yavor1 (553178), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Этого и следовало ожидать, поскольку химические реакции сводятся к перестройке электронных оболочек атомов и молекул. 3. Однако и здесь изменение массы взаимодействующих тея столь мало, что оно лежит за пределами точности измерительных приборов: оно скажется лишь в десятой значащей цифре, а стакой точностью массу измерять мы не умеем.
Действительно, при сгорании 1 кг угля Ьт= — ''= ' =3,3 10-" кг. ал з.ю ев 9. 1016 $20.5. Изменение внутренней энергии при ядерных реакциях 1. При некоторых условиях ядра атомов испытывают превращения, которые называются ядерными реакциями. Независимо от механизма процессов, происходящих при этом (а они могут быть весьма различными), все они связаны со значительным изменением энергии взаимодействующих частиц. Следовательно, ядерные реакиии соаровожда7атся изменением внутренней энергии тела, в состав которого входят ядра, испытывающие соответствующие превращения.
Прн этом меняется масса покоя реагирующих ядер. Это позволяет по известным массам исходных частиц и продуктов реакции оценить энергетический выход реакции (см. 2 80.4). Оказывается, если 1 кг тяжелого водорода (дейтерия) превратится в гелий, то в результате этой реакции получится всего 903,75 г гелия, т. е. масса покоя уменьшится на Лт, =-6,25 г. А такое изменение массы (на 0,6%) уже вполне может быть измерено чувствительными приборами. Изменение внутренней энергии при этой реакции составит Л8о = Ьт,ез = — 6,25 10-з. 9, 10ев 5 62. 10ы Дж 172 Для сопоставления вычислим, сколько угля нужно сжечь для получения такой же энергии: 6,62 !оы и„,„„= 'з О, 2.10' кг (здесь 3 10' Дж — энергия, выделяющаяся при сгорании 1 кг угля). Учитывая, что вагон вмещает около 50 тонн угля, мы получим, что 1 кг дейтерия при превращении в гелий выделит столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 400 вагонов угля.
2. Оценим изменение энергии одного ядра при такого рода реакции. Один килограмм гелия состоит из 1,5 10" атомов, следовательно, Аяте 6 62'!Оы в у ! 6 !Оае ! 6 !О-м 2,34 1О эВ =23,4 МЭВ. Эта энергия в миллионы раз больше энергии химических реакций и в миллиарды раз больше энергии тепловых процессов. Заметим, что эти цифры характеризуют и порядок ядерных сил по сравнению с силами взаимодействия между атомами и между молекулами.
ГЛАВА 2! ЭА К О И СОХ РАН ЕН И Я ЭН ЕРГИ И й 2!.!. Работа как мера изменения полной и внутренней энергии !. В 3 20.2 мы выяснили, что при деформациях тела меняются расстояния между частицами, из которых оно состоит. А это приводит к изменению внутренней энергии тела. Кроме того, при неупругих деформациях меняется температура тела, в чем легко убедиться на опыте. Если несколько раз быстро перегнуть кусок проволоки, то в месте изгиба температура резко возрастет; это можно почувствовать, притронувшись к месту изгиба пальцем. Но при деформации тела совершается работа.
Эта работа и является мерой изменения внутренней энергии. 2. Внутренняя энергия тела меняется также прн его неупругом соударении с другим телом. Прн этом, как было показано (см. $ 17.2), кинетическая энергия соударяющихся тел уменьшается. Но отсюда вовсе не следует, что кинетическая энергия исчезает бесследно. Нетрудно убедиться, что она превращается во внутреннюю энергию тела. Проделаем следующий опыт. Положим кусок проволоки на наковальню и сильно ударим по ней несколько раз молотком. Если затем дотронуться до этого участка проволоки, то можно убедиться в значительном повышении температуры.
Как мы видим, при неупругом ударе кинетическая энергия тел превращается во внутреннюю. Но мерой изменения кинетической 173 Л8 = Л8, + ЛК. Но мы уже знаем, что работа внешней силы может изменить как кинетическую, так и внутреннюю энергию тела, т. е. его полную энергию. Поэтому можно написать (21.1) Лег=А,„, „, (21.2) т. е. работа внешней силы есть мера изменения полной энергии тела.
5 21.2. Теплообмен энергии является работа силы. Естественно, что работа этой же силы может служить и мерой изменения внутренней энергии. 3. Наконец, изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Естественно, что работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии. 4. Приведенные примеры позволяют установить более общую связь между работой силы и изменением энергии, чем это было сделано в гл.
16. Пусть полная энергия тела в некотором состоянии равна 4"о =— =Щ' + К'". Если на тело подействует некоторая внешняя сила, то состояние этого тела изменится; соответственно изменится и его полная энергия; она станет равна 8"' =Дм + К"'. Изменение энергии 68=8"' — 8"' = (4";и — 8"') + (Кич — К'") или, короче, 1. Существует еще один способ изменения энергии тела, не связанный с работой сил. Если тело поместить в пламя горелки, то его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Поместив затем нагретое тело в холодную воду, мы убедимся, что его температура вновь изменится, что опять связано с изменением его энергии.
Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни отдельных его частей под действием каких-либо сил. фактически здесь изменение внутренней энергии тела происходит под действием молекулярных соударений. У нагретого тела мо. лекулы движутся с большими скоростями, у холодного — с малыми. При контакте этих тел происходят упругие соударения между молекулами. Быстро движущаяся частица, столкнувшись с другой частицей, имеющей меньшую скорость, передает ей часть своей кинетической энергии. Естественно, что при контакте двух тел с разной температурой за счет соударений между молекулами суммарная кинетическая энергия молекул горячего тела уменьшится, суммарная же кинетическая энергия молекул холодного тела возрастет. Следствием этого и является передача энергии от горячего тела к холодному без совершения работы.
174 Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется пыплообменом. 2. Рассмотренный процесс теплообмена между телами, находящимися в непосредственном контакте, называется теплопроводнсстью или кондуктивным теплообменом. Теплообмен может совершаться и за счет конвекции. Слои жидкости или газа, прикасаясь к телу с высокой температурой, нагреваются и всплывают вверх, а на их место поступают более холодные. Теплообмен, происходящий с помощью струй жидкости или газа, называется конвективным теплообменом.
3. Наконец, теплообмен может осуществляться с помощью как видимых, так и невидимых лучей. Убедиться в этом можно с помощью следующего опыта. Укрепим в штативе нагретое тело, например утюг. Поднесем снизу руку на расстояние 15 — 20 см.
Мы почувствуем, что утюг передает руке энергию. Этот процесс не является конвекцией, ибо струи нагретого воздуха поднимаются вверх и руки не достигают. Это не может быть и теплопроводность, ибо она у всех газов, в частности у воздуха, очень мала. Оказывается, что всякое тело излучает инфракрасные лучи, а при температурах свыше 800' С вЂ” и видимый свет. Процесс передачи энергии с помощью электромагнитных волн (инфракрасного и видимого излучения) называется теплсобменом с помощью излучения.
4. В описанном опыте с нагретым утюгом мы действительно имеем дело с такого рода теплообменом. В самом деле, поместив между рукой и утюгом лист жести, мы почувствуем, что нагрев руки прекратился. Причина заключается в том, что металл частично отражает, а частично поглощает излучение, и оно уже до руки не доходит. Наконец, отметим, что если для кондуктнвного или конвектнвного теплообмена между двумя телами необходимо, чтобы между ними обязательно было вещество, то теплообмен с помощью излучения происходит и в вакууме. Так, энергия, излучаемая Солнцем, поступает на Землю через космическое пространство, где царит глубокий вакуум. $21.3. Количество теплоты 1.
Мерой изменения энергии тела при механических процессах являегся работа, совершаемая внешними силами (см. (21.2)). Введем физическую величину, характеризующую изменение энергии тела при теплообмене. Эта величина называется количеством теплоты и обозначается Я, Количеством теплоты называется энергия, переданная путел~ теплообмена. Из этого определения следует, что в случае, если энергия тела меняется только путем теплообмена, то Я=М. (21.3) т.
е. количество теплоты есть мера изменения энергии тгла при теплосбмене. 175 2. В Международной системе единицей измерения количества теплоты, как и работы и энергии, служит джоуль (см. 2 16.6): Я = (б') = 1А) = Дж. На практике иногда применяется внесистемная единица измерения количества теплоты — калория. По определению 1 кал =4,1868 Дж.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
