكمية المادية
أ) الطاقة الداخلية
ب) الكتلة
ب) الكثافة

طبيعة التغيير
1) يزيد
2) النقصان
3) لا يتغير

12. يتم ضخ الهواء في الزجاجة، مغلقة بإحكام بسدادة. في مرحلة ما يطير الفلين من الزجاجة. ماذا يحدث لحجم الهواء وطاقته الداخلية ودرجة حرارته؟ لكل كمية فيزيائية حدد طبيعة تغيرها. اكتب الأعداد المختارة لكل كمية فيزيائية في الجدول. قد تتكرر الأرقام الموجودة في الإجابة.

الكمية المادية
أ) الحجم
ب) الطاقة الداخلية
ب) درجة الحرارة

طبيعة التغيير
1) يزيد
2) النقصان
3) لا يتغير

الإجابات

الطاقة الداخلية لجسم ما ليست كمية ثابتة: فهي يمكن أن تتغير لنفس الجسم. كما ترتفع درجة الحرارة الجسم فإن الطاقة الداخلية للجسم تزداد بزيادة السرعة المتوسطة، وبالتالي الطاقة الحركية لجزيئات هذا الجسم. ومع انخفاض درجة الحرارة، على العكس من ذلك، تنخفض الطاقة الداخلية للجسم. وهكذا فإن الطاقة الداخلية للجسم تتغير بتغير سرعة حركة جزيئاته. وما هي الطرق التي يمكن من خلالها زيادة هذه السرعة أو تقليلها؟ دعونا ننتقل إلى الخبرة.

يوجد على الحامل (الشكل 181) أنبوب نحاسي ذو جدران رقيقة يُسكب فيه القليل من الأثير، ويتم إغلاق الأنبوب بإحكام بسدادة. يتم لف حبل حول الأنبوب ويتم تحريك الحبل بسرعة في اتجاه أو آخر. بعد مرور بعض الوقت، سوف يغلي الأثير وسيقوم بخاره بدفع القابس إلى الخارج.تظهر هذه التجربة أن الطاقة الداخلية للأثير قد زادت: فقد تم تسخينها وحتى غليها. حدثت الزيادة في الطاقة الداخلية نتيجة الشغل المبذول عند فرك الأنبوب بالحبل.

تسخن الأجسام أيضًا أثناء الصدمات والتمدد والثني، وبشكل عام أثناء التشوه. وفي كل هذه الحالات وبسبب إتقان العمل تزداد الطاقة الداخلية للأجسام.

إذن الطاقة الداخلية يمكن تكبير الأجسام عن طريقالقيام بالعمل على الجسم. إذا قام الجسم بنفسه بهذا العمل، فإن طاقته الداخلية تنخفض. ويمكن ملاحظة ذلك في التجربة التالية.

خذ وعاء زجاجي سميك الجدران مغلق بسدادة. يتم ضخ الهواء المحتوي على بخار الماء إلى الوعاء من خلال فتحة خاصة. بعد مرور بعض الوقت، يخرج القابس من الوعاء (الشكل 182).في اللحظة التي ينفجر فيها الفلين، يظهر الضباب في الوعاء. مظهره يعني أن الهواء في السفينة أصبح أكثر برودة (تذكر أن الضباب يظهر أيضًا في الخارج أثناء الطقس البارد).

يعمل الهواء المضغوط الموجود في الوعاء، والذي يدفع القابس للخارج، على العمل. ويقوم بهذا العمل على حساب طاقته الداخلية التي تتناقص. نحكم على انخفاض الطاقة من خلال تبريد الهواء في الوعاء.

يمكن تغيير الطاقة الداخلية للجسم بطريقة أخرى.

ومن المعروف أن غلاية ماء واقفة على الموقد، وملعقة معدنية مغموسة في كوب من الشاي الساخن، وموقد تشتعل فيه النار، وسقف منزل مضاء بأشعة الشمس يسخن. وفي جميع الأحوال ترتفع درجة حرارة الأجسام، مما يعني زيادة طاقتها الداخلية أيضًا. كيف تفسر زيادتها؟

كيف، على سبيل المثال، تسخن ملعقة معدنية باردة مغموسة في الشاي الساخن؟ في البداية، تكون السرعة والطاقة الحركية لجزيئات الماء الساخن أكبر من السرعة والطاقة الحركية لجزيئات المعدن البارد. وفي تلك الأماكن التي تتلامس فيها الملعقة مع الماء، تقوم جزيئات الماء الساخن بنقل جزء من طاقتها الحركية إلى جزيئات المعدن البارد.ولذلك فإن سرعة وطاقة جزيئات الماء تتناقص في المتوسط، وتزداد سرعة وطاقة جزيئات المعدن: تنخفض درجة حرارة الماء، وترتفع درجة حرارة الملعقة - وتستقر درجات حرارتها تدريجياً. مع انخفاض في الطاقة الحركية للجزيئات يتناقص الماء والطاقة الداخلية للجميعالماء في الكوب، وتزداد الطاقة الداخلية للملعقة.

تسمى عملية تغيير الطاقة الداخلية، التي لا يتم فيها بذل شغل على الجسم، بل تنتقل الطاقة من جسيم إلى آخر، بنقل الحرارة. لذا فإن الطاقة الداخلية للجسم يمكن أن تتغير بطريقتين: أداء العمل الميكانيكي أو نقل الحرارة.

عندما يتم تسخين الجسم بالفعل، لا يمكننا الإشارة إلى أي من الطريقتين تم القيام بذلك. وبالتالي، فإننا نحمل إبرة حياكة فولاذية ساخنة في أيدينا، ولا يمكننا أن نقول كيف تم تسخينها - عن طريق فركها أو وضعها في اللهب.

أسئلة. 1.أعط أمثلة توضح أن الطاقة الداخلية للجسم تزداد عند بذل شغل على الجسم. 2. صف تجربة توضح أن الجسم يمكنه بذل شغل بفضل الطاقة الداخلية. 3. أعط أمثلة على زيادة الطاقة الداخلية للجسم بانتقال الحرارة. 4. اشرح انتقال الحرارة بناءً على التركيب الجزيئي للمادة. 5. ما الطريقتان لتغيير الطاقة الداخلية للجسم؟

يمارس.

ضع عملة معدنية من فئة خمسة كوبيك على لوح من الخشب الرقائقي أو لوح خشبي. اضغط على العملة المعدنية على اللوحة وحركها بسرعة، أولاً في اتجاه واحد، ثم في الاتجاه الآخر. لاحظ كم مرة تحتاج إلى تحريك العملة المعدنية حتى تصبح دافئة، حار. استنتج العلاقة بين العمل المنجز وزيادة الطاقة الداخلية للجسم.