Меню Закрыть

Что является мерой изменения энергии систем тел: СРОЧНО!!!! 1.Какая величина служит мерой изменения энергии системы? 2.В каких случаях

Содержание

Урок 23. внутренняя энергия. работа. количество теплоты — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 23. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты

Список вопросов, рассмотренных в уроке: внутренняя энергия; способы изменения внутренней энергии; различные виды теплообмена; уравнение теплового баланса; работа в термодинамике; нахождение численного значения работы в различных тепловых процессах.

Глоссарий по теме

Термодинамическая система представляет собой систему тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией и веществом.

Состояние равновесия — это состояние системы, в которой нет теплообмена между телами, составляющими систему.

Термодинамический процесс — процесс изменения состояния системы, который изменяет параметры системы.

Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической энергии хаотичного теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия всех молекул, составляющих тело.

Теплоемкость представляет собой энергию, которая численно равна количеству тепла, которое выделяется или поглощается, когда температура тела изменяется на 1 К.

Теплопередача- это передача энергии от одного тела другому без выполнения работы.

Количество тепла является количественной мерой изменения внутренней энергии во время теплообмена.

Работа в термодинамике — это взаимодействие системы с внешними объектами, в результате чего изменяются параметры системы.

Список литературы

Г.Я. Мякишев., Б. Буховцев., Н. Н. Соцкий. Физика.10. Учебник для образовательных организаций М .: Просвещение, 2017. — С. 243-254.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.- с.75-84

Основное содержание урока

Внутренняя энергия тела — это полная энергия всех молекул, которые его составляют. Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна его температуре.

U = 3/2 · ν · R · T

Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества, надо сообщить ему некоторое количество тепла или совершить работу.

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии системы: A = ΔU.

Работа газа в изобарном процессе равна A = P · ΔV. Если газ расширяется, то А > 0, если газ сжимается, то А < 0.

Кроме того, работа газа может быть определена с использованием графика давления в зависимости от объема.

Работа газа численно равна площади под графиком давления.

Количество теплоты — это энергия, которую система получает или теряет во время теплообмена.

Количество тепла для различных термических процессов определяется по-разному.

При нагревании и охлаждении: Q = c_ ∙ m ∙ ΔT;

Во время плавления и кристаллизации: Q = ℷ ∙ m;

Во время испарения и конденсации; Q = r ∙ m;

При сжигании: Q = q ∙ m.

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса: Q1 + Q2 + … + Qn = 0

Выражение для внутренней энергии одноатомного идеального или разреженного реального газа имеет следующий вид:

U = 3/2 ν ∙ R ∙ T

Для идеального газа из молекул с двумя, тремя или более атомами необходимо учитывать кинетическую энергию вращения молекул (они больше не могут считаться материальными точками), поэтому выражение для их внутренней энергии отличается от U = 3/2 ν ∙ R ∙ T числовым коэффициентом.

Для двухатомного газа (например, O2, CO и т. д.):

U = 5/2 ν ∙ R ∙ T

Для газа с тремя атомами или более (например, O3, Ch5):

U = 3ν · R · T

Изменить внутреннюю энергию вещества можно, передав ему некоторое количество тепла или выполнить над ним работу.

Существует три типа теплопередачи:

1) Теплопроводность представляет собой процесс переноса энергии от более теплого тела к менее нагретому телу с прямым контактом или от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотично движущимися частицами тела (атомы, молекулы, электроны , и т.д.). Простым примером является нагревание чашки, в которую выливают горячий чай.

2) Конвекция — это своего рода передача тепла, в которой внутренняя энергия передается снизу вверх струями или потоками жидкости или газа. Пример: нагревание воды в чайнике, который стоит на горячей плите.

3) Лучистый обмен или излучение — это процесс передачи энергии через электромагнитное излучение. Простой пример: солнечный свет.

Механическая работа изменяет механическую энергию тела. Термодинамическая работа изменяет внутреннюю энергию газа.

Если газ расширяется, то работа газа считается положительной. Если он сжат, то отрицательной.

Формула для нахождения работы газа в изобарном процессе имеет следующий вид:

A = p · ΔV

Для изотермического процесса формула принимает следующий вид: A = ν ∙ R ∙ T ∙ ln⁡ (V_2 / V_1)

Разбор тренировочных заданий

1. Объём газа, расширяющегося при постоянном давлении 100 кПа, увеличился на 20 литров. Работа, выполняемая газом в этом процессе, — _____.

Варианты ответов:

2000 Дж;

20 000 Дж;

200 Дж;

50 МДж.

Правильный вариант / варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) 2000 Дж.

Совет: используйте формулу работы.

2. Чтобы из 5 кг снега, при температуре 0ºС, получить воду при 20ºС, необходимо сжигать в печке с КПД 40% __ кг дров.

Решение: при сгорании дров выделится количество теплоты:

из этого количества на полезную работу пойдёт только:

Для плавления снега необходимо количество теплоты:

для нагревания воды понадобится:

Согласно уравнению теплового баланса:

Отсюда следует:

Подставим числовые значения в формулу:

Ответ: 0,5175 кг.

Внутренняя энергия. 1-й закон термодинамики.

Внутренняя энергия

1-й закон термодинамики.

Сумма кинетических  энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела  (молекул, атомов) и потенциальных энергий  их  взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией.

Внимание!

  1. Энергия упорядоченного движения частиц тела представляет собой механическую кинетическую энергию тела.
  2. Вообще говоря, во внутреннюю энергию входят энергии внутриатомных частиц, но при не очень больших температурах эта энергия остается неизменной.

    Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит — температурой тела.

    Потенциальная

     — расстоянием между частицами, а значит — объемом.

    Следовательно: U=U(T,V) — внутренняя энергия зависит от объема и температуры.

 

U=U(T,V)

Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем. 

— внутренняя энергия идеального одноатомного газа.

Внутренняя энергия — однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) — одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния.

Идеальный  газ:

 

Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты.

 

Р.Майер, Д.Джоуль, Г.Гельмгольц — закон сохранения энергии для тепловых процессов — 1-й закон термодинамики.

 

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

 

Изменений внутренней энергии не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Т.о. существует два способа изменения внутренней энергии: совершение механической работы и теплопередача (теплообмен). Работа и количество теплоты характеризуют

 процесс изменения внутренней энергии, но не саму внутреннюю энергию.

 

Если А — работа внешних сил, а А’ — работа газа, то А = —  А’ (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда:

— другая форма записи первого закона термодинамики.Количество теплоты, переданное системе,  идет на изменение ее  внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Невозможность создания вечного двигателя 1-го рода.

Вечный двигатель первого рода — устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты энергии.

Тогда Q=0. Следовательно: A’= — ΔU

. Т.е. такой двигатель должен совершать работу за счет убыли внутренней энергии. Но ее запасы конечны. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель остановится.

 

материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

 


Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: работа силы, мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, закон сохранения механической энергии.

Мы приступаем к изучению энергии — фундаментального физического понятия. Но предварительно нужно разобраться с другой физической величиной — работой силы.

Работа.

 

Пусть на тело действует постоянная сила и тело, двигаясь прямолинейно по горизонтальной поерхности, совершило перемещение . Сила не обязательно является непосредственной причиной перемещения (так, сила тяжести не является непосредственной причиной перемещения шкафа, который передвигают по комнате).

Предположим сначала, что векторы силы и перемещения сонаправлены (рис. 1; остальные силы, действующие на тело, не указаны)

Рис. 1.A=Fs

 

В этом простейшем случае работа определяется как произведение модуля силы на модуль перемещения:

. (1)

Единицей измерения работы служит джоуль (Дж): Дж=Н м. Таким образом, если под действием силы 1 Н тело перемещается на 1 м, то сила совершает работу 1 Дж.

Работа силы, перпендикулярной перемещению, по определению считается равной нулю. Так, в данном случае сила тяжести и сила реакции опоры не совершают работы.

Пусть теперь вектор силы образует с вектором перемещения острый угол (рис. 2).

Рис. 2. A=Fs cos

 

Разложим силу на две составляющие: (параллельную перемещению) и (перпендикулярную перемещению). Работу совершает только . Поэтому для работы силы получаем:

. Итак,

. (2)

Если вектор силы образует с вектором перемещения тупой угол , то работа по-прежнему определяется формулой (2). В этом случае работа оказывается отрицательной.

Например, работа силы трения скольжения, действующей на тело в рассмотренных ситуациях, будет отрицательной, так как сила трения направлена противоположно перемещению. В этом случае имеем:

, и для работы силы трения получаем:

,

где — масса тела, — коэффициент трения между телом и опорой.

Соотношение (2) означает, что работа является скалярным произведением векторов силы и перемещения:

.

Это позволяет вычислять работу через координаты данных векторов:

.

Пусть на тело действуют несколько сил и — равнодействующая этих сил. Для работы силы имеем:

,

или

,

где — работы сил . Итак, работа равнодействующей приложенных к телу сил равна сумме работ каждой силы в отдельности.

Мощность.

 

Часто имеет значение быстрота, с которой совершается работа. Скажем, на практике важно знать, какую работу сможет выполнить данное устройство за фиксированное время.

Мощность — это величина, характеризующая скорость совершения работы. Мощность есть отношение работы ко времени , за которое эта работа совершена:

.

Мощность измеряется в ваттах (Вт). 1 Вт = 1 Дж/с, то есть 1 Вт — это такая мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за 1 с.

Предположим, что силы, действующие на тело, уравновешены, и тело движется равномерно и прямолинейно со скоростью . В этом случае существует полезная формула для мощности, развиваемой одной из действующих сил .

За время тело совершит перемещение . Работа силы будет равна:

.

Отсюда получаем мощность:

,

или

,

где -угол между векторами силы и скорости.

Наиболее часто эта формула используется в ситуации, когда — сила «тяги» двигателя автомобиля (которая на самом деле есть сила трения ведущих колёс о дорогу). В этом случае , и мы получаем просто:

.

Механическая энергия.

 

Энергия является мерой движения и взаимодействия любых объектов в природе. Имеются различные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная. . .

Опыт показывает, что энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Это самая общая формулировка закона сохранения энергии.

Каждый вид энергии представляет собой некоторое математическое выражение. Закон сохранения энергии означает, что в каждом явлении природы определённая сумма таких выражений остаётся постоянной с течением времени.

Измеряется энергия в джоулях, как и работа.

Механическая энергия является мерой движения и взаимодействия механических объектов (материальных точек, твёрдых тел).

Мерой движения тела является кинетическая энергия. Она зависит от скорости тела. Мерой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Она зависит от взаимного расположения тел.

Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической энергии тел и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Кинетическая энергия.

 

Кинетической энергией тела (принимаемого за материальную точку) называется величина

,

где — масса тела, — его скорость.

Кинетической энергией системы из тел называется сумма кинетических энергий каждого тела:

.

Если тело движется под действием силы , то кинетическая энергия тела, вообще говоря, меняется со временем. Оказывается, именение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе силы . Покажем это для случая прямолинейного равноускоренного движения.

Пусть — начальная скорость, — конечная скорость тела. Выберем ось вдоль траектории тела (и, соответственно, вдоль вектора силы ). Для работы силы получаем:

.

(мы воспользовались формулой для , выведенной в статье «Равноускоренное движение»). Заметим теперь, что в данном случае проекция скорости отличается от модуля скорости разве что знаком; поэтому и . В результате имеем:

,

что и требовалось.

На самом деле соотношение справедливо и в самом общем случае криволинейного движения под действием переменной силы.

Теорема о кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела равно работе, совершённой приложенными к телу внешними силами за рассматриваемый промежуток времени.

Если работа внешних сил положительна, то кинетическая энергия увеличивается (, тело разгоняется).

Если работа внешних сил отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается (, тело замедляет движение). Пример — торможение под действием силы трения, работа которой отрицательна.

Если же работа внешних сил равна нулю, то кинетическая энергия тела за это время не меняется. Нетривиальный пример — равномерное движение по окружности, совершаемое грузом на нити в горизонтальной плоскости. Сила тяжести, сила реакции опоры и сила натяжения нити всегда перпендикулярны скорости, и работа каждой из этих сил равна нулю в течение любого промежутка времени. Соответственно, кинетическая энергия груза (а значит, и его скорость) остаётся постоянной в процессе движения.

Задача. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью и начинает резко тормозить. Найти путь , пройденный автомобилем до полной остановки, если коэффициент трения шин о дорогу равен .

Решение. Начальная кинетическая энергия автомобиля , конечная кинетическая энергия . Изменение кинетической энергии .

На автомобиль действуют сила тяжести , реакция опоры и сила трения . Сила тяжести и реакция опоры, будучи перпендикулярны перемещению автомобиля, работы не совершают. Работа силы трения:

.

Из теоремы о кинетической энергии теперь получаем:

.

Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли.

 

Рассмотрим тело массы , находящееся на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высоту считаем много меньше земного радиуса. Изменением силы тяжести в процессе перемещения тела пренебрегаем.

Если тело находится на высоте , то потенциальная энергия тела по определению равна:

где — ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли.

Высоту не обязательно отсчитывать от поверхности Земли. Как мы увидим ниже (формулы (3), (4)), физическим смыслом обладает не сама по себе потенциальная энергия, но её изменение. А изменение потенциальной энергии не зависит от уровня отсчёта. Выбор нулевого уровня потенциальной энергии в конкретной задаче диктуется исключительно соображениями удобства.

Найдём работу, совершаемую силой тяжести при перемещении тела. Предположим, что тело перемещается по прямой из точки , находящейся на высоте , в точку , находящуюся на высоте (рис. 3).

Рис. 3.A=mg(h2-h3)[/math]

 

Угол между силой тяжести и перемещением тела обозначим . Для работы силы тяжести получим:

.

Но, как видно из рис. 3, . Поэтому

,

или

. (3)

Учитывая, что , имеем также:

. (4)

Можно доказать, что формулы (3) и (4) справедливы для любой траектории, по которой тело перемещается из точки в точку , а не только для прямолинейного отрезка.

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, по которой перемещается тело, и равна разности значений потенциальной энергии в начальной и конечной точках траектории. Иными словами, работа силы тяжести всегда равна изменению потенциальной энергии с противоположным знаком. В частности, работа силы тяжести по любому замкнутому пути равна нулю.

Сила называется консервативной, если при перемещении тела работа этой силы не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела. Сила тяжести, таким образом, является консервативной. Работа консервативной силы по любому замкнутому пути равна нулю. Только в случае консервативной силы возможно ввести такую величину, как потенциальная энергия.

Потенциальна яэнергия деформированной пружины.

 

Рассмотрим пружину жёсткости . Начальная деформация пружины равна . Предположим,
что пружина деформируется до некоторой конечной величины деформации . Чему равна при этом работа силы упругости пружины?

В данном случае силу на перемещение не умножишь, так как сила упругости меняется в процессе деформации пружины. Для нахождения работы переменной силы требуется интегрирование. Мы не будем приводить здесь вывод, а сразу выпишем конечный результат.

Оказывается, сила упругости пружины также является консервативной. Её работа зависит лишь от величин и и определяется формулой:

.

Величина

называется потенциальной энергией деформированной пружины (x — величина деформации).

Следовательно,

,

что полностью аналогично формулам (3) и (4).

Закон сохранения механической энергии.

 

Консервативные силы называются так потому, что сохраняют механическую энергию замкнутой системы тел.

Механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:

.

Механическая энергия системы тел равна сумме их кинетических энергий и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Предположим, что тело совершает движение под действием силы тяжести и/или силы упругости пружины. Будем считать, что трения нет. Пусть в начальном положении кинетическая и потенциальная энергии тела равны и , в конечном положении — и . Работу внешних сил при перемещении тела из начального положения в конечное обозначим .

По теореме о кинетической энергии

.

Но работа консервативных сил равна разности потенциальных энергий:

.

Отсюда получаем:

,

или

.

Левая и правая части данного равенства представляют собой механическую энергию тела в начальном и конечном положении:

.

Следовательно, при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине механическая энергия тела остаётся неизменной при отсутствии трения. Справедливо и более общее утверждение.

Закон сохранения механической энергии. Если в замкнутой системе действуют только консервативные силы, то механическая энергия системы сохраняется.

При этих условиях могут происходить лишь превращения энергии: из кинетической в потенциальную и наоборот. Общий запас механической энергии системы остаётся постоянным.

Закон изменения механической энергии.

 

Если между телами замкнутой системы имеются силы сопротивления (сухое или вязкое трение), то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, автомобиль останавливается в результате торможения, колебания маятника постепенно затухают и т. д. Силы трения неконсервативны: работа силы трения очевидным образом зависит от пути, по которому перемещается тело между данными точками. В частности, работа силы трения по замкнутому пути не равна нулю.

Снова рассмотрим движение тела в поле силы тяжести и/или на пружине. Вдобавок на тело действует сила трения, которая за рассматриваемый промежуток времени совершает отрицательную работу . Работу консервативных сил (тяжести и упругости) по-прежнему обозначаем .

Изменение кинетической энергии тела равно работе всех внешних сил:

.

Но , следовательно

.

Отсюда

,

или

.

В левой части стоит величина — изменение механической энергии тела:

.

Итак,при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине изменение механической энергии тела равно работе силы трения. Так как работа силы трения отрицательна,изменение механической энергии также отрицательно: механическая энергия убывает.
Справедливо и более общее утверждение.

Закон изменения механической энергии.
Изменение механической энергии замкнутой системы равно работе сил трения, действующих внутри системы.

Ясно, что закон сохранения механической энергии является частным случаем данного утверждения.

Конечно, убыль механической энергии не противоречит общефизическому закону сохранения энергии. В данном случае механическая энергия превращается в энергию теплового движения частиц вещества и их потенциальную энергию взаимодействия друг с другом, т. е. переходит во внутреннюю энергию тел системы.

 

Молекулярная физика и термодинамика

Примером функции состояния системы является ее внутренняя энергия U. Она составляется из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между молекулами, кинетической энергии атомов внутри молекул, потенциальной энергии взаимодействия между атомами внутри молекул, а также кинетической и потенциальной энергии частиц, входящих в состав атомов (ядер и электронов). Внутренняя энергия не включает кинетическую и потенциальную энергии, которыми система может обладать как целое (скажем, при движении сосуда с газом или помещении газа во внешнее потенциальное поле). Каждый раз, когда система оказывается в том же состоянии (например, при каких-то конкретных температуре и давлении), ее внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от способа, каким система приведена в данное состояние. При переходе из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии равно разности значений внутренней энергии в этих состояниях

 

(2.1)

и также не зависит от того, какие процессы перевели систему из состояния 1 в 2.

Внутренняя энергия системы может изменяться двумя способами:

Совершение работы сопровождается перемещением внешних тел, действующих на систему. Рассмотрим заключенный под поршнем в сосуде газ (рис. 2.1-1).

Рис. 2.1. Расширение газа под поршнем (1) и графическое изображение (2) производимой им работы

При перемещении поршня на расстояние dl газ совершает работу

Если S — площадь поперечного сечения сосуда, то силу F можно выразить через давление (F = pS), которое при малом перемещении поршня можно считать постоянным. Перемещение выражается через изменение объема газа

так что элементарная работа, совершенная газом, представляется в виде

 

(2.2)

то есть численно равна площади заштрихованного участка на (pV) — диаграмме процесса (рис. 2.1-2).

Работа это мера механической энергии, переданной от одной системы к другой.

Этот тип передачи энергии всегда связан с перемещением макроскопических частей системы и внешних тел. Если бы такого перемещения не происходило, то есть не менялся бы объем системы (dV = 0), то, как следует из соотношения (2.2), газ не мог бы совершить работы (dА = 0). При увеличении объема системы работа положительна (система совершает работу), а при уменьшении — отрицательна (работа совершается внешними силами над системой).

 

При конечном изменении объема системы совершаемая газом работа является суммой всех элементарных работ и записывается в виде интеграла

 

(2.3)

Графически такая работа изображается площадью криволинейной трапеции под графиком процесса на (р,V) — диаграмме (см. рис. 2.2). Видно, что эта площадь зависит не только от положения концевых точек (р1,V1) и (р2,V2), но и от всего характера процесса перехода из состояния 1 в состояние 2 (то есть от вида кривой р = р(V).

Рис. 2.2. Работа, совершаемая газом

Поэтому работа не является функцией состояния системы.

Рассмотрим теперь процесс передачи теплоты системе.

Количество теплоты (теплота) Q — это количественная мера энергии хаотического движения молекул, переданной от одной системы к другой.

 

Теплообмен — это процесс обмена энергией, который не связан с перемещением макроскопических тел или их частей.

Изучение тепловых явлений показывает, что теплообмен между телами может осуществляться тремя способами:

  • теплопроводностью;

Рис. 2.3. Теплообмен путем теплопроводности

Рис. 2.4. Теплообмен путем конвекции

Рис. 2.5. Теплообмен путем излучения

Тепло, полученное системой, считается положительным, а отданное ею — отрицательным. Поскольку количество теплоты, переданное при теплообмене, связано с изменением энергии движения молекул системы, то о хаотическом беспорядочном движении молекул часто говорят как о тепловом движении.

Будучи одной из форм энергии, теплота измеряется в джоулях (Дж). Но прежде чем была понята связь теплоты и энергии, теплоту измеряли в специальных единицах — калориях. Сообщение одной калории одному грамму воды поднимает ее температуру на один градус Цельсия. Сейчас калория определяется соотношением

Калория все еще применяется в некоторых областях человеческой деятельности. Вспомните, например, калорийность продуктов питания, в которых многие стараются себя ограничить. При окислении 100 г животных жиров освобождается около 1 000 ккал энергии (для других продуктов поменьше: хлеб — 214 ккал, сыр — 313 ккал, сахар — 390 ккал, шоколад — 428 ккал, масло — 734 ккал).

Пример. Человек массой 90 кг, желающий похудеть, ежедневно 10 раз взбегает по лестнице на 12-й этаж (расстояние между этажами порядка 3 м). Определим, какой вес он потеряет за неделю, если его диета не меняется.

Оценим прежде всего совершаемую за семь дней работу:

Переведем эту работу в калории:

Это соответствует потере приблизительно 50 г массы тела.

 

Дополнительная информация:

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm — Я. де Бур Введение в молекулярную физику и термодинамику, Изд. ИЛ, 1962 г. — стр. 151–158, часть 2, §§3, 4: описаны эксперименты Джоуля по определению механического эквивалента тепла;

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии, примененный к тепловым явлениям (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Первое начало термодинамики

При получении системой тепловой энергии dQ часть ее тратится на совершение работы , а остаток расходуется на изменение внутренней энергии dU системы

 

(2.4)

 

При конечных изменениях параметров системы имеем

 

(2.5)

 

Как мы видели, внутренняя энергия является функцией состояния системы, а работа зависит от процесса перехода системы из начального состояния в конечное. Отсюда следует, что и теплота не есть функция состояния системы, она тоже зависит от особенностей рассматриваемого процесса. Именно поэтому мы использовали символы и dQ для элементарных приращений этих величин: в варианте написания dA, dQ могло бы создаться ложное впечатление, что мы имеем дело с дифференциалами функций А, Q, которых на самом деле не существует.

 

 

Дополнительная информация

http://kvant.mirror1.mccme.ru/pdf/1998/03/kv0398mitugov.pdf — Журнал Квант, 1998 г. № 3, стр.7–9, В.Митюгов, О квантовой природе теплоты.

Абхазский государственный университет | Абхазский государственный университет

 

Факультет, направление подготовки

(специальность), образовательная программа

Форма обучения

План приема

Вступительные испытания

(с указанием формы проведения и приоритетности

при ранжировании поступающих)

бюджетные места

(гос. заказ)

Платная основа

абх. сектор

русск. сектор

абх. сектор

русск. сектор

010101.62 Математика

Вещественный, комплексный и функциональный анализ.

очная

10

10

2

3

1.Математика (устно)

2.Физика (устно)

3.Родной язык (диктант)

010400.62

Прикладная математика и информатика

Прикладная математика и информатика

очная

0

5

0

15

1.Математика (устно)

2.Физика (устно)

3.Родной язык (диктант)

011200.62

Физика

Фундаментальная физика.

очная

10

10

2

3

1.Физика (устно)

2.Математика (устно)

3.Родной язык (диктант)

 

 

Программа по математике

Настоящая программа состоит из двух разделов.

 

В первом разделе перечислены основные математические понятия, которыми должен владеть поступающий как на устном, так и на письменном экзамене.

 

Во втором разделе представлен перечень вопросов теоретической части устного экзамена. При подготовке к письменному экзамену целесообразно ознакомиться с формулировками утверждений из данного раздела.

 

Основные умения и навыки Экзаменующийся должен уметь:

 

-производить арифметические действия над числами, заданными в виде обыкновенных и десятичных дробей; с требуемой точностью округлять данные числа и результаты вычислений; пользоваться калькулятором или таблицами для вычислений.

 

-проводить тождественные преобразования многочленов, дробей, содержащих переменные; выражений, содержащих

 

степенные, показательные, логарифмические и тригонометрические функции.

 

-строить графику линейной, квадратичной, степенной, показательной, логарифмической и тригонометрических функций.

 

-решать уравнения и неравенства первой и второй степени, уравнения и неравенства, приводящие к ним. Сюда, в частности, относятся простейшие уравнения и неравенства, содержащие степенные, показательные, логарифмические и тригонометрические функции.

 

-решать задачи на составление уравнений и систем уравнений.

 

-изображать геометрические фигуры на чертеже и производить простейшие построения на плоскости.

-использовать геометрические представления при решении алгебраических задач и методы алгебры и тригонометрии при решении геометрических задач.

 

-проводить на плоскости операции над векторами (сложение и вычитание векторов, умножение вектора на число) и пользоваться свойствами этих операций.

 

-пользоваться понятием производной при исследовании функции на возрастание (убывание), на экстремумы при построении графиков функций.

 

Объѐм знаний и степень владения материалом, описанные в программе, соответствуют курсу математики средней школы. Поступающий может пользоваться всем арсеналом средств этого курса, включая и начала анализа. Однако для решения экзаменационных задач достаточно уверенного владения лишь теми понятиями и их свойствами, которые перечислены в настоящей программе. Объекты и факты, не изучаемые в общеобразовательной школе, также могут использоваться поступающими, но при условии, что он способен их пояснить и доказать.

 

В       связи с обилием учебников и регулярным их переизданием отдельные утверждения второго раздела в некоторых учебниках могут называться иначе, чем в программе, формулироваться в виде задач, или вовсе отсутствовать. Такие случаи не освобождают поступающего от необходимости знать эти утверждения.

 

I. Основные математические понятия и факты Арифметика, алгебра и начала анализа

 

Натуральные числа (N). Простые и составные числа. Делитель, кратное. Наибольший общий делитель, наименьшее общее кратное.

 

Признаки делимости на 2. 3, 5, 9, 10.

 

Целые числа (Z). Рациональные числа (Q), их сложение, умножение и деление. Сравнение рациональных чисел. Действительные числа (R), их представление в виде десятичных дробей.

Изображение чисел на прямой. Модуль действительного числа, его геометрический смысл.

 

Числовые выражения. Выражения с переменными. Формулы сокращенного умножения.

 

Степень   с    натуральным   и    рациональным     показателем.

Арифметический корень.

Логарифмы, их свойства.

Одночлен и многочлен.

 

Многочлен с одной переменной. Корень многочлена на примере квадратного трѐхчлена.

 

Понятие функции. Способы задания функции. Область определения. Множество значений функции.

 

График функции. Возрастание и убывание функции; периодичность, чѐтность, нечѐтность.

 

Достаточное условие возрастания (убывания) функции на промежутке. Понятие экстремума функции. Необходимое условие экстремума функции (теорема Ферма). Достаточное условие экстремума. Наибольшее и наименьшее значение функции на промежутке.

 

Определение и основные свойства функции: линейной, квадратной y = ах2 +bх + c, степенной у = ахn ( n Î N ), y = kx ,

показательной у=ах, логарифмической, тригонометрических функций (y= sinх; у = cosх; у = tgx), арифметического корня. Уравнение. Корни уравнения. Понятие о равносильных уравнениях.

 

Неравенства. Решения неравенства. Понятие о равносильных неравенствах.

 

Система уравнений и неравенства. Решения системы. Арифметическая и геометрическая прогрессия. Формула n-го члена и суммы первых n членов геометрической прогрессии. Синус и косинус суммы и разности двух аргументов (формулы). Преобразование в произведение сумм sin a ± b ;

 

cosa ± cos b .

Определение производной. Еѐ физический и геометрический смысл. Производные y = sin x ; y = cos x ; y = tgx ; y = a x ;

 

y = x n ( n Î Z ).

 

Геометрия

 

Прямая, луч, отрезок, ломаная; длина отрезка. Угол, величина угла. Вертикальные и смежные углы. Окружность, круг. Параллельные прямые.

 

Примеры       преобразования       фигур,        виды        симметрии.

 

Преобразование подобия и его свойства. Векторы. Операции над векторами. Многоугольник, его вершины, стороны, диагонали. Треугольник. Его медиана, биссектриса, высота. Виды треугольников. Соотношения между сторонами и углами прямоугольного треугольника.

Четырѐхугольник: параллелограмм, прямоугольник, ромб, квадрат, трапеция.

 

Окружность    и    круг.    Центр,    хорда,     диаметр,     радиус.

Касательная к окружности. Дуга окружности. Сектор.

Центральные и вписанные углы.

 

Формулы площади: треугольника, прямоугольника, параллелограмма, ромба, квадрата, трапеции.

 

Длина окружности и длина дуги окружности. Радианная мера угла. Площадь круга и площадь сектора.

 

Подобие. Подобные фигуры. Отношение площадей подобных фигур.

 

Плоскость. Параллельные и пересекающиеся плоскости.

Параллельность прямой и плоскости.

Угол прямой с плоскостью. Перпендикуляр к плоскости.

Двугранные    углы.     Линейный    угол    двугранного      угла.

 

Перпендикулярность двух плоскостей.

 

Многогранники, Их вершины, рѐбра, грани, диагонали. Прямая и наклонная призмы; пирамиды. Правильная призма и правильная пирамида. Параллелепипеды, их виды.

Фигуры вращения: цилиндр, конус, сфера, шар. Центр, диаметр, радиус сферы и шар. Плоскость, касательная к сфере.

 

Формулы площади поверхности и объѐма призмы.

Формулы площади поверхности и объѐма пирамиды.

Формулы площади поверхности и объѐма цилиндра.

Формулы площади поверхности и объѐма конуса.

Формулы объѐма шара.

Формулы площади сферы.

 

II. Основные формулы и теоремы

Алгебра и начала анализа

Свойства функции у = kx + b и еѐ график.

k

 

Свойства функции у = ах2 + bх + с и еѐ график.

Формула корней квадратного уравнения.

 

Разложение квадратного трѐхчлена на линейные множители.

Свойства числовых неравенств.

Логарифм произведения, степени, частного.

 

Определение и свойства функций y = sin x и y = cos x и их графики.

 

Определение и свойства функции y=tg x и еѐ график.

Решение уравнений вида sin x = a; cos x = a; tg x = a.

Формулы приведения.

 

Зависимость между тригонометрическими функциями одного и того же аргумента.

 

Тригонометрические        функции         двойного         аргумента.

Производная суммы двух функций.

 

Геометрия

Свойства равнобедренного треугольника.

 

Свойства точек, равноудалѐнных от концов отрезка.

Признаки параллельности прямых.

 

Сумма углов треугольника. Сумма внешних углов выпуклого многоугольника.

 

Признаки параллелограмма.

Окружность, описанная около треугольника.

Окружность, вписанная в треугольник.

Касательная к окружности и еѐ свойство.

Измерение угла, вписанного в окружность.

Признаки подобия треугольника.

Теорема Пифагора.

 

Формулы площадей параллелограмма, треугольника, трапеции.

 

Формула   расстояния   между    двумя    точками     плоскости.

Уравнение окружности.

Признак параллельности прямой и плоскости.

Признак параллельности плоскостей.

 

Теорема о перпендикулярности прямой и плоскости.

Теорема о трѐх перпендикулярах.

 

Образец билета по математике

для физико-математического факультета

1. Свойства функции у = kx + b и еѐ график.

 

Геометрическая прогрессия. Формула n-го члена и суммы n членов прогрессии.

 

2. Теорема о трех перпендикулярах. (Доказать).

Угол прямой с плоскостью. Перпендикуляр с плоскости.

3.    Решение уравнений вида sin x = a; cos x = a; tg x = a.

 

4.      Высота основания правильной треугольной пирамиды равна 6 см, а боковое ребро образует с высотой пирамиды угол 60°. Найдите объем пирамиды.

 

Образец билета для неспециальных факультетов

 

1.      Косинус суммы и разности двух аргументов, основные свойства и график функции

 

y = ax2 + bx + c (a = 0)

2.      Формулы площади поверхности и объема призмы. Свойства равнобедренного треугольника.

3.      Решить неравенство

х + 3

1

.

х2 -5х+6

2

 

 

4.      Найти объем правильной треугольной призмы, если стороны ее основания равны 2, а площадь боковой поверхности равна сумме площадей оснований.

 

Образец билета для письменного экзамена

      1. Решить неравенство:

 

2.     Решить уравнение:

 

3.     Решить уравнение:

 

4.   Решить неравенство:

 

5.     Прямые, содержащие боковые стороны равнобедренной трапеции, пересекаются под прямым углом. Найти длины сторон трапеции, если ее площадь равна 12см2 , а длина высоты равна 2см.

 

 

 

 

 

Программа по физике

Общие указания

 

Настоящая программа составлена на основе программы средней общеобразовательной школы.

 

Формулировка большинства пунктов программы, по существу, является развѐрнутым планом ответа.

 

При подготовке основное внимание следует уделить выявлению сущности физических законов и явлений, умению истолковывать физический смысл величин и понятий, а также умению применить теоретический материал в решении задач.

 

Экзаменующийся должен уметь пользоваться при вычислениях системой СИ и знать внесистемные единицы, указанные в программе.

 

Глубина ответов на пункты программы определяется содержанием опубликованных учебников для средней школы.

 

I. Механика

Кинематика

 

Механическое движение. Относительность механического движения. Материальная точка. Система отсчѐта. Траектория. Вектор перемещения и его проекции. Путь. Скорость. Сложение скоростей.

 

Ускорение. Прямолинейное равномерное и равнопеременное движение. Зависимости скорости, координат и пути от времени.

 

Криволинейное движение.

 

Равномерное движение по окружности. Угловая скорость. Период и частота обращения. Ускорение тела при движении по окружности. Свободное падение тел. Ускорение свободно падающего тела.

 

Динамика

 

Взаимодействие тел. Первый закон Ньютона. Понятие об инерциальных системах отчѐта. Принцип относительности Эйнштейна.

 

Сила. Сила в механике. Сложение сил, действующих на материальную точку.

 

Инертность тел. Масса. Плотность.

Второй закон Ньютона. Единицы измерения силы и массы.

Третий закон Ньютона.

 

Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная и способы еѐ измерения. Сила тяжести. Зависимость силы тяжести от силы высоты.

 

Силы упругости. Понятие о деформациях. Закон Гука.

 

Силы трения. Сухое трение: трение покоя и трение скольжения. Коэффициент трения. Вязкое трение. Применение законов Ньютона к поступательному движению тел. Центр масс тела. Вес тела. Невесомость. Перегрузки. Применение законов Ньютона к движению материальной точки по окружности. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость.

 

Законы сохранения в механике

Импульс     (количество      движения)     материальной      точки.

Импульс    силы.    Связь     между    приращением     импульса

материальной точки и импульсом силы. Импульс тела. Закон

сохранения импульса. Реактивное движение.

 

Механическая работа. Мощность. Энергия. Единицы измерения работы и мощности.

 

Кинетическая энергия. Связь между приращением кинетической энергии тела и работой приложенных к телу сил.

 

Потенциальная энергия. Потенциальная энергия тел вблизи поверхности Земли. Потенциальная энергия упруго деформированного тела.

 

Закон сохранения механической энергии.

 

Статика твѐрдого тела

Сложение сил. Момент силы относительно оси вращения.

 

Правило моментов. Условия равновесия тела. Центр тяжести тела. Устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие тел.

 

Механика жидкостей и газов

Давление. Единицы измерения давления: паскаль, мм рт. ст. Закон Паскаля. Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Сообщающиеся сосуды. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Изменение атмосферного давления с высотой. Закон Архимеда для тел, находящихся в жидкости или газе. Плавание тел.

 

Механические колебания и волны. Звук

Понятие о колебательном движении. Период и частота колебаний. Гармонические колебания. Смещение, амплитуды и фаза при гармонических колебаниях. Свободные       колебания.     Колебания     груза   на        пружине. Математический        маятник.          Период              их          колебаний. Превращения            энергии          при     гармонических         колебаниях. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс. Понятие о волновых процессах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Скорость распространения волны. Фронт волн. Интерференция волн. Принцип Гюйгенса. Дифракция волн. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость и высота звука.

 

II. Молекулярная физика и термодинамика Основы молекулярно-кинетической теории

 

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение. Масса и размер молекул. Моль вещества. Постоянная Авогадро. Характер движения молекул в газах, жидкостях и твѐрдых телах. Тепловое равновесие. Температура и еѐ физический смысл. Шкала температур Цельсия. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул и температура. Постоянная Больцмана. Абсолютная температурная шкала. Уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния идеального газа). Универсальная газовая постоянная. Изотермический, изохорный и изобарный процессы.

Элементы термодинамики

 

Термодинамическая система. Внутренняя энергия системы. Количество теплоты и работа как меры изменения внутренней энергии. Теплоѐмкость тела. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Расчѐт работы газа с помощью pV — диаграмм. Теплоѐмкость одноатомного идеального газа при изохорном и изобарном процессах.

 

Необратимость процессов в природе. Второй закон термодинамики. Физические основы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя и его максимальное значение.

 

Изменение агрегатного состояния вещества Парообразование. Испарение, кипение. Удельная теплота парообразования. Насыщенный пар. Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры. Зависимость температуры кипения от давления. Критическая температура. Влажность. Относительная влажность.

 

Кристаллическое и амфорное состояние вещества. Удельная

теплота плавления.

Уравнение теплового баланса.

 

III. Электродинамика

Электростатика

 

Электрические заряды. Элементарный электрический заряд. Проводники и диэлектрики. Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие электрически заряженных тел. Электроскоп. Точечный заряд. Закон Кулона. Электрическое          поле.   Напряжѐнность        электрического         поля. Линии напряжѐнности электрического поля (силовые линии). Однородное               электрическое             поле.    Напряжѐнность

 

электрического поля точечного заряда. Принцип суперпозиции полей. Поле уединѐнной проводящей заряженной сферы. Работа сил электростатического поля. Потенциал и разность потенциалов. Потенциал поля точечного заряда. Связь разности потенциалов с напряжѐнностью электро-статического поля. Эквипотенциальные поверхности. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость вещества. Электроѐмкость. Конденсаторы. Поле плоского конденсатора. Электроѐмкость плоского конденсатора. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Энергия электростатического поля заряженного конденсатора. Энергия электрического поля.

 

Постоянный ток

 

Электрический ток. Сила тока. Условия существования тока в цепи. Электродвижущая сила РДС). Напряжение. Закон Ома для участка цепи. Омическое сопротивление проводника. Удельное сопротивление. Зависимость удельного сопротивления    от          температуры. Сверхпроводимость. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Ома для полной цепи. Источники тока, их соединение.

Измерение тока и разности потенциалов цепи. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца. Электрический ток в металлах. Электрический ток в электролитах. Закон электролиза (закон Фарадея).

 

Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронная лампа — диод. Электронно-лучевая трубка. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников от температуры, р-n — переход и его свойства. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Понятие о плазме.

 

Магнетизм

 

Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Индукция магнитного поля (магнитная индукция). Линии магнитной индукции. Картины магнитного поля прямого тока и соленоида.

 

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

 

Электромагнитная индукция

 

Магнитный поток. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции.

 

Энергия магнитного поля катушки индуктивности с током.

 

Электромагнитные колебания и волны Переменный электрический ток. Амплитудное и действующее (эффектное) значение периодически изменяющегося напряжения и тока. Получение переменного тока с помощью индукционных генераторов. Трансформатор. Передача электрической энергии. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращения энергии в колебательном контуре. Формула Томпсона для периода колебаний. Затухающие электромагнитные колебания. Вынужденные колебания в электрических цепях. Активное, ѐмкостное и индуктивное сопротивление в цепи гармонического тока. Резонанс в электрических цепях. Открытый               колебательный            контур.             Опыт   Герца. Электромагнитные               волны. Их         свойства.          Шкала электромагнитных волн. Излучение и приѐм электромагнитных волн. Изобретение радио Поповым.

 

 

                                    IV. Оптика

Геометрическая оптика Развитие взглядов на природу света. Закон прямолинейного распространения света. Понятие луча. Законы отражения света. Плоское зеркало. Законы преломления света. Абсолютный и относительный показатели преломления. Ход лучей в призме. Явление полного (внутреннего) отражения. Тонкие линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы. Построение изображения в собирающих и рассеивающих линзах. Формула линзы. Увеличение, даваемое линзами. Оптические приборы: лупа, фотоаппарат, проекционный аппарат, микроскоп. Ход лучей в этих приборах. Глаз.

 

Элементы физической оптики Волновые           свойства           света. Поляризация               света. Электромагнитная природа света. Скорость света в однородной среде. Дисперсия света. Интерференция света. Когерентные источники. Условия образования максимумов и минимумов в интерференционной картине. Дифракция света. Опыт Юнга. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракционная решѐтка. Корпускулярные свойства света. Постоянная Планка. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Фотон. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постулаты Эйнштейна. Связь между массой и энергией.

 

V. Атом и атомное ядро

 

Опыт Резерфорда по рассеянию a -частиц. Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение энергии атомом. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектральный анализ.

 

Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Понятие о ядерных реакциях. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства. Цепные ядерные реакции. Термоядерная реакция.

 

Биологическое действие радиоактивных излучений. Защита от радиации.

 

Образец билета по физике

1.      Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения

 

2.      Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Температура и ее измерение.

 

3.      Радиоактивность. Изотопы. Альфа-, бета- и гамма-излучения.

4.      На каком расстоянии от собирающей линзы с фокусным расстоянием 10 см нужно поставить предмет, для того чтобы получить действительное изображение с увеличением в 10 раз?

 

 

Ионизирующее излучение, последствия для здоровья и защитные меры

Что такое ионизирующее излучение? 

Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновское излучение) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения. Нестабильные элементы, образующиеся при распаде и испускающие ионизирующее излучение, называются радионуклидами.

Все радионуклиды уникальным образом идентифицируются по виду испускаемого ими излучения, энергии излучения и периоду полураспада.

Активность, используемая в качестве показателя количества присутствующего радионуклида, выражается в единицах, называемых беккерелями (Бк): один беккерель — это один акт распада в секунду. Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы активность радионуклида в результате распада уменьшилась наполовину от его первоначальной величины. Период полураспада радиоактивного элемента — это время, в течение которого происходит распад половины его атомов. Оно может находиться в диапазоне от долей секунды до миллионов лет (например, период полураспада йода-131 составляет 8 дней, а период полураспада углерода-14 — 5730 лет).

Источники излучения

Люди каждый день подвергаются воздействию естественного и искусственного излучения. Естественное излучение происходит из многочисленных источников, включая более 60 естественным образом возникающих радиоактивных веществ в почве, воде и воздухе. Радон, естественным образом возникающий газ, образуется из горных пород, почвы и является главным источником естественного излучения. Ежедневно люди вдыхают и поглощают радионуклиды из воздуха, пищи и воды.

Люди подвергаются также воздействию естественного излучения из космических лучей, особенно на большой высоте. В среднем 80% ежегодной дозы, которую человек получает от фонового излучения, это естественно возникающие наземные и космические источники излучения. Уровни такого излучения варьируются в разных реогрфических зонах, и в некоторых районах уровень может быть в 200 раз выше, чем глобальная средняя величина.

На человека воздействует также излучение из искусственных источников — от производства ядерной энергии до медицинского использования радиационной диагностики или лечения. Сегодня самыми распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения являются медицинские аппараты, как рентгеновские аппараты, и другие медицинские устройства.

Воздействие ионизирующего излучения

Воздействие излучения может быть внутренним или внешним и может происходить различными путями.

Внутренне воздействие ионизирующего излучения происходит, когда радионуклиды вдыхаются, поглощаются или иным образом попадают в кровообращение (например, в результате инъекции, ранения). Внутреннее воздействие прекращается, когда радионуклид выводится из организма либо самопроизвольно (с экскрементами), либо в результате лечения.

Внешнее радиоактивное заражение может возникнуть, когда радиоактивный материал в воздухе (пыль, жидкость, аэрозоли) оседает на кожу или одежду. Такой радиоактивный материал часто можно удалить с тела простым мытьем.

Воздействие ионизирующего излучения может также произойти в результате внешнего излучения из соответствующего внешнего источника (например, такое как воздействие радиации, излучаемой медицинским рентгеновским оборудованием). Внешнее облучение прекращается в том случае, когда источник излучения закрыт, или когда человек выходит за пределы поля излучения.

Люди могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения в различных обстоятельствах: дома или в общественных местах (облучение в общественных местах), на своих рабочих местах (облучение на рабочем месте) или в медицинских учреждениях (пациенты, лица, осуществляющие уход, и добровольцы).

Воздействие ионизирующего излучения можно классифицировать по трем случаям воздействия.

Первый случай — это запланированное воздействие, которое обусловлено преднамеренным использованием и работой источников излучения в конкретных целях, например, в случае медицинского использования излучения для диагностики или лечения пациентов, или использование излучения в промышленности или в целях научных исследований.

Второй случай — это существующие источники воздействия, когда воздействие излучения уже существует и в случае которого необходимо принять соответствующие меры контроля, например, воздействие радона в жилых домах или на рабочих местах или воздействие фонового естественного излучения в условиях окружающей среды.

Последний случай — это воздействие в чрезвычайных ситуациях, обусловленных неожиданными событиями, предполагающими принятие оперативных мер, например, в случае ядерных происшествий или злоумышленных действий.

На медицинское использование излучения приходится 98% всей дозы облучения из всех искусственных источников; оно составляет 20% от общего воздействия на население.  Ежегодно в мире проводится 3 600 миллионов радиологических обследований в целях диагностики, 37 миллионов процедур с использованием ядерных материалов и 7,5 миллиона процедур радиотерапии в лечебных целях.

Последствия ионизирующего излучения для здоровья

Радиационное повреждение тканей и/или органов зависит от полученной дозы облучения или поглощенной дозы, которая выражается в грэях (Гр).

Эффективная доза используется для измерения ионизирующего излучения с точки зрения его потенциала причинить вред. Зиверт (Зв) — единица эффективной дозы, в которой учитывается вид излучения и чувствительность ткани и органов. Она дает возможность измерить ионизирующее излучение с точки зрения потенциала нанесения вреда. Зв учитывает вид радиации и чувствительность органов и тканей. 

Зв является очень большой единицей, поэтому более практично использовать меньшие единицы, такие как миллизиверт (мЗв) или микрозиверт (мкЗв). В одном мЗв содержится тысяча мкЗв, а тысяча мЗв составляют один Зв. Помимо количества радиации (дозы), часто полезно показать скорость выделения этой дозы, например мкЗв/час или мЗв/год. 

Выше определенных пороговых значений облучение может нарушить функционирование тканей и/или органов и может вызвать острые реакции, такие как покраснение кожи, выпадение волос, радиационные ожоги или острый лучевой синдром. Эти реакции являются более сильными при более высоких дозах и более высокой мощности дозы. Например, пороговая доза острого лучевого синдрома составляет приблизительно 1 Зв (1000 мЗв).

Если доза является низкой и/или воздействует длительный период времени (низкая мощность дозы), обусловленный этим риск существенно снижается, поскольку в этом случае увеличивается вероятность восстановления поврежденных тканей. Тем не менее риск долгосрочных последствий, таких как рак, который может проявиться через годы и даже десятилетия, существует. Воздействия этого типа проявляются не всегда, однако их вероятность пропорциональна дозе облучения. Этот риск выше в случае детей и подростков, так как они намного более чувствительны к воздействию радиации, чем взрослые.

Эпидемиологические исследования в группах населения, подвергшихся облучению, например людей, выживших после взрыва атомной бомбы, или пациентов радиотерапии, показали значительное увеличение вероятности рака при дозах выше 100 мЗв. В ряде случаев более поздние эпидемиологические исследования на людях, которые подвергались воздействию в детском возрасте в медицинских целях (КТ в детском возрасте), позволяют сделать вывод о том, что вероятность рака может повышаться даже при более низких дозах (в диапазоне 50-100 мЗв).

Дородовое воздействие ионизирующего излучения может вызвать повреждение мозга плода при сильной дозе, превышающей 100 мЗв между 8 и 15 неделей беременности и 200 мЗв между 16 и 25 неделей беременности. Исследования на людях показали, что до 8 недели или после 25 недели беременности связанный с облучением риск для развития мозга плода отсутствует. Эпидемиологические исследования свидетельствуют о том, что риск развития рака у плода после воздействия облучения аналогичен риску после воздействия облучения в раннем детском возрасте.

Деятельность ВОЗ

ВОЗ разработала радиационную программу защиты пациентов, работников и общественности от опасности воздействия радиации на здоровье в планируемых, существующих и чрезвычайных случаях воздействия. Эта программа, которая сосредоточена на аспектах общественного здравоохранения, охватывает деятельность, связанную с оценкой риска облучения, его устранением и информированием о нем.

В соответствии с основной функцией, касающейся «установления норм и стандартов, содействия в их соблюдении и соответствующего контроля» ВОЗ сотрудничает с 7 другими международными организациями в целях пересмотра и обновления международных стандартов базовой безопасности, связанной с радиацией (СББ). ВОЗ приняла новые международные СББ в 2012 году и в настоящее время проводит работу по оказанию поддержки в осуществлении СББ в своих государствах-членах.

 

Первый закон термодинамики

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите первый закон термодинамики.
  • Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
  • Выявить примеры первого закона термодинамики, работающие в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
  • Рассчитывает изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.

Рис. 1. Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)

Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее.Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой . В форме уравнения первый закон термодинамики: Δ U = Q W .

Здесь Δ U — это изменение внутренней энергии U системы. Q — это чистое тепло , , переданное в систему. , то есть Q — это сумма всей теплопередачи в систему и из нее. W — это чистая работа , выполненная системой , то есть W — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею. Мы используем следующие условные обозначения: если значение Q положительное, значит, в системе имеется чистый теплообмен; если значение W положительное, значит, система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом Δ U = Q Вт .Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример — в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу. (См. Рисунок 2.) Теперь мы рассмотрим Q , W и Δ U далее.

Рис. 2. Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Q положителен для чистой передачи тепла в систему. W — это общий объем работы, проделанной с системой. W положителен, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы Δ U связано с теплом и работой по первому закону термодинамики Δ U = Q Вт .

Установление связей: закон термодинамики и закон сохранения энергии

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

Нагрев

Q и рабочий Вт

Теплопередача ( Q ) и выполнение работы ( W ) — два повседневных средства подачи энергии в систему или вывода энергии из системы.Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее, тепло и работа могут дать одинаковые результаты, например, оба могут вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину.Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменить внутреннюю энергию U системы. Внутренняя энергия — это форма энергии, полностью отличная от тепла или работы.

Внутренняя энергия

U

Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами.Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. Внутренняя энергия U системы — это сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией. Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями.Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии Δ U как значение, определяемое первым законом термодинамики: Δ U = Q Вт .

Многие подробные эксперименты подтвердили, что Δ U = Q W , где Δ U — изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул в системе.Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, U оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например от того, была ли проведена теплопередача или была проделана работа. Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем рассчитать изменения ее внутренней энергии U на основе нескольких макроскопических переменных.

Установление соединений: макроскопическое и микроскопическое

В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчетах поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы. Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2.Система имеет внутреннюю энергию U 1 в Состоянии 1 и внутреннюю энергию U 2 в Состоянии 2, независимо от того, как она попала в любое из состояний. Таким образом, изменение внутренней энергии Δ U = U 2 U 1 не зависит от того, что вызвало изменение. Другими словами, Δ U не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что Δ U = Q W Q , и W зависят от пути , а Δ U — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию U легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.

Пример 1. Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

U производится двумя разными процессами
  1. Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже появляется теплоотдача 25.00 Дж из системы, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?
  2. Каково изменение внутренней энергии системы, когда в общей сложности 150,00 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы выполняется в системе? (См. Рисунок 3).

Рисунок 3. Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа требует всего 6.00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q-W = 9,00 Дж. (B) При передаче тепла из системы удаляется 150,00 Дж, в то время как работа затрачивает в нее 159,00 Дж, что приводит к увеличению внутренней энергии на 9,00 Дж. Если система начинает работу в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

Стратегия

В части 1 мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации.Тогда первый закон термодинамики (Δ U = Q W ) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для Части 1

Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

Q = 40,00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж

Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

Вт = 10.00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж.

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

Δ U = Q W = 15,00 Дж — 6,00 Дж = 9,00 Дж

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Сначала рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на выходе, или Δ U 1 = Q 1 W 1 = 40,00 Дж — 10,00 Дж = 30,00 Дж.

Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплоотдачи и 4,00 Дж работы на входе, или

Δ U 2 = Q 2 W 2 = –25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = –21,00 Дж

Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или Δ U = Δ U 1 + Δ U 2 = 30,00 Дж + (−21,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение части 1

Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

Решение для Части 2

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны непосредственно как Q = –150,00 Дж и Вт = –159,00 Дж, так что

Δ U = Q W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение части 2

Совершенно другой процесс в части 2 дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части 1. Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с Δ U , а не с отдельным Q s или Вт с задействовано.Система оказывается в состоянии , одинаковое в обеих частях. Части 1 и 2 представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаковое — оно не зависит от пути.

Метаболизм человека и первый закон термодинамики

Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики.Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что Q отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром.Это означает, что W положительный. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку Δ U = Q Вт отрицательно.

Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Тело метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, при котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

В химии и биохимии одна калория (обозначается строчной c) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и любители веса склонны использовать диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной C).Одна еда Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать их.

Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а пища возвращает ее.Если вы едите нужное количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге Δ U = 0. Если вы постоянно переедаете, Δ U всегда положительный, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если Δ U будет отрицательным в течение нескольких дней, то организм усваивает собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, отнимающую у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Тело накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным в результате более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа.Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии.

Тело дает нам отличный признак того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице.Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики показаны на рисунке 4. Одно большое преимущество законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета осложнения между ними.В таблице 1 представлена ​​сводка терминов, относящихся к первому закону термодинамики.

Рис. 4. (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую организмом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Таблица 1.Краткое изложение терминов первого закона термодинамики, ΔU = Q — W
Срок Определение
U Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, P , V и T ), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
Q Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. Q Вход в систему положительный.
Вт Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. W , выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным.

Сводка раздела

  • Первый закон термодинамики задается как Δ U = Q — W , где Δ U — изменение внутренней энергии системы, Q — чистая теплопередача (сумма вся передача тепла в систему и из нее), а W — это чистая проделанная работа (сумма всей работы, проделанной в системе или ею).
  • И Q , и W — энергия в пути; только Δ U представляет собой независимую величину, которую можно хранить.
  • Внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
  • Метаболизм живых организмов и фотосинтез растений — это особые виды передачи тепла, выполнения работы и внутренней энергии систем.

Концептуальные вопросы

  1. Опишите фотографию чайника в начале этого раздела с точки зрения теплопередачи, проделанной работы и внутренней энергии. Как передается тепло? Какая работа и что делается? Как чайник поддерживает свою внутреннюю энергию?
  2. Первый закон термодинамики и закон сохранения энергии, как обсуждалось в «Сохранении энергии», явно связаны.Чем они различаются по рассматриваемым видам энергии?
  3. Теплопередача Q и выполненная работа Вт — это всегда энергия в пути, тогда как внутренняя энергия U — это энергия, запасенная в системе. Приведите пример каждого типа энергии и конкретно укажите, как он передается или находится в системе.
  4. Чем отличаются теплопередача и внутренняя энергия? В частности, что можно сохранить как таковое в системе, а что нет?
  5. Если вы сбежите по лестнице и остановитесь, что произойдет с вашей кинетической энергией и вашей начальной гравитационной потенциальной энергией?
  6. Объясните, как пищевая энергия (калории) может рассматриваться как молекулярная потенциальная энергия (в соответствии с атомарным и молекулярным определением внутренней энергии).
  7. Определите тип энергии, передаваемой вашему телу в каждом из следующих случаев: внутренняя энергия, теплопередача или выполнение работы: (а) купание в солнечном свете; (б) употребление пищи; (c) подъем на лифте на более высокий этаж.

Задачи и упражнения

  1. Как изменится внутренняя энергия автомобиля, если в его бак залить 12 галлонов бензина? Энергетическая ценность бензина составляет 1,3 × 10 8 Дж / галлон. Все остальные факторы, например температура в автомобиле, постоянны.
  2. Сколько тепла происходит от системы, если ее внутренняя энергия уменьшилась на 150 Дж, пока она выполняла 30,0 Дж работы?
  3. Система выполняет 1,80 × 10 8 Дж работы, в то время как 7,50 × 10 8 Дж теплопередача происходит в окружающую среду. Каково изменение внутренней энергии системы при отсутствии других изменений (например, температуры или добавления топлива)?
  4. Каково изменение внутренней энергии системы, которая выполняет 4,50 × 10 5 Дж, пока 3.00 × 10 6 Дж теплопередачи происходит в систему, и 8.00 × 10 6 Дж теплопередачи происходит в окружающую среду?
  5. Предположим, что женщина выполняет 500 Дж работы, и 9500 Дж в процессе передачи тепла в окружающую среду. а) Как уменьшается ее внутренняя энергия, если не меняется температура или потребление пищи? (То есть другой передачи энергии нет.) Б) Какова ее эффективность?
  6. (а) Сколько пищевой энергии человек усвоит в процессе усвоения 35.0 кДж работы при КПД 5,00%? б) Сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать постоянную температуру?
  7. (а) Какова средняя скорость метаболизма в ваттах человека, который усваивает 10 500 кДж пищевой энергии за один день? (б) Какое максимальное количество работы в джоулях он может выполнить без расщепления жира, предполагая максимальную эффективность 20,0%? (c) Сравните его производительность с дневной мощностью двигателя 187 Вт (0,250 лошадиных сил).
  8. (a) На сколько времени хватит энергии в стакане йогурта мощностью 1470 кДж (350 ккал) у женщины, выполняющей работу с мощностью 150 Вт с эффективностью 20?0% (например, при неспешном подъеме по лестнице)? (б) Означает ли время, указанное в части (а), легко потребить больше пищевой энергии, чем вы можете разумно ожидать, работая с упражнениями?
  9. (a) Женщина, поднимающаяся на памятник Вашингтону, усваивает 6,00 × 10 2 кДж пищевой энергии. Если ее КПД составляет 18,0%, сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать ее температуру постоянной? (б) Обсудите величину теплопередачи, указанную в (а). Это согласуется с тем, что вы быстро разминаетесь во время тренировки?

Глоссарий

Первый закон термодинамики: утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой

внутренняя энергия: сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы

метаболизм человека: преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,6 × 10 9 Дж

3. −9.30 × 10 8 Дж

5. (а) -1,0 × 10 4 Дж, или -2,39 ккал; (б) 5,00%

7. (а) 122 Вт; (б) 2,10 × 10 6 Дж; (c) Работа двигателя составляет 1,61 × 10 7 Дж; таким образом, двигатель производит в 7,67 раз больше работы, чем человек

9. (а) 492 кДж; (б) Такое количество тепла соответствует тому факту, что вы быстро согреваетесь во время тренировки. Поскольку организм неэффективен, выделяемое избыточное тепло должно рассеиваться через потоотделение, дыхание и т. Д.

Определение: тепло | Информация об открытой энергии

Тепло — это форма энергии, которая передается между системами или объектами с разной температурой (течет от высокотемпературной системы к низкотемпературной системе). Также называется тепловой энергией или тепловой энергией. Тепло обычно измеряется в британских тепловых единицах, калориях или джоулях. Тепловой поток или скорость, с которой тепло передается между системами, имеет те же единицы, что и мощность: энергия в единицу времени (Дж / с). [1] [2] [3] [4]

Определение Википедии

В термодинамике тепло — это энергия, передаваемая в термодинамическую систему или из нее посредством иных механизмов, кроме термодинамической работы или передачи вещества.Различные механизмы передачи энергии, определяющие тепло, изложены в следующем разделе этой статьи. Подобно термодинамической работе, теплопередача — это процесс, в котором участвует более одной системы, а не свойство какой-либо одной системы. В термодинамике энергия, передаваемая в виде тепла (функция процесса), способствует изменению кардинальной энергетической переменной состояния системы, например, ее внутренней энергии или, например, ее энтальпии. Это следует отличать от концепции тепла в обычном языке как свойства изолированной системы.Количество энергии, переданной в виде тепла в процессе, — это количество переданной энергии, исключая любую выполненную термодинамическую работу и любую переданную энергию, содержащуюся в веществе. Для точного определения тепла необходимо, чтобы оно происходило по пути, который не включает перенос вещества. Хотя не сразу по определению, но в особых видах процессов, количество энергии, переданной в виде тепла, можно измерить по ее влиянию на состояния взаимодействующих тел. Например, в особых обстоятельствах, соответственно, теплопередача может быть измерена по количеству растаявшего льда или по изменению температуры тела, окружающего систему.Такие методы называются калориметрией. Обычный символ, используемый для обозначения количества тепла, переданного в термодинамическом процессе, — Q. В качестве количества энергии (передаваемой) единицей тепла в системе СИ является джоуль (Дж). В термодинамике тепло — это энергия, передаваемая в или из термодинамической системы с помощью механизмов, отличных от термодинамической работы или переноса вещества. Различные механизмы передачи энергии, определяющие тепло, изложены в следующем разделе этой статьи. Подобно термодинамической работе, теплопередача — это процесс, в котором участвует более одной системы, а не свойство какой-либо одной системы.В термодинамике энергия, передаваемая в виде тепла, способствует изменению кардинальной энергетической переменной состояния системы, например ее внутренней энергии или, например, ее энтальпии. Это следует отличать от концепции тепла в обычном языке как свойства изолированной системы. Количество энергии, переданной в виде тепла в процессе, — это количество переданной энергии, исключая любую выполненную термодинамическую работу и любую переданную энергию, содержащуюся в веществе. Для точного определения тепла необходимо, чтобы оно происходило по пути, который не включает перенос вещества.Хотя не сразу по определению, но в особых видах процессов, количество энергии, переданной в виде тепла, можно измерить по ее влиянию на состояния взаимодействующих тел. Например, в особых обстоятельствах, соответственно, теплопередача может быть измерена по количеству растаявшего льда или по изменению температуры тела, окружающего систему. Такие методы называются калориметрией. Обычный символ, используемый для обозначения количества тепла, переданного в термодинамическом процессе, — Q.В качестве количества энергии (передаваемой) единицей тепла в системе СИ является джоуль (Дж). В термодинамике тепло — это энергия, передаваемая в термодинамическую систему или из нее посредством иных механизмов, кроме термодинамической работы или передачи вещества. Подобно термодинамической работе, теплопередача — это процесс, в котором участвует более одной системы, а не свойство какой-либо одной системы. В термодинамике энергия, передаваемая в виде тепла, способствует изменению кардинальной энергетической переменной состояния системы, например его внутренняя энергия или его энтальпия.Это следует отличать от концепции тепла как свойства изолированной системы. Количество энергии, переданной в виде тепла в процессе, — это количество переданной энергии, исключая любую термодинамическую работу и любую энергию, содержащуюся в переданном веществе. Для точного определения тепла необходимо, чтобы оно происходило по пути, который не включает перенос вещества. В особых видах процессов количество энергии, переданной в виде тепла, можно измерить по ее влиянию на состояния взаимодействующих тел, например.грамм. количество растаявшего льда или изменение температуры тела в окружающей системе. Такие методы называются калориметрией. Обычный символ, используемый для обозначения количества тепла, переданного в термодинамическом процессе, — Q. В качестве количества энергии (передаваемой) единицей тепла в системе СИ является джоуль (Дж).

Определение Reegle

Также известен как
Тепловая энергия
Связанные термины
Теплообменник, тепловой насос, централизованное теплоснабжение, природный газ, энергия, тепловая энергия, энергия, система, тепловой насос, топливный элемент
Список литературы
  1. ↑ http: // www.engineeringtoolbox.com/heat-work-energy-d_292.html
  2. ↑ http://205.254.135.24/tools/glossary/index.cfm?id=H
  3. ↑ http://thermalenergy.org/heattransfer.php
  4. ↑ http://www1.eere.energy.gov/site_administration/glossary.html

Термодинамика: определение и законы | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которую вещество или система имеет благодаря своей температуре, то есть энергия движущихся или колеблющихся молекул, согласно веб-сайту Energy Education Агентства образования Техаса. Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури, может быть «чрезвычайно сложным». «Системы, которые мы изучаем в термодинамике… состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом.Но если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесием, их можно описать с помощью очень небольшого количества измерений или чисел. Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел. Три числа описывают 10 26 или 10 30 номинальных независимых переменных ».

Тепло

Термодинамика, таким образом, касается нескольких свойств материи, главным из которых является тепло.Согласно Energy Education, тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами из-за разницы температур между ними. Как форма энергии, тепло сохраняется, то есть не может быть создано или уничтожено. Однако его можно переносить из одного места в другое. Тепло также может быть преобразовано в другие формы энергии и обратно. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическую энергию для работы генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую. Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью преобразуется обратно в тепло.

Температура

Количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества движущихся атомов или молекул, согласно Energy Education. Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура и чем больше атомов или молекул находятся в движении, тем большее количество тепла они переносят.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных по стандартной шкале», согласно словарю American Heritage Dictionary.Наиболее часто используемой температурной шкалой является Цельсия, которая основана на точках замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 градусов C и 100 градусов C. Шкала Фаренгейта также основана на температурах замерзания и кипения воды, которые были заданы. значения 32 F и 212 F соответственно.

Ученые всего мира, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она работает в расчетах. Эта шкала использует то же приращение, что и шкала Цельсия, т.е.е. изменение температуры на 1 C равно 1 K. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и прекращается движение всех молекул. Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество тепла, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенное количество, называется удельной теплоемкостью или удельной теплоемкостью. емкость, согласно Wolfram Research. Традиционной единицей измерения является калорий на грамм на кельвин.Калорийность определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 C на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце, а не от его массы. Например, килограмм алюминия может поглотить в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако атомы свинца могут поглощать только примерно на 8 процентов больше тепла, чем такое же количество атомов алюминия. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем равная масса алюминия.Удельная теплоемкость газа более сложна и зависит от того, измеряется ли она при постоянном давлении или постоянном объеме.

Теплопроводность

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через указанный материал, выраженная как количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу площади с градиентом температуры в один градус на единицу. расстояние », согласно Оксфордскому словарю. Единица измерения для k — ватты (Вт) на метр (м) на кельвин (К).Значения k для металлов, таких как медь и серебро, относительно высоки и составляют 401 и 428 Вт / м · К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения для компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Наивысшее значение k для любого природного вещества — это алмаз при 2200 Вт / м · К.

Другие материалы полезны, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как минеральная вата, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции наружных стен зданий, зимних пальто и термокружек. R — значение дано в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на британские тепловые единицы (футы 2 · ° F · час / британские тепловые единицы) для плиты толщиной 1 дюйм.

Закон охлаждения Ньютона

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые изложил свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala Graduum Caloris» («Шкала градусов тепла») в «Философских трудах Королевского общества».Утверждение закона Ньютона переводится с оригинального латинского как: «Превышение градусов тепла … было в геометрической прогрессии, когда время в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию закона, поскольку «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному уменьшению разницы температур.Например, если в течение определенного времени поместить теплый предмет в холодную ванну, разница в их температурах уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторное уменьшение вдвое разницы температур будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком маленькой для измерения.

Теплопередача

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Проводимость — это передача энергии через твердый материал . Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция — это передача тепла жидкой среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам перемещаться на место и повторять процесс. Эффективность можно повысить, увеличив площадь нагреваемой или охлаждаемой поверхности, как в случае с радиатором, и заставив жидкость перемещаться по поверхности, как в случае вентилятора.

Излучение — это излучение электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. Все вещества испускают и поглощают некоторое электромагнитное излучение, чистое количество которого определяет, приведет ли это к потере или приросту тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель теплового двигателя, основанную на так называемом цикле Карно. Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и работать вне системы.

Сжатие газа увеличивает его температуру, поэтому он становится горячее окружающей среды. Затем тепло можно отводить от горячего газа с помощью теплообменника. Затем, если позволить ему расшириться, он остынет. Это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

И наоборот, нагревание газа увеличивает его давление, заставляя его расширяться. Затем давление расширения можно использовать для приведения в действие поршня, таким образом преобразуя тепловую энергию в кинетическую энергию.Это основной принцип тепловых двигателей.

Энтропия

Все термодинамические системы производят отходящее тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая для закрытой системы является «количественной мерой количества тепловой энергии, недоступной для выполнения работы», согласно словарю American Heritage Dictionary. Энтропия в любой замкнутой системе всегда увеличивается на ; это никогда не уменьшается . Кроме того, движущиеся части выделяют отходящее тепло из-за трения, и радиационное тепло неизбежно выходит из системы.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури, объясняет: «Вы не можете построить двигатель со 100-процентной эффективностью, что означает, что вы не можете построить вечный двигатель. Однако есть много людей, которые до сих пор этого не делают. Я не верю этому, и есть люди, которые все еще пытаются построить вечные двигатели ».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо увеличивается.Вы можете смешать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочная, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную, не добавив энергии в систему. Другими словами, вы не можете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Хотя некоторые процессы кажутся полностью обратимыми, на практике нет ни одного. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах.Позже было установлено, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было прямо указывать. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были приняты и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой изменения нумерации существующих законов, что вызовет значительную путаницу, или помещения главного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая разрешила дилемму: он назвал новый закон «нулевым законом». Вкратце, это следующие законы:

Нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная в системе.В нем говорится, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения.

Второй закон гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит денег.

Третий закон гласит, что энтропия чистого кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «пустой тратой энергии», т.е.е. энергия, которая не может выполнять работу, и поскольку нет никакой тепловой энергии при абсолютном нуле, не может быть потерь энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, которое вызывает беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с более низкой энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.

Наука термодинамика развивалась веками, и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам.Его важность в современных технологиях невозможно переоценить.

Дополнительные ресурсы

Работа, энергия и сила

Кинетическая энергия — это энергия движения. Объект, который движется — будь то вертикальное или горизонтальное движение — обладает кинетической энергией. Есть много форм кинетической энергии — колебательная (энергия, обусловленная колебательным движением), вращательная (энергия, обусловленная вращательным движением) и поступательная (энергия, обусловленная движением из одного места в другое).Чтобы не усложнять задачу, мы сосредоточимся на поступательной кинетической энергии. Количество поступательной кинетической энергии (далее фраза кинетическая энергия будет относиться к поступательной кинетической энергии), которую имеет объект, зависит от двух переменных: массы (m) объекта и скорости (v) объекта. Следующее уравнение используется для представления кинетической энергии (KE) объекта.

KE = 0,5 • м • v 2

где м = масса объекта

v = скорость объекта

Это уравнение показывает, что кинетическая энергия объекта прямо пропорциональна квадрату его скорости.Это означает, что при двукратном увеличении скорости кинетическая энергия увеличится в четыре раза. При трехкратном увеличении скорости кинетическая энергия увеличится в девять раз. А при четырехкратном увеличении скорости кинетическая энергия увеличится в шестнадцать раз. Кинетическая энергия зависит от квадрата скорости. Как часто говорят, уравнение — это не просто рецепт решения алгебраических задач, но и руководство к размышлениям о взаимосвязи между величинами.2.


1 Джоуль = 1 кг • м 2 / с 2


Мы хотели бы предложить … Как скорость автомобиля (и, следовательно, его кинетическая энергия) влияет на расстояние, которое потребуется для его торможения до остановки? Взаимодействуйте, исследуйте и узнавайте ответ на этот вопрос с помощью нашей интерактивной программы «Тормозное расстояние». Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте.Интерактивная функция «Тормозное расстояние» позволяет учащемуся исследовать влияние скорости на тормозной путь игрушечной машины.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание кинетической энергии, чтобы ответить на следующие вопросы. Затем нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Определите кинетическую энергию автомобиля американских горок весом 625 кг, движущегося со скоростью 18.3 м / с.

2. Если бы американские горки в описанной выше задаче двигались с удвоенной скоростью, то какова была бы его новая кинетическая энергия?

3. Мисси Дьюотер, бывшая ныряльщица с платформы цирка братьев Ринглинг, имела кинетическую энергию 12 000 Дж незадолго до того, как попала в ведро с водой. Если масса Мисси 40 кг, то какова ее скорость?

4.Компактный автомобиль массой 900 кг, движущийся со скоростью 60 миль / час, имеет около 320 000 Джоулей кинетической энергии. Оцените его новую кинетическую энергию, если он движется со скоростью 30 миль / час. (ПОДСКАЗКА: используйте уравнение кинетической энергии как «руководство к размышлению».)

значение для регулирования массы тела

Фундаментальный принцип питания и обмена веществ заключается в том, что изменение массы тела связано с дисбалансом между энергетическим содержанием съеденной пищи и энергией, расходуемой организмом на поддержание жизни и выполнение физической работы.Такая структура энергетического баланса является потенциально мощным инструментом для исследования регуляции веса тела. Однако нам необходимо лучше понять компоненты энергетического баланса и их взаимодействия в различных временных масштабах, чтобы объяснить естественную историю таких состояний, как ожирение, и оценить масштабы и потенциальный успех терапевтических вмешательств. Поэтому ASN и Международный институт наук о жизни созвали группу, состоящую из членов, обладающих опытом в управлении весом, энергетическом метаболизме, физической активности и поведении, для обзора опубликованной научной литературы и заслушивания презентаций других экспертов в этих областях.Консенсусная комиссия собралась 9–12 мая 2011 года в Чикаго, штат Иллинойс, и ей было поручено дать ответы на следующие 5 вопросов:

  1. Объяснение энергетического баланса и дисбаланса с точки зрения биологической системы, в которой потребление энергии и расход энергии изменяются. время в ответ на окружающую среду.

  2. Каковы взаимодействия между компонентами энергетического баланса и как они регулируются?

  3. Насколько верны некоторые из распространенных убеждений, связанных с энергетическим балансом?

  4. С какими ограничениями мы сталкиваемся при изучении энергетического баланса и его составляющих?

  5. Какие исследования могут лучше проинформировать наши знания об энергетическом балансе и его компонентах?

Вопрос 1: Объясните энергетический баланс и дисбаланс с точки зрения биологической системы, в которой потребление энергии и расход энергии меняются с течением времени в зависимости от окружающей среды

Физиология человека подчиняется первому закону термодинамики, который гласит, что энергия может быть преобразованным из одной формы в другую, но не может быть создан или уничтожен.Этот закон обычно формулируется так: скорость изменения тела E S 10 равна разнице между скоростями E I и E O . Все эти термины выражаются в виде энергии в единицу времени.

E I в основном состоит из химической энергии пищи и жидкостей, которые мы потребляем. E O включает потери лучистого, проводящего и конвективного тепла; любая выполненная работа; и скрытая теплота испарения. E S — это скорость изменения запасов макроэлементов в организме.Уравнение баланса энергии (E S = E I — E O ) представляет собой формулировку принципа сохранения энергии.

Компоненты потребления

Потребление энергии включает 3 основные группы макроэлементов — углеводы, белки и жиры, а также меньший компонент — алкоголь. После приема внутрь чистое всасывание основных групп макроэлементов является непостоянным и неполным, при этом фекальные потери составляют примерно 2–10% от валового количества E I . Чистое усвоение пищевых энергетических компонентов различается у разных людей и зависит от конкретных съеденных продуктов, способа их приготовления и кишечных факторов.

Метаболическая энергия (далее E I ) диеты представляет собой разницу между абсолютной энергией проглоченных субстратов и потерями энергии, обнаруженными в фекалиях и моче. Обычно используемые плотности энергии для углеводов (4 ккал / г, 17 кДж / г), белков (4 ккал / г, 17 кДж / г) и жиров (9 ккал / г, 38 кДж / г) представляют собой средние показатели метаболизируемой энергии среди населения. , который представляет собой количество топлива, фактически доступное клеткам для проведения биологических процессов.

Усвояемость зависит от состава пищевого продукта и от содержания в нем клетчатки и других неперевариваемых компонентов.Такие компоненты могут механически ограничивать доступ пищеварительных ферментов к пище, которая потенциально может быть перевариваемой. Например, орехи и другие растительные материалы имеют клеточные стенки, которые не могут быть переварены кишечными ферментами, и, таким образом, они защищают содержимое клеток от переваривания, если они не пережевываются в достаточной степени, чтобы разрушить клеточную структуру. Эти эффекты могут иметь большое влияние на усвоение потребляемых макроэлементов. Вариабельность эффективности всасывания зависит от многих дополнительных факторов (например, кишечной флоры, приготовления пищи, состава диеты), которые могут объяснять индивидуальные различия в метаболизируемых E I .

Компоненты расхода (EO)

Абсорбированные углеводы, белки и жиры превращаются in vivo в субстраты, которые в конечном итоге могут либо окисляться с образованием метаболически полезной энергии, которая управляет биологическими процессами, либо они могут накапливаться. Скорость расходования энергии всем телом, или E O , варьируется в течение 24 часов и на протяжении всей жизни. Затраченная энергия отражает метаболизм топлива для роста, потребностей тела, физической активности, беременности и кормления грудью и многих других процессов.

Основными показателями расхода энергии являются РЗЭ, ТЭФ и АЭЭ. REE — это скорость расхода энергии в состоянии покоя, составляющая примерно две трети E O. REE варьируется от одного человека к другому в зависимости от размера тела, состава тела и недавнего энергетического дисбаланса. Большая общая масса ткани увеличивает количество REE, и вклад мышечной ткани больше, чем жировой ткани. Более того, в безжировой ткани органы с высоким уровнем метаболизма, такие как мозг, сердце, почки и печень, вносят непропорциональный вклад в РЗЭ.Также существует большая вариабельность РЗЭ (~ 250 ккал / день, ~ 1000 кДж / день), что не объясняется различиями в составе тела (1).

TEF — это обязательный расход энергии, связанный с перевариванием и переработкой съеденных продуктов. Состав диеты сильно влияет на ТЭФ. Существует иерархия влияния макроэлементов на величину TEF: изокалорийные количества белка> углеводов> жира. Обычно предполагается, что TEF представляет собой фиксированный процент от E I , но между отдельными людьми и внутри них могут возникать различия.AEE — это уровень расхода энергии во время активности, который может быть далее разделен на расход энергии при физической нагрузке и термогенез без физической активности.

Компоненты хранения

Триглицериды, которые присутствуют в жировой ткани, являются основным топливным резервом организма. У худощавого взрослого человека около 35 миллиардов адипоцитов, каждый из которых содержит около 0,4–0,6 мкг триглицерида и в сумме составляет 130 000 ккал запасенной энергии. Взрослый человек с крайне ожирением может иметь в 4 раза больше адипоцитов (140 миллиардов), каждый из которых содержит в два раза больше липидов (0.8–1,2 мкг триглицерида) и всего около 1 миллиона ккал запасенной энергии (2).

E S отражает чистые изменения массы тела по углеводам, белкам и жирам. Углеводы хранятся в основном в виде внутриклеточного гликогена в скелетных мышцах и печени. Общая масса гликогена относительно невелика, несколько сотен граммов, и обмен происходит быстро; максимальные количества наблюдаются в послевкусии. Вода слабо связана с гликогеном, поэтому синтез и катаболизм гликогена также включают изменения в балансе жидкости.Белок тела принимает множество специфических форм и, как и гликоген, связан с водой, но в меньшем количестве на грамм. Липид в форме триглицерида является крупнейшим источником накопленной энергии у большинства взрослых, и вода не связана с ним.

Любой дисбаланс между потреблением и использованием этих макроэлементов приведет к изменению состава тела. Энергия, запасенная на единицу веса углеводов, жиров и белков, значительно варьируется, особенно с учетом связанной внутриклеточной воды.Кроме того, потребление углеводов с пищей влияет на выведение натрия почками, что приводит к изменениям во внеклеточной жидкости. Следовательно, изменения массы тела ожидаются при изменении состава макроэлементов в рационе, даже если содержание энергии в рационе остается постоянным.

Долговременная стабильность массы тела часто считается маркером нулевого значения E S и, следовательно, энергетического баланса. Однако, как описано выше, изменения массы тела также включают изменения содержания воды в организме, которые могут быть переменными, и, следовательно, изменение веса не может напрямую отражать энергетический дисбаланс, особенно в краткосрочной перспективе.

Вопрос 2: Каковы взаимодействия между компонентами энергетического баланса и как они регулируются?

Три основных члена уравнения баланса энергии непрерывно меняются с течением времени. Начиная с момента зачатия, E S остается положительным в среднем на протяжении всего роста и развития. Этот положительный энергетический дисбаланс отражается увеличением веса тела. Если вес взрослого человека сохраняется в течение длительного времени, среднее значение E S приближается к нулю, и присутствует приблизительное среднее состояние энергетического баланса.Однако большинство взрослых на протяжении всей жизни набирают жир, а в более позднем возрасте теряют скелетные мышцы; содержание энергии в изменении жировых отложений намного выше, чем в изменении мышечной ткани. Таким образом, даже при стабильном весе «идеальный» энергетический баланс в долгосрочной перспективе не достигается у большинства пожилых людей.

В течение 24 часов типичный человек ест несколько раз в день, и энергетический баланс во время и вскоре после каждого приема пищи очень положительный. Энергетический выход непрерывен, но увеличивается из-за эпизодической физической активности и уменьшается во время сна.Таким образом, энергетический баланс сильно варьируется в течение 1-го периода, и эта изменчивость показана в динамических изменениях в E S . Большинство взрослых также меняют свой ежедневный режим питания и активность; таким образом, E S также меняется изо дня в день, при этом энергетический баланс достигается только при усреднении за более длительные периоды времени.

Развитие ожирения по необходимости требует положительного энергетического дисбаланса сверх того, который требуется для нормального роста и развития. Как и у худощавых людей, состояние энергетического баланса в долгосрочной перспективе с аналогичными краткосрочными колебаниями в потреблении и расходе также приблизительно соответствует у людей с ожирением, но у людей с ожирением это достигается за счет большего количества жира в организме.

Противоположным набору лишним весом является отрицательный энергетический баланс, ведущий к потере веса с течением времени. Например, если резкое снижение E I сохраняется с течением времени, тогда, предполагая, что модели поведения остаются неизменными, изменения в трех процессах — уменьшении REE, AEE и TEF — также будут постепенно снижать E O как вес. потерян. В конце концов, эти пассивные компенсирующие эффекты приведут к уменьшению энергетического дисбаланса с окончательным восстановлением устойчивого состояния при более низкой массе тела.

Хотя очевидно, что E I и E O являются частью биологически регулируемой системы, точная природа того, как эта система работает у людей, полностью не установлена. Обычно обсуждались две различные конструкции системы: «уставка» и «точка стабилизации». Идея уставки заимствована из области техники, в которой системы управления с обратной связью предназначены для регулирования конкретной переменной в соответствии с заданной целью. Напротив, точка стабилизации традиционно использовалась для описания системы без активного контроля с обратной связью по потреблению пищи и расходам энергии.Модели, которые напрямую не задают значение уставки, но включают активное управление с обратной связью, также называются моделями уставки. Эти две системы фактически пересекаются, и данных недостаточно, чтобы решить, действительны ли одна или обе. Однако ясно то, что нарушения в компонентах потребления или расхода энергии приводят к компенсаторным изменениям в этих компонентах. К ним относятся пассивные компенсаторные изменения, такие как увеличение расхода энергии с увеличением размера тела, и активная компенсация, например, изменения в приеме пищи после тренировки.

Ниже приводится краткий обзор взаимодействий между компонентами энергетического баланса.

Прием пищи при последующем приеме пищи

Прием пищи изменяется во времени. Мы едим пищу, которая отражает чувство насыщения, которое возникает во время еды, и чувство сытости между приемами пищи. Энергетическая ценность данного приема пищи сильно различается у разных людей и сильно варьируется между приемами пищи у человека. Однако разница в общем количестве потребляемых калорий, суммированном для всех приемов пищи в течение дня, гораздо менее вариативна.Это говорит о том, что существует компенсация потребления от еды к еде, что подтверждается отрицательной корреляцией между последовательным содержанием энергии в приеме пищи. Если мы потребляем слишком много энергии за один прием пищи, мы частично компенсируем это потребление в последующих приемах пищи в течение того же дня. Помимо различий в приеме пищи между приемами пищи в течение дня, мы также меняем количество съедаемой пищи каждый день. Расход энергии редко бывает одинаковым в разные дни. Следовательно, мы почти постоянно находимся в энергетическом дисбалансе на временной шкале, измеряемой часами или днями.Когда потребление и расходы за определенный день сопоставлены друг с другом, связь практически отсутствует. Только когда они усредняются за гораздо более длительные периоды (недели), начинается баланс между потреблением и расходом (3). Группа подчеркнула, что это ключевой момент, который иногда упускается из виду: энергетический баланс как концепция зависит от временной области, в которой он рассматривается. Мы всегда находимся в энергетическом дисбалансе, но относительный дисбаланс больше в краткосрочной перспективе, чем в долгосрочной перспективе.

Было высказано предположение, что состав пищи оказывает большое влияние на чувство сытости и насыщения. Обычно считается, что основные макроэлементы различаются по своему действию, причем белок оказывает большее влияние, чем углеводы, которые оказывают большее влияние, чем жир. Однако данные не во всех исследованиях совпадают. Кроме того, многие факторы окружающей среды, такие как социальный контекст, а также симпатия и желание еды, играют важную роль в энергии, потребляемой во время еды.

Сытость и насыщение зависят от нескольких физиологических и молекулярных механизмов.Механизмы насыщения включают расширение желудочно-кишечного тракта, сообщающегося с мозгом, и секрецию ряда кишечных пептидов, которые взаимодействуют с рецепторами, главным образом, в заднем мозге. Фактором, потенциально связанным с насыщением, является гормон грелин, который вырабатывается желудком. Грелин уникален среди известных кишечных пептидов в том смысле, что он является орексегенным. Его продукция увеличивается со временем после последнего приема пищи, а инъекции грелина способствуют приему пищи. Более подробно гормональная регуляция приема пищи обсуждалась в другом месте (4).

Кроме того, существует большое количество сенсорных и когнитивных стимулов, которые влияют на прием пищи и физиологию. Например, желание и симпатия к еде могут преодолеть чувство сытости и сытости и привести к приему пищи, несмотря на чувство сытости или отсутствие голода. Кроме того, сенсорное насыщение может влиять на прием пищи — хотя люди могут чувствовать сытость после большого основного блюда пикантной пищи, они все же могут съесть сладкий десерт.

Потребление пищи по расходу энергии

После чрезмерного потребления энергии происходит увеличение размера тела, ведущее к пассивному увеличению E O .Это связано со следующими факторами: увеличением РЗЭ, в основном за счет увеличения мышечной массы и в меньшей степени увеличения жировой массы; увеличение AEE, связанное с увеличением стоимости перемещения большей массы тела; и повышенный TEF из-за большего E I . Наконец, существуют дополнительные затраты энергии на отложение тканей и увеличение белкового обмена.

Давно ведутся дискуссии о том, существует ли, помимо этих пассивных эффектов на E O , активное стимулирование расхода во время перекармливания, которое препятствует увеличению веса; однако имеется мало свидетельств активного воздействия на РЗЭ во время перекармливания, если учесть дополнительные затраты энергии на отложение тканей.Также было высказано предположение, что термогенез активности без упражнений может увеличиваться, чтобы частично компенсировать эффект переедания (5). Сообщалось, что этот эффект составлял ≤ 500 ккал / день (2100 кДж / день), что было бы основным компенсирующим фактором для противодействия увеличению веса при увеличении потребления калорий, но другие исследования не смогли найти эффекты аналогичной величины (6, 7).

Во время ограничения приема пищи происходит снижение E O во всем теле, отчасти из-за уменьшения массы тела, которое следует за пониженным потреблением калорий.Это может быть объяснено снижением РЗЭ, вызванным потерей безжировой и жировой массы, снижением AEE из-за снижения количества и стоимости деятельности, снижением TEF из-за более низкого E I , что в основном вызвано снижением оборота белка и связанные с этим затраты на энергию. В дополнение к пассивной компенсации, описанной выше, есть данные об активном снижении РЗЭ во время ограничения калорий, величина которого зависит от степени ограничения калорий (8).

Многие исследования изучали влияние структуры еды на РЗЭ при стабилизации веса.В среднем, почти утроение количества ежедневных приемов пищи, но обеспечение того же общего количества энергии, едва заметное влияние на РЗЭ, что позволяет предположить, что формирование схемы приема пищи не вызывает большей или меньшей компенсации в расходах.

Влияние физических упражнений на EI

Если потребности в энергии удовлетворяются за счет приема пищи, то часто предполагается, что должен существовать какой-то механизм, обеспечивающий связь между расходами и потреблением. Однако краткосрочные исследования, в которых E O увеличивается с помощью упражнений, не показали компенсирующих изменений в E I в течение 1 или 2 дней.По мере того, как продолжительность исследований увеличивалась, доказательства в пользу компенсации появились в более продолжительных исследованиях, показывающих большую, но неполную компенсацию.

Данные нескольких исследований не показали никакой связи между AEE и последующим изменением веса. Следовательно, низкий AEE, измеренный по воде с двойной меткой в ​​один момент времени, не был предиктором увеличения веса в течение длительного периода (9–11). Поперечные данные по AEE, которые охватывают недавний рост распространенности ожирения, показали, что в течение этого длительного периода времени уровни AEE не снижались (12).Однако недавние исследования в области моделирования показали, что снижение профессиональной активности за последние 5 десятилетий могло бы объяснить наблюдаемое увеличение массы тела за тот же период (13), но только в том случае, если такие изменения активности не были компенсированы изменениями непрофессиональной активности или модуляциями прием пищи.

Физические упражнения приводят к большим индивидуальным вариациям реакции массы тела. Частично отклонение может быть связано с приверженностью. Однако даже когда занятия физическими упражнениями находятся под пристальным наблюдением и, следовательно, устраняется проблема соблюдения режима, реакция по-прежнему сильно различается: некоторые люди теряют значительное количество веса, а некоторые фактически набирают вес (14).Измерения потребления пищи до и после тренировки показывают, что отчасти вариативность изменения веса из-за упражнений заключается в том, насколько полностью люди компенсируют предписанные им упражнения повышенным потреблением пищи, что соответствует их голоду после упражнений.

Влияние упражнений на EO

Популярная идея заключается в том, что основная польза от физической активности исходит не только от фактической энергии, которая расходуется во время самого упражнения, но и от последующего воздействия физической активности на РЗЭ.Есть данные, свидетельствующие о положительном влиянии высоких или умеренных физических нагрузок на РЗЭ. Это следует за двумя отдельными фазами: большой эффект, который длится ~ 2 часа, и меньший, но более продолжительный эффект, который может занять до 48 часов, чтобы вернуться к исходному уровню (15). Это называется избыточным потреблением кислорода после тренировки и составляет около 6–15% энергии, расходуемой во время тренировки (16), что мало добавляет к TEE.

Другое распространенное мнение состоит в том, что тренировка с упражнениями приводит к изменениям состава тела, которые генерируют дополнительную энергетическую выгоду от упражнений, опосредованных РЗЭ.Но такое потенциальное влияние тренировок с физической нагрузкой на РЗЭ могло быть затруднено, потому что РЗЭ после тренировки измеряли слишком скоро после заключительной тренировки, что привело к его загрязнению из-за избыточного потребления кислорода после тренировки (15). Измерения, которые не столь противоречивы, предполагают, что влияние тренировок на РЗЭ незначительно. Неясно, вызывают ли привычные упражнения долгосрочные изменения в других компонентах E O .

Физическим упражнениям можно противодействовать компенсирующим снижением физической активности в другое время дня, хотя данные по этому поводу неоднозначны.Некоторые исследования показали, что упражнения не оказывают общего влияния на ежедневный E O , потому что люди снижают свою обычную активность. В других исследованиях сообщалось, что не было никакой компенсации активности за счет добавления упражнений, и, таким образом, наблюдалось увеличение E O . Действительно, в некоторых исследованиях наблюдалось увеличение E O по сравнению с тем, что было объяснено одним только упражнением.

Эти данные подчеркивают важный момент, который мы хотели бы подчеркнуть. Все компоненты энергетического баланса взаимодействуют друг с другом.Следовательно, абсолютно необходимо учитывать все эти взаимодействия при проведении интервенционных исследований в области ожирения. Возьмем простой пример: может быть не очень полезно повышать физическую активность, но разрешать субъектам есть то, что они хотят (и, таким образом, компенсировать их повышенные расходы).

Вопрос 4: С какими ограничениями мы сталкиваемся при изучении энергетического баланса и его составляющих?

Наша способность точно измерять отдельные компоненты расхода или потребления энергии относительно невелика в свете потенциального воздействия небольших изменений, описанных выше, на массу тела, особенно в длительных временных масштабах у свободноживущих людей.Например, метод воды с двойной меткой имеет точность ~ 5%, что соответствует неопределенности расхода энергии> 100 ккал / день (420 кДж / день). Кроме того, точность измерения потребления энергии по самоотчету у свободноживущих людей намного хуже. Таким образом, суммарная ошибка оценки энергетического дисбаланса легко может достигать 1000 ккал / день (4200 кДж / день) (21). Эта потенциальная ошибка не позволяет оценить пользу вмешательств, которые имеют небольшое влияние на изменение веса с течением времени.Новые технологии, находящиеся в настоящее время в разработке, могут быть более точными и точными, но это еще предстоит выяснить.

Еще одно ограничение, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, что масса тела в течение дня и между днями колеблется независимо от изменений в запасах энергии из-за изменений в гидратации и содержании пищеварительного тракта, которые являются основными составляющими типичного дневного веса в 1–2 фунта. сегодняшние колебания веса. Еще одно ограничение, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, что для расчета дефицита энергии, генерируемого данной диетой, необходимо знать потребность в энергии для поддержания базовой массы тела.Как указано выше, при использовании наиболее точных доступных в настоящее время методов погрешность составляет> 100 ккал / день. Неопределенность исходных энергетических потребностей приводит к значительной индивидуальной вариабельности потери веса, даже если соблюдение предписанной диеты идеальное. Например, если базовая потребность в энергии человека с избыточным весом или ожирением на 100–200 ккал / день выше или ниже измеренного, то безупречное соблюдение диеты приведет к ошибке ∼ 5–10 фунтов (2,3–4,5 кг). в прогнозируемом изменении веса за год только из-за ошибки измерения.Это ограничение не вызывает беспокойства в исследованиях, предназначенных для измерения средних различий между группами.

В стационарных исследованиях доступны более точные методы измерения, что снижает погрешность измерения. Например, калориметры для всей комнаты могут измерять E O с точностью 1-2% (22), а взвешенный, контролируемый прием пищи с измеренными выделениями может обеспечить очень точные и точные измерения E I . Однако такие исследования не отражают условий свободного проживания.

Наконец, характерно длительный временной масштаб (~ 1 год полупериода) для изменения массы тела и состава человека затрудняет всестороннее изучение динамики энергетического баланса, потому что мы, как правило, не можем держать людей в метаболических отделениях в течение столь длительных периодов времени. . Даже в условиях свободного проживания мы не можем отслеживать E I или E O в течение длительных периодов времени с использованием современных технологий. Таким образом, мы ограничены «снимками» периодов ~ 2 нед.

1-й закон термодинамики — Chemistry LibreTexts

Чтобы понять и выполнить любой вид термодинамических расчетов, мы должны сначала понять фундаментальные законы и концепции термодинамики.Например, работа и тепло — взаимосвязанные понятия. Тепло — это передача тепловой энергии между двумя телами, находящимися при разных температурах, и не равная тепловой энергии. Работа — это сила, используемая для передачи энергии между системой и ее окружением и необходимая для создания тепла и передачи тепловой энергии. И работа, и тепло вместе позволяют системам обмениваться энергией. Взаимосвязь между этими двумя концепциями может быть проанализирована с помощью темы термодинамики, которая представляет собой научное исследование взаимодействия тепла и других типов энергии.

Введение

Чтобы понять взаимосвязь между работой и теплом, нам нужно понять третий, связывающий фактор: изменение внутренней энергии. Энергия не может быть создана или уничтожена, но ее можно преобразовать или передать. Внутренняя энергия относится ко всей энергии в данной системе, включая кинетическую энергию молекул и энергию, хранящуюся во всех химических связях между молекулами. Благодаря взаимодействию тепла, работы и внутренней энергии происходит передача и преобразование энергии каждый раз, когда в системе вносятся изменения.Однако во время этих передач чистая энергия не создается и не теряется.

Закон термодинамики

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую за счет взаимодействия тепла, работы и внутренней энергии, но она не может быть создана или разрушена ни при каких обстоятельствах. Математически это представлено как

\ [\ Delta U = q + w \ label {1} ​​\]

с

  • \ (ΔU \) — полное изменение внутренней энергии системы,
  • \ (q \) — теплообмен между системой и ее окружением, а
  • \ (w \) — это работа, выполняемая системой или в ней.

Работа также равна отрицательному внешнему давлению в системе, умноженному на изменение объема:

\ [w = -p \ Delta V \ label {2} \]

где \ (P \) — внешнее давление на систему, а \ (ΔV \) — изменение объема. Это конкретно называется работой «давление-объем».

Внутренняя энергия системы уменьшится, если система будет выделять тепло или работать. Следовательно, внутренняя энергия системы увеличивается при увеличении тепла (это может быть сделано путем добавления тепла в систему).Внутренняя энергия также увеличилась бы, если бы работа выполнялась в системе. Любая работа или тепло, входящие в систему или выходящие из нее, изменяют внутреннюю энергию. Однако, поскольку энергия никогда не создается и не разрушается (таким образом, первый закон термодинамики), изменение внутренней энергии всегда равно нулю. Если энергия теряется системой, она поглощается окружающей средой. Если энергия поглощается системой, то эта энергия была выпущена из окружающей среды:

\ [\ Delta U_ {system} = — \ Delta U_ {окружение} \]

, где ΔU система — это полная внутренняя энергия в системе, а ΔU окружающей среды — полная энергия окружающей среды.

Таблица 1
Процесс Знак тепла (q) Знак работы (w)
Работа, выполненная системой НЕТ
Работа над системой НЕТ +
Тепло, выделяемое системой — экзотермическое (поглощаемое окружающей средой) НЕТ

Рисунок выше является наглядным примером Первого закона термодинамики.Синие кубы представляют систему, а желтые круги — окружение системы. Если энергия теряется системой кубов, то она приобретается окружением. Энергия никогда не создается и не уничтожается. Поскольку площадь куба-подсказки уменьшилась, визуальная область желтого круга увеличилась. Это символизирует то, как энергия, потерянная системой, приобретается окружающей средой. Воздействие различного окружения и изменения в системе помогают определить увеличение или уменьшение внутренней энергии, тепла и работы.

Таблица 2
Процесс Изменение внутренней энергии Теплопередача тепловой энергии (кв) Работа (w = -PΔV) Пример
q = 0 Адиабатический + 0 + Изолированная система, в которой тепло не проникает и не уходит, подобно пенополистиролу
ΔV = 0 Постоянный объем + + 0 Жесткая система с изолированным давлением, такая как калориметр бомбы
Постоянное давление + или — энтальпия (ΔH) -PΔV Большинство процессов происходят при постоянном внешнем давлении
ΔT = 0 Изотермический 0 + Нет изменений температуры, как в термостате

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Газ в системе имеет постоянное давление.Окружающая среда вокруг системы теряет 62 Дж тепла и выполняет 474 Дж работы с системой. Какова внутренняя энергия системы?

Раствор

Чтобы найти внутреннюю энергию ΔU, мы должны рассмотреть взаимосвязь между системой и окружающей средой. Поскольку Первый закон термодинамики гласит, что энергия не создается и не уничтожается, мы знаем, что все, что теряется в окружающей среде, приобретается системой. Окрестности теряют тепло и работают с системой.Следовательно, q и w положительны в уравнении ΔU = q + w, потому что система накапливает тепло и выполняет работу над собой.

\ [\ begin {align} ΔU & = (62 \, J) + (474 ​​\, J) \\ [4pt] & = 536 \, J \ end {align} \]

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Система имеет постоянный объем (ΔV = 0), а тепло вокруг системы увеличивается на 45 Дж.

  1. Какой знак тепла (q) для системы?
  2. Чему равно ΔU?
  3. Какое значение внутренней энергии системы в Джоулях?

Раствор

Поскольку система имеет постоянный объем (ΔV = 0), член -PΔV = 0 и работа равна нулю.Таким образом, в уравнении ΔU = q + w w = 0 и ΔU = q. Внутренняя энергия равна теплу системы. Окружающее тепло увеличивается, поэтому тепло системы уменьшается, потому что тепло не создается и не разрушается. Таким образом, тепло отводится от системы, делая ее экзотермической и отрицательной. Значение внутренней энергии будет отрицательным значением тепла, поглощаемого окружающей средой.

  1. отрицательный (q <0)
  2. ΔU = q + (-PΔV) = q + 0 = q
  3. ΔU = -45 Дж

Метаболизм — лучший канал здоровья

Метаболизм относится ко всем химическим процессам, постоянно происходящим внутри вашего тела, которые обеспечивают жизнь и нормальное функционирование (поддержание нормального функционирования в организме называется гомеостазом).Эти процессы включают процессы, которые расщепляют питательные вещества из нашей пищи, и те, которые строят и восстанавливают наше тело.

Для построения и восстановления тела требуется энергия, которая в конечном итоге поступает из пищи.

Количество энергии, измеряемое в килоджоулях (кДж), сжигаемое вашим телом в любой момент времени, зависит от вашего метаболизма.

Достижение или поддержание здорового веса — это баланс. Если мы регулярно едим и выпиваем больше килоджоулей, чем необходимо для нашего метаболизма, мы сохраняем его в основном в виде жира.

Большая часть энергии, которую мы используем каждый день, используется для того, чтобы все системы нашего тела функционировали должным образом. Это вне нашего контроля. Однако, когда мы тренируемся, мы можем заставить метаболизм работать на нас. Когда вы активны, тело сжигает больше энергии (килоджоулей).


Наш метаболизм сложен — попросту говоря, он состоит из двух частей, которые тщательно регулируются организмом, чтобы обеспечить их баланс. Это:

  • Катаболизм — расщепление пищевых компонентов (таких как углеводы, белки и пищевые жиры) на их более простые формы, которые затем можно использовать для получения энергии и основных строительных блоков, необходимых для роста и восстановления.
  • Анаболизм — часть метаболизма, в которой наш организм строится или восстанавливается. Анаболизм требует энергии, которая в конечном итоге поступает из нашей пищи. Когда мы едим больше, чем нам необходимо для ежедневного анаболизма, избыток питательных веществ обычно откладывается в нашем теле в виде жира.

Скорость метаболизма (или общий расход энергии) вашего тела можно разделить на три компонента:

  • Базальная скорость метаболизма (BMR) — даже в состоянии покоя организму требуется энергия (килоджоули) для поддержания функционирования всех его систем. правильно (например, дыхание, поддержание сердцебиения для циркуляции крови, рост и восстановление клеток и регулировка уровня гормонов).BMR тела составляет наибольшее количество энергии, расходуемой ежедневно (50–80 процентов от вашего ежедневного потребления энергии).
  • Термический эффект пищи (также известный как термогенез) — ваше тело использует энергию для переваривания потребляемых вами продуктов и напитков, а также поглощает, транспортирует и сохраняет их питательные вещества. На термогенез приходится около 5–10 процентов потребляемой вами энергии.
  • Энергия, используемая во время физической активности — это энергия, используемая при физическом движении, и она наиболее сильно зависит от того, сколько энергии вы потребляете каждый день.Физическая активность включает запланированные упражнения (например, пробежку или занятия спортом), но также включает в себя все побочные действия (например, развешивание белья, игры с собакой или даже ерзание!).

При умеренно активном человеке (30–45 минут физической активности умеренной интенсивности в день), этот компонент составляет 20 процентов нашего ежедневного потребления энергии.

Базальная скорость метаболизма (BMR)

BMR означает количество энергии, необходимое вашему организму для поддержания гомеостаза.

Ваш BMR в значительной степени определяется вашей общей мышечной массой, особенно мышечной массой, потому что для поддержания мышечной массы требуется много энергии. Все, что снижает мышечную массу, снижает ваш BMR.

Поскольку ваш BMR составляет значительную часть вашего общего потребления энергии, важно сохранить или даже увеличить мышечную массу с помощью упражнений при попытке похудеть.

Это означает сочетание упражнений (особенно упражнений с отягощением и отягощениями для увеличения мышечной массы) с изменениями в сторону более здорового режима питания, а не только с диетическими изменениями, поскольку потребление слишком малого количества килоджоулей стимулирует организм замедлять метаболизм для сохранения энергии.

Поддержание сухой мышечной массы также помогает снизить вероятность травм во время тренировок, а упражнения увеличивают ежедневные затраты энергии.

Средний мужчина имеет BMR около 7 100 кДж в день, в то время как средняя женщина имеет BMR около 5 900 кДж в день. Расход энергии постоянный, но скорость меняется в течение дня. Уровень расхода энергии обычно самый низкий ранним утром.

Факторы, влияющие на наш BMR

На ваш BMR влияют несколько факторов, работающих в сочетании, в том числе:

  • Размер тела — более крупные взрослые тела имеют больше метаболизирующих тканей и больший BMR.
  • Количество безжировой мышечной ткани — мышцы быстро сжигают килоджоули.
  • Количество жира в организме — жировые клетки «вялые» и сжигают гораздо меньше килоджоулей, чем большинство других тканей и органов тела.
  • Экстренная диета, голодание или голодание — потребление слишком небольшого количества килоджоулей стимулирует организм замедлять метаболизм для сохранения энергии. BMR может снизиться до 15 процентов, а если также будет потеряна мышечная ткань, это еще больше снизит BMR.
  • Возраст — метаболизм замедляется с возрастом из-за потери мышечной ткани, а также из-за гормональных и неврологических изменений.
  • Рост — младенцы и дети имеют более высокие энергетические потребности на единицу массы тела из-за энергетических потребностей роста и дополнительной энергии, необходимой для поддержания температуры тела.
  • Пол — как правило, у мужчин более быстрый метаболизм, потому что они, как правило, крупнее.
  • Генетическая предрасположенность — ваш метаболизм может частично определяться вашими генами.
  • Гормональный и нервный контроль — BMR контролируется нервной и гормональной системами. Гормональный дисбаланс может влиять на то, как быстро или медленно организм сжигает килоджоули.
  • Температура окружающей среды — если температура очень низкая или очень высокая, организму приходится усерднее работать, чтобы поддерживать нормальную температуру тела, что увеличивает BMR.
  • Инфекция или болезнь — BMR увеличивается, потому что организму приходится усерднее работать, чтобы построить новые ткани и создать иммунный ответ.
  • Объем физической активности — трудолюбивым мышцам нужно много энергии для сжигания. Регулярные упражнения увеличивают мышечную массу и учит тело сжигать килоджоули быстрее, даже в состоянии покоя.
  • Наркотики, такие как кофеин или никотин, могут увеличивать BMR.
  • Дефицит питания — например, диета с низким содержанием йода снижает функцию щитовидной железы и замедляет обмен веществ.

Термический эффект пищи

Ваш BMR повышается после еды, потому что вы используете энергию для еды, переваривания и метаболизма только что съеденной пищи. Повышение происходит вскоре после того, как вы начинаете есть, и достигает пика через два-три часа.

Это повышение BMR может составлять от 2 до 30 процентов, в зависимости от размера еды и типов съеденных продуктов.

Различные продукты повышают BMR на разную величину. Например:

  • Жиры повышают BMR на 0–5 процентов.
  • Углеводы повышают BMR на 5–10 процентов.
  • Белки повышают BMR на 20–30%.
  • Горячие острые продукты (например, продукты, содержащие перец чили, хрен и горчицу) могут иметь значительный термический эффект.

Энергия, используемая во время физической активности

Во время напряженной или энергичной физической активности наши мышцы могут сжигать до 3000 кДж в час.Расход энергии мускулами составляет только 20 процентов или около того от общего расхода энергии в состоянии покоя, но во время напряженных упражнений он может увеличиваться в 50 или более раз.

Энергия, используемая во время упражнений, — это единственная форма расхода энергии, которую мы можем контролировать.

Однако оценить энергию, потраченную во время упражнений, сложно, поскольку истинное значение для каждого человека будет варьироваться в зависимости от таких факторов, как их вес, возраст, состояние здоровья и интенсивность, с которой выполняется каждое действие.

В Австралии есть рекомендации по физической активности, которые рекомендуют количество и интенсивность активности в зависимости от возраста и стадии жизни. Для нашего общего здоровья важно ограничивать время, в течение которого мы ведем малоподвижный образ жизни (сидеть или бездельничать), и уделять не менее 30 минут физической активности умеренной интенсивности каждый день.

В качестве приблизительного ориентира:

  • Умеренная физическая нагрузка означает, что вы можете говорить во время тренировки, но не можете петь.
  • Энергичные упражнения означают, что вы не можете говорить и заниматься одновременно.

Мышечная ткань имеет большой аппетит к килоджоулей. Чем больше у вас мышечной массы, тем больше килоджоулей вы сожжете.

Люди склонны полнеть с возрастом, отчасти потому, что тело медленно теряет мышцы. Неясно, является ли потеря мышечной массы результатом процесса старения или потому, что многие люди с возрастом становятся менее активными. Однако, вероятно, это больше связано с уменьшением активности. Исследования показали, что силовые тренировки и тренировки с отягощениями могут уменьшить или предотвратить потерю мышечной массы.

Если вам больше 40 лет, у вас уже есть какие-либо заболевания или вы какое-то время не тренировались, обратитесь к врачу перед началом новой фитнес-программы.


Гормоны помогают регулировать метаболизм. Некоторые из наиболее распространенных гормональных нарушений влияют на щитовидную железу. Эта железа выделяет гормоны, регулирующие многие метаболические процессы, включая расход энергии (скорость, с которой сжигаются килоджоули).

Заболевания щитовидной железы включают:

  • Гипотиреоз (недостаточная активность щитовидной железы) — метаболизм замедляется из-за того, что щитовидная железа не вырабатывает достаточное количество гормонов.Частая причина — аутоиммунное заболевание Хашимото. Некоторые из симптомов гипотиреоза включают необычную прибавку в весе, вялость, депрессию и запор.
  • Гипертиреоз (сверхактивная щитовидная железа) — железа выделяет большее количество гормонов, чем необходимо, и ускоряет обмен веществ. Наиболее частой причиной этого состояния является болезнь Грейвса. Некоторые из симптомов гипертиреоза включают повышенный аппетит, потерю веса, нервозность и диарею.

Наши гены — это схемы белков в нашем организме, а наши белки отвечают за пищеварение и метаболизм нашей пищи.

Иногда дефектный ген означает, что мы производим белок, который неэффективен для обработки нашей пищи, что приводит к нарушению обмена веществ. В большинстве случаев генетические нарушения обмена веществ можно лечить под наблюдением врача, уделяя особое внимание диете.

Симптомы генетических нарушений обмена веществ могут быть очень похожи на симптомы других нарушений и заболеваний, что затрудняет установление точной причины. Обратитесь к врачу, если подозреваете, что у вас нарушение обмена веществ.

Некоторые генетические нарушения обмена веществ включают:

  • Непереносимость фруктозы — неспособность расщеплять фруктозу, тип сахара, который содержится во фруктах, фруктовых соках, сахаре (например, тростниковом сахаре), меде и некоторых овощах. .
  • Галактоземия — неспособность превращать углеводную галактозу в глюкозу. Галактоза не встречается в природе сама по себе. Он вырабатывается, когда пищеварительная система расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу. Источники лактозы включают молоко и молочные продукты, такие как йогурт и сыр.
  • Фенилкетонурия (PKU) — неспособность превращать аминокислоту фенилаланин в тирозин. Высокий уровень фенилаланина в крови может вызвать повреждение головного мозга.Следует избегать продуктов с высоким содержанием белка и тех, которые содержат искусственный подсластитель аспартам.

Куда обратиться за помощью

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *