Внутренняя энергия и теплопередача

Определение

Внутренняя энергия $U$ — сумма кинетической и потенциальной энергии всех молекул тела. Чем быстрее и активнее движутся молекулы, тем выше внутренняя энергия.

Температура — величина, характеризующая степень нагретости тела, то есть среднюю энергию хаотического движения молекул. Измеряется в градусах Цельсия (°C) или в кельвинах (K).

Теплота — часть внутренней энергии, которую тело отдаёт или получает при теплообмене. Обозначается $Q$, единица — джоуль (Дж).

Внутреннюю энергию можно изменить:

1. совершением работы над телом или телом над другими;
2. теплопередачей — без совершения макроскопической работы.

Способы теплопередачи

Теплопроводность — передача внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым при их непосредственном контакте. Хорошо проводят тепло металлы, плохо — дерево, пух, воздух.

Конвекция — перенос внутренней энергии потоками жидкости или газа. Нагретые слои расширяются, становятся легче и поднимаются вверх, холодные опускаются. Конвекция возможна только в жидкостях и газах.

Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами. Не требует среды: Солнце греет Землю через вакуум космоса.

Формула

При теплообмене без фазовых переходов количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой $m$ на $\Delta t$ градусов:

$Q = c \cdot m \cdot \Delta t$

где $c$ — удельная теплоёмкость вещества, Дж/(кг·°C).

Обозначения

Символ	Название	Единица СИ
$U$	Внутренняя энергия	Дж
$Q$	Количество теплоты	Дж
$c$	Удельная теплоёмкость	Дж/(кг·°C)
$m$	Масса	кг
$\Delta t$	Изменение температуры	°C

Пример

Дано: металлическая ложка и деревянная палочка в горячем чае при 90 °C. Объяснить, почему ложка обжигает, а палочка — нет.

Формула: теплопроводность металлов >> теплопроводности дерева.

Подстановка: у металла энергия быстро передаётся вдоль ложки к руке; дерево — плохой проводник, нагревается медленно.

Ответ: различие объясняется разной теплопроводностью материалов.