От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы

Содержание

Внутренняя энергия. — Гипермаркет знаний

От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы

Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 10 класс>>Физика: Внутренняя энергия

Вступление

Термодинамика была создана в середине XIX в. после открытия закона сохранения энергии. В ее основе лежит понятие внутренняя энергия. С него мы и начнем. Предварительно остановимся на вопросе о том, какая связь существует между термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией.

Термодинамика и статистическая механика

Первой научной теорией тепловых процессов была не молекулярно-кинетическая теория, а термодинамика. Она возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы. Это произошло в середине XIX в., задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание.

Сейчас в науке и технике при изучении тепловых явлений используются как термодинамика, так и молекулярно-кинетическая теория. В теоретической физике молекулярно-кинетическую теорию называют статистической механикой. Термодинамика и статистическая механика изучают различными методами одни и те же явления и взаимно дополняют друг друга.

Главное содержание термодинамики состоит в двух основных ее законах, касающихся поведения энергии. Эти законы установлены опытным путем. Они справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения.

Статистическая механика более глубокая и точная наука, чем термодинамика, но и более сложная. К ней прибегают в тех случаях, когда простые соотношения термодинамики оказываются недостаточными для объяснения наблюдаемых явлений.

Внутренняя энергия в молекулярно-кинетической теории

В середине XIX в. было доказано, что наряду с механической энергией макроскопические тела обладают еще и энергией, заключенной внутри самих тел. Эта внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе. После открытия внутренней энергии был сформулирован закон сохранения и превращения энергии.

Что такое внутренняя энергия?

Когда скользящая по льду шайба останавливается под действием силы трения, то ее механическая (кинетическая) энергия не просто исчезает, а передается беспорядочно движущимся молекулам льда и шайбы. Неровности поверхностей трущихся тел деформируются при движении, и интенсивность беспорядочного движения молекул возрастает. Оба тела нагреваются, что и означает увеличение их внутренней энергии.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую. Если нагревать воду в пробирке, закрытой пробкой, то внутренняя энергия воды и внутренняя энергия пара начнут возрастать.

Давление пара увеличится настолько, что пробка будет выбита. Кинетическая энергия пробки увеличится за счет внутренней энергии пара. Расширяясь, водяной пар совершает работу и охлаждается.

Его внутренняя энергия при этом уменьшается.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).

Вычислить внутреннюю энергию тела (или ее изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положения относительно друг друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или ее изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа

Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул. Одноатомными являются инертные газы – гелий, неон, аргон и др. Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.

Так как молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, то их потенциальная энергия равна нулю. Вся внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией беспорядочного движения его молекул.

Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой m нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов . Учитывая, что kNA=R, получим формулу для внутренней энергии идеального газа:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Она не зависит от объема и других макроскопических параметров системы.

Изменение внутренней энергии идеального газа равно
, т.е. определяется температурами начального и конечного состояний газа и не зависит от процесса.

Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то его внутренняя энергия также пропорциональна абсолютной температуре, но коэффициент пропорциональности между U и T другой. Объясняется это тем, что сложные молекулы не только движутся поступательно, но и вращаются. Внутренняя энергия таких газов равна сумме энергий поступательного и вращательного движений молекул.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров

Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра – температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потенциальная энергия взаимодействия его молекул равна нулю.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Правда, для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твердых и жидких тел сравнима с ней.

Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул газа зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия реального газа в термодинамике в общем случае зависит, наряду с температурой T, и от объема V.

Значения макроскопических параметров (температуры T, объема V и др.) однозначно определяют состояние тел. Поэтому они определяют и внутреннюю энергию макроскопических тел.

Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: температурой и объемом.
   В основе термодинамики лежит понятие внутренней энергии. Эта энергия зависит от макроскопических параметров: температуры и объема.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Внутренняя энергия человека

На сегодняшнем уроке мы с вами расширили свои знания о внутренней энергии. Теперь давайте закрепим материал и вспомним определение, что же называется внутренней энергией. Внутренней энергией называют такую энергию тела, с помощью которой появляется возможность совершать механическую работу, не вызывая спада механической энергии этого тела.

А из изученного материала мы с вами уже знаем, что внутренняя энергия может зависеть от ряда причин, которыми могут быть: массы и температуры тела, состояния вещества, положения этого тела относительно других тел и т.д.

Внутренняя энергия присутствует в различных телах: как больших, так и маленьких; как в горячих, так и холодных, а так же в твердых, жидких и газообразных.

Можно с уверенностью сказать, что все, что нас окружает, вся живая и неживая материя является энергией. Ведь, в переводе с древнегреческого языка, термин «энергия» обозначает силу, действие и мощь.

Поэтому, все, что мы видим, слышим, чувствуем и можем потрогать, можно сказать, что все это является энергией вселенной.

А сейчас давайте с вами поговорим о таком важном свойстве, как внутренняя энергия человека.

Можно образно выразиться, что так же как происходит круговорот воды в природе, точно также существует и круговорот энергии. А если с этой точки зрения рассматривать человека, то его внутренняя энергия зависит от многого. Ведь каждый человек постоянно расходует свою внутреннюю энергию и поэтому появляется необходимость в ее пополнении.

Если рассматривать человека с точки зрения физики, то человек является живой электростанцией с множеством генераторов в каждой клетке его тела, которые беспрерывно занимаются выработкой энергии в организме в виде статического электричества.

Но очень важно, чтобы с приходом энергии и ее расходом существовал баланс.

А если такой баланс отсутствует, то происходит нарушение энергетического обмена, и в итоге мы получаем недостаток или переизбыток энергии, и это приводит к отрицательным последствиям.

Поэтому вопрос энергии является очень важным. Ведь от нашей внутренней энергии может зависеть не только наш успех и благополучие, но и самое ценное – это наше здоровье.

Поэтому, человек, который обладает высоким уровнем внутренней энергии, имеет более крепкое здоровье, и больше возможностей для полноценной жизни.

А вот пониженный энергетический уровень может стать причиной многих сбоев в организме и привести к хроническим заболеваниям.

Конечно же, и лишняя внутренняя энергия не сулит ничего хорошего и может быть причиной сбоев в организме и привести к нервным срывам и даже инсультам.

Лишняя внутренняя энергия человека должна выводиться с организма и пополняться новой энергией.

А теперь давайте рассмотрим, какие могут быть причины неконтролируемого расхода энергии:

• Во-первых, наша внутренняя энергия может быть излишне расходована при неправильном питании и некачественной пище;• Во-вторых, на нашу внутреннюю энергию оказывает влияние «зашлакованность» организма и плохая работа кишечника;• В-третьих, причиной лишнего расхода внутренней энергии являются умственные перегрузки, нервное напряжение и неконтролируемые эмоции;• В-четвертых, такой причиной могут быть и излишняя активность человека;• В-пятых, к этому перечню относятся и вредные привычки, и плохая экология, и недостаточная физическая нагрузка.

Чтобы устранить необоснованный расход энергии, необходимо: полноценно питаться, вести активный образ жизни, запасаться положительными эмоциями, иметь полноценный сон и отдых.

Интересно знать

А знаете ли вы, что ваш организм способен подавать сигналы, когда он скопил вредную энергию? Замечали ли вы, что бывали моменты, когда вы здоровались с другим человеком, или дотрагивались до металлических предметов, то чувствовали удар током. Вот это и есть тот сигнал тревоги, когда необходимо избавиться от такой энергии.

Вопросы

1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и обратно в технике и быту.2. От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела?3. Чему равна внутренняя энергия идеального одноатомного газа?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Источник: http://edufuture.biz/index.php?title=%D0%92%D0%BD%D1%83%D1%82%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F.

Внутренняя энергия. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики

От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы

Термодинамика – это теория тепловых явлений, происходящих в макротелах и их системах без учета атомно-молекулярного строения тела.

Термодинамика изучает свойства термодинамической системы в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода этих систем из одного состояния в другое.

В теплоизолированном цилиндре под невесомым поршнем находится идеальный газ. Сообщим системе некоторое количество теплоты Q и воздействуем на поршень некоторой внешней силой F. Рассмотрим, как изменяются параметры системы

Состояние термодинамической системы характеризуется рядом физических величин, главной из которых является внутренняя энергия.

Существует два способа изменения внутренней энергии тела:

1. Теплопередача – это процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Виды теплопередачи:

Количество теплоты, переданное при нагревании тела или выделяемое при его охлаждении:

Q=cmΔT

c – удельная теплоемкость вещества

Количество теплоты, идущее на плавление тела или выделяемое при его кристаллизации:

Qm

λ – удельная теплота плавления и кристаллизации тела

Количество теплоты, идущее на испарение жидкости при T=const или выделяемое при конденсации пара:

Q=Lm

L – удельная теплота парообразования и конденсации

2. Совершение механической работы

В координатах p, V работа газа равна площади фигуры под графиком зависимости давления от объема.

Изменение внутренней энергии тела (системы тел) определяется первым законом (началом) термодинамики

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

Если система сама совершает работу над внешними силами, то А=-А‘ и первый закон термодинамики запишется так:

Изопроцессы в термодинамике

Простейшими процессами перехода термодинамической системы из одного состояния в другое являются:

Изобарный процесс p=const

Q=ΔU+A’

Изохорный процесс V=const

Q=ΔU

Газ не меняет своего объема, работа им не совершается. Т.о переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Изотермический процесс T=const

Q=A’

Внутренняя энергия не меняется. Следовательно количество теплоты, переданное системе идет на совершение работы

Адиабатный процесс Q=0

A=ΔU

Процесс происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой. При совершении работы над газом внутренняя энергия системы увеличивается, следовательно увеличивается и температура газа.

Опорный конспект:

Краткие итоги:

Термодинамика – это теория тепловых явлений, происходящих в макротелах и их системах без учета атомно-молекулярного строения тел.

Термодинамика изучает свойства термодинамической системы в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода этих систем из одного состояния в другое.

Состояние термодинамической системы характеризуется рядом физических величин, главной из которых является внутренняя энергия. Внутреннюю энергию можно изменить в процессе теплопередачи и совершения      работы.

         Существование        двух       форм     изменения внутренней энергии – работы и теплообмена, отражает первый закон термодинамики, который является законом сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Открытие этого закона в середине XIX в.

связано с работами Р.Майера, Д.Джоуля и Г.Гельмгольца.

Простейшими процессами перехода термодинамической системы из одного состояния в другое является изотермический, изобарный, изохорный и адиабатный.

Термодинамика позволяет объяснить работу тепловых машин, выполнить расчеты тепловых процессов.

Задачи на применение первого закона термодинамики

1А. При изотермическом расширении идеальным газом совершена работа А = 20 кДж. Какое количество теплоты сообщено газу?

2А. Вычислите увеличение внутренней энергии кислорода массой 0,5 кг при изохорном повышении его температуры на 15 °С.

3В. Температура газа в цилиндре 150 °С, а давление 8 ∙ 105 Па. Газ изохорно охлаждается. Конечное давление 2 ∙ 105 Па. Найдите изменение внутренней энергии газа массой 1 кг, его конечную температуру и совершенную работу. Удельная теплоемкость газа при постоянном объеме равна 0,7 ∙ 103 Дж/(кг ∙ К).

4В. В вертикальном цилиндре под тяжелым поршнем находится кислород массой 2 кг. Для повышения температуры кислорода на 5 К ему было сообщено количество теплоты, равное 9160 Дж. Найдите работу, совершаемую при расширении кислорода, и увеличение его внутренней энергии. Молярная масса кислорода 0,032 кг/моль.

5В. В сосуде с теплонепроницаемыми стенками объемом 5,6 л находится кислород при температуре 66 °С и давлении 0,25 МПа. Для нагревания газа до температуры 68 °С требуется сообщить газу теплоту 21 Дж. Какова удельная теплоемкость кислорода при этих условиях?

6В. В теплоизолированном цилиндре с поршнем находится азот массой 0,2 кг при температуре 20 °С. Азот, расширяясь, совершает работу 4470 Дж. Определите изменение внутренней энергии азота и его температуру после расширения. Удельная теплоемкость азота при постоянном объеме 745 Дж/ (кг ∙ К).

7В. Какое количество теплоты требуется для того, чтобы воздух массой 5 г нагреть от температуры 290 К при постоянном давлении на столько, чтобы его объем увеличился в два раза? Удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении 1018 Дж/(кг ∙ К).

8С. Кислород, взятый в количестве 1 моль, нагревается при постоянном объеме от температуры 0 °С. Какое количество теплоты требуется сообщить кислороду, чтобы его давление увеличилось в 3 раза? Удельная теплоемкость кислорода при постоянном объеме 657 Дж/(кг ∙ К).

9С. Для повышения температуры газа массой 20 кг и молярной массой 0,028 кг/моль на 50 К при постоянном давлении необходимо затратить количество теплоты, равное 0,5 МДж. Какое количество теплоты следует отнять от этого газа при постоянном объеме, чтобы его температура понизилась на 50 К?

10С. Давление азота, находящегося в сосуде объемом 3 л, после нагревания возросло на 2,2 МПа. Определите количество теплоты, сообщенной газу. Удельная теплоемкость азота при постоянном объеме 745 Дж/(кг ∙ К), его молярная масса 0,028 кг/моль.

            Ответы

1А. 20 кДж.

2А. 6900 Дж.

3В. ≈ – 220 кДж/кг; ≈ 106 К; 0 Дж.

4В. 2590 Дж; 6570 Дж.

5В. ≈ 660 Дж/ (кг ∙ К).

6В. 4470 Дж; – 10 °С.

7В. 1,49 ∙ 103 Дж.

8С. 1,15 ∙ 107 Дж.

9С. 2 ∙ 105 Дж.

10С. 1,65 ∙ 104 Дж.

Источник: https://fizclass.ru/vnutrennyaya-energiya-rabota-v-termodinamike-pervyj-zakon-termodinamiki/

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы
Определение 1

Термодинамика -раздел физики, изучающий превращения энергии в макроскопических системах и основные свойства этих систем.

Термодинамика опирается на общие закономерности тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики эмпирические, то есть опираются на факты, проверенные опытным путем с использованием молекулярно-кинетической модели.

Для описания термодинамических процессов в системах, состоящих из большого числа частиц, используются величины, не применимые к отдельным молекулам и атомам: температура, давление, концентрация, объем, энтропия)

Определение 2

Термодинамическое равновесие – состояние макросопической системы, когда описывающие ее макроскопические величины остаются неизменными.

В термодинамике рассматриваются изолированные системы тел, находящиеся в термодинамическом равновесии. То есть в системах с прекращением всех наблюдаемых макроскопических процессов. Особую важность представляет свойство, которое получило название выравнивания температуры всех ее частей.

При внешнем воздействии на термодинамическую систему наблюдается переход в другое равновесное состояние. Он получил название термодинамического процесса. Когда время его протекания достаточно медленное, система приближена к состоянию равновесия. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называют квазистатическими.

Внутренняя энергия. Формулы

Внутренняя энергия считается важнейшим понятием термодинамики. Макроскопические тела (системы) имеют внутреннюю энергию, состящую из энергии каждой молекулы. Исходя из молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии атомов и молекул, а также потенциальной энергии их взаимодействия.

Например, внутренняя энергия идеального газа равняется сумме кинетических энергий частиц газа, которые находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. После подтверждений большим количеством экспериментов, был получен закон Джоуля:

Определение 3

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Применение молекулярно-кинетической теории говорит о том, что выражение для определения внутренней энергии 1 моля одноатомного газа, с поступательными движениями молекул записывается как:

U=32NАkT=32RT.

Зависимость от расстояния между молекулами у потенциальной энергии очевидна, поэтому внутренняя U и температура Т обусловлены изменениями V:

U=U(T, V).

Определение 4

Определение внутренней энергии U производится с помощью наличия макроскопических параметров, характеризующих состояние тела. Изменение внутренней энергии происходит по причине действия на тело внешних сил, совершающих работу. Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Пример 1

Когда газ в цилиндре сжимается под поршнем, то внешние силы совершают положительную работу A'. Силы давления газа на поршень также совершают работу, но равную A=-A'. При изменении объема газа на величину ∆V, говорят, что он совершает работу pS∆x=p∆V, где p – давление газа, S – площадь поршня, ∆x – его перемещение. Подробно показано в примере на рисунке 1.

Наличие знака перед работой говорит о работе газа в разных состояниях: положительная при расширении и отрицательная при сжатии. Переход из начального в конечное состояние работы газа может быть описан с помощью формулы:

A=∑pidVi или в пределе при ∆Vi→0:

A=∫V1V2pdV.

Рисунок 1. Работа газа при расширении.

Обратимые и необратимые процессы

Работа численно равняется площади процесса, изображенного на диаграмме p, V. Величина А зависит от метода перехода от начального состояния в конечное. Рисунок 2 показывает 3 процесса, которые переводят газ из состояние (1) в состояние (2). Во всех случаях газ совершает работу.

Рисунок 2. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

Процессы из рисунка 2 возможно провести в обратном направлении. Тогда произойдет изменение знака А на противоположный.

Определение 5

Процессы, которые возможно проводить в обоих направлениях, получили название обратимых.

Жидкости и твердые тела могут незначительно изменять свой объем, поэтому при совершении работы разрешено им пренебречь. Но их внутренняя энергия подвергается изменениям посредствам совершения работы.

Пример 2

Механическая обработка деталей нагревает их. Это способствует изменению внутренней энергии.

Имеется еще один пример опыта Джоуля 1843 года, служащий для определения механического эквивалента теплоты, изображенного на рисунке 3.

 Во время вращения катушки, находящейся в воде, внешние силы совершают положительную работу A'>0, тогда жидкость повышает температуру из-за наличия силы трения, то есть происходит увеличение внутренней энергии.

Определение 6

Процессы примеров не могут проводиться в противоположных направлениях, поэтому они получили название необратимых.

Рисунок 3. Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты.

Изменение внутренней энергии возможно при наличии совершаемой работы и при теплообмене. Тепловой контакт тел позволяет увеличиваться энергии одного тела с уменьшением энергии другого. Иначе это называется тепловым потоком.

Количество теплоты

Определение 7

Количество теплоты Q, полученное телом, называется его внутренней энергией, получаемой в результате теплообмена.

Рисунок 4. Модель работы газа.

Процесс передачи тепла тел возможен только при разности их температур.

Направление теплового потока всегда идет к холодному телу.

Количество теплоты Q считается энергетической величиной и измеряется в джоулях (Дж).

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/termodinamika/vnutrennjaja-energija/

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров

От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы

ГельмгольцГерман Людвиг Фердинанд (1821—1894) —выдающийся немецкий физик, математики физиолог. В 1847 г. в работе «О сохранениисилы» Гельмгольц впервые математическиобосновал закон сохранения энергии.Проанализировав большинство известныхв то время физических явлений, он показалего всеобщность.

Широко известны трудыГельмгольца по термодинамике,электродинамике, гидродинамике ифизиологической акустике. Он впервыеуказал на колебательный характер разрядалейденской банки (конденсатора), по егопредложению Г. Герц произвел опыты пообнаружению электромагнитных волн.

Гельмгольц первым измерил скоростьраспространения импульса возбужденияв нервах, построил модель уха и развилтеорию цветового зрения.

Вычислить внутреннююэнергию тела или ее изменение, учитываядвижение отдельных молекул и их положениедруг относительно друга, практическиневозможно из-за огромного числа молекулв макроскопических телах. Необходимопоэтому уметь определять среднеезначение внутренней энергии и ееизменение в зависимости от макроскопическихпараметров, которые можно непосредственноизмерять.

Мы установили, чтовнутренняя энергия идеального газазависит от одного параметра — температуры.От объема внутренняя энергия идеальногогаза не зависит потому, что потенциальнаяэнергия взаимодействия его молекулсчитается равной нулю.

Уреальных газов, жидкостей и твердых телсредняя потенциальная энергиявзаимодействия молекул не равна нулю.Правда, для реальных газов она многоменьше средней кинетической энергии,но для твердых и жидких тел сравнима скинетической.

Средняя потенциальнаяэнергия взаимодействия молекул зависитот объема вещества, так как при измененииобъема меняется среднее расстояниемежду молекулами.

Следовательно,внутренняя энергия в общем случае нарядус температурой Тзависитеще и от объема V.

Таккак значения макроскопических параметровТ,Vидр. однозначно определяют состояниетел, то, следовательно, они определяюти внутреннюю энергию макроскопическихтел.

Внутренняяэнергия Uмакроскопическихтел однозначно определяется параметрами,характеризующими состояния этих тел:

Но обратное несправедливо. Одной и той же внутреннейэнергии могут соответствовать различныесостояния. Так, после того как в калориметрс водой положен нагретый кусок железа,состояние системы вода — железоизменится: вода нагреется, а железоостынет. Однако внутренняя энергия всейсистемы не изменится, так как энергияне поступает извне от окружающих тел ине передается им.

Макроскопическиетела наряду с механической энергиейобладают внутренней энергией. Втермодинамике внутренняя энергияопределяется макроскопическимипараметрами Т, Vи др.

§ 5.5. Первый закон термодинамики

Первый законтермодинамики — это закон сохраненияэнергии, распространенный на тепловыеявления. Он показывает, от каких причинзависит изменение внутренней энергии.Этот великий закон прост.

Первый закон термодинамики

Вмеханике было доказано, что если междутелами действуют силы, зависящие толькоот расстояния, то при переходе системытел из начального состояния 1вконечное 2изменениеэнергии равно работе внешних сил

(5.5.1)

ЭнергияЕ—однозначная функция состояния системы;она зависит от скоростей тел и ихрасположения.

После того как мывыяснили, что наряду с механическойэнергией тела обладают еще и внутреннейэнергией, которая может меняться нетолько при совершении работы, но и притеплопередаче, закон сохранения (5.5.1)можно обобщить на тепловые процессы.

Изменениеполной энергии (механической Еивнутренней U)припереходе системы из начального состояния1вконечное 2равносумме работы внешних сил и количестватеплоты, переданного системе:

(5.5.2)

Втеории тепловых явлений обычнорассматривают тела, положение центрамасс которых изменяется незначительно.В этом случае механическая энергияпрактически не меняется: Е2=E1.Считаямеханическую энергию неизменной, мыможем первый закон термодинамикисформулировать следующим образом:

Изменение внутреннейэнергии системы при переходе ее изодного состояния в другое равно суммеработы внешних сил и количества теплоты,переданного системе:

(5.5.3)

и не зависит отспособа, которым осуществляется этотпереход.

Первыйзакон термодинамики связывает изменениевнутренней энергии с изменениеммакроскопических параметров VиТ,таккак через изменение этих параметроввыражается работа и количество теплоты.Внутренняя энергия определяется первымзаконом с точностью до произвольнойпостоянной, так как уравнение (5.5.3)позволяет определить изменение внутреннейэнергии, но не саму энергию.

Частовместо работы Авнешнихтел над системой рассматривают работуА'системынад внешними телами. Учитывая, что А' =-А (см. § 5.1), первый закон термодинамикив форме (5.5.3) можно переписать так:

(5.5.4)

Количествотеплоты, переданное системе, идет наизменение ее внутренней энергии и насовершение системой работы над внешнимителами.

Источник: https://studfile.net/preview/2383541/page:54/

Внутренняя энергия

От чего не зависит внутренняя энергия тела. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Изменение внутренней энергии: совершение работы

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

Темы кодификатора ЕГЭ: внутренняя энергия, теплопередача, виды теплопередачи

Частицы любого тела — атомы или молекулы — совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т.е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела — это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом.

Внутренняя энергия термодинамической системы — это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему.

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества — идеального газа — для внутренней энергии можно получить явную формулу.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии).

Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного (у многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул) движения его атомов.

Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа на среднюю кинетическую энергию одного атома:

или

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма — ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

Функция состояния

Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы.

А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е.

от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.

Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.

Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:

• совершение механической работы;
• теплопередача.

Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь 🙂 Рассмотрим эти способы подробнее.

Изменение внутренней энергии: совершение работы

Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.

Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура — это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.

Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.

Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы — работу совершили молоток и сила трения о доску.

Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.

Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным. Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики).

В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться — его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.

) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.

Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.

Изменение внутренней энергии: теплопередача

Теплопередача — это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы. Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Сейчас мы рассмотрим их более подробно.

Теплопроводность

Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.

Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню — от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 1)(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).

Рис. 1. Теплопроводность

Теплопроводность — это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела.

Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше.

Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом.

Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).

Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела — такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.

Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната?

Происходит это вследствие другого вида теплопередачи — конвекции.

Конвекция

Конвекция — это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества.

Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется.

Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку.

На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.

В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции — распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.

Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).

Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).

Рис. 2. Конвекция

В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.

Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать.

Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет — тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты.

По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.

Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.

Тепловое излучение

Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.

Здесь работает третий вид теплопередачи — тепловое излучение. Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?

Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством.

Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию).

В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле…

В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна —«зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой — в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет — частный случай электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.

Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет — это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше — частоты ультрафиолетового излучения.

Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны.

Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны.

Эти волны и называются тепловым излучением — в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.

Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.

При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот.

Железный гвоздь можно раскалить докрасна — довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона.

А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока , что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.

Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 3)(изображения с сайта beodom.com).

Рис. 3. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/vnutrennyaya-energiya/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.