Основной задачей при изучении этой темы является формирование у учащихся представлений о существовании некоторого запаса энергии внутри любого тела — внутренней энергии, о возможности извлечения этой энергии из тела и использовании в практических целях. Вопросы в конце параграфа учебника направлены на углубление понимания изложенного материала с использованием новых примеров. Ответы на эти вопросы могут быть, например, такими. Подробный ответ на первый вопрос дан в учебнике после описания опыта с пластмассовой бутылкой, взлетающей с резиновой пробки. При желании этот опыт можно заменить опытом с резиновой пробкой, вылетающей из пробирки при нагревании. Примерами явлений, в которых за счет кинетической энергии теплового движения молекул газа совершается механическая работа и приводится в движение тело большей массы, могут служить движение поршня в цилиндре автомобильного двигателя, выстрел орудия, полет космической ракеты. Примерами явлений, в которых за счет механической работы внешних сил увеличивается кинетическая энергия теплового движения атомов тела, могут служить повышение температуры шин автомобилей и самолетов при резком торможении, зажигание спички в результате нагревания ее головки при трении о коробку, повышение температуры сверла дрели при сверлении, испарение части обшивки космических кораблей при возвращении из космического пространства, превращение в пар метеорных тел, влетающих в атмосферу Земли из космического пространства. Причиной испарения части обшивки космических кораблей и метеорных тел является действие сил трения о воздух. При скоростях движения 8—40 км/с эти силы так велики, что под их действием температура поверхности движущегося тела повышается до нескольких тысяч градусов. Примерами передачи энергии в процессе теплообмена от горячего тела холодному без изменения температуры холодного тела могут служить таяние льда при постоянной температуре 0 °С, превращение воды из жидкости в пар в кипящем на горячей плите чайнике. Уменьшение внутренней энергии газа происходит при расширении газа без теплообмена с окружающими телами. В ясный летний день воздух в результате теплообмена с земной поверхностью нагревается и расширяется. Из-за уменьшения плотности при расширении теплый воздух под действием силы Архимеда поднимается в более высокие слои атмосферы. Там давление ниже, поэтому поднимающийся теплый воздух продолжает расширяться. При расширении воздух совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура воздуха понижается. Содержащийся в теплом воздухе водяной пар при охлаждении сначала конденсируется в капли воды, затем превращается в кристаллики льда. Так возникают облака. Изменение внутренней энергии воздуха без теплообмена с другими телами происходит в цилиндре дизельного двигателя. При сжатии воздуха движущимся поршнем его температура повышается до 600—700 °С. При такой высокой температуре горючее в цилиндре воспламеняется без использования электрической искры. Вариант опыта по определению механического эквивалента теплоты (задание 30.2) может быть следующим. Оборудование: свинцовая дробь массой 0,2 кг, картонная или пластмассовая трубка, термометр, измерительная линейка. Содержание и порядок выполнения задания В картонный или пластмассовый цилиндр насыпают свинцовую дробь, начальная температура которой равна температуре воздуха в комнате. Затем вертикально расположенный картонный цилиндр резко поворачивают вокруг горизонтальной оси на 180°. Поднятая на высоту h дробь падает (рис. 71). Во время падения сила тяжести F = mg на пути h совершает работу
A = Fs = mgh.
Рис. 71
Изменение кинетической энергии дроби равно совершенной работе:
ΔEк = A = mgh.
При ударе дроби о дно цилиндра ее кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию теплового движения атомов свинца. Для того чтобы повышение температуры можно было измерить обычным термометром, цилиндр необходимо перевернуть примерно 100 раз. При этом увеличение внутренней энергии дроби будет равно:
ΔU = А = 100mgh.
Измерив температуру дроби в начале и конце опыта, можно выразить изменение внутренней энергии дроби через количество теплоты Q, которое потребовалось бы для такого же изменения внутренней энергии дроби путем теплопередачи.
По найденным значениям работы А и количества теплоты Q можно вычислить механический эквивалент теплоты как отношение работы к эквивалентному количеству теплоты. Удельная теплоемкость свинца равна с = 31 кал/(кг · °С).
