Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов и молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и еще некоторых факторов.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения тела относительно других тел.
Тело, имея некоторый запас внутренней энергии, одновременно может обладать и механической энергией (как потенциальной так и кинетической)
Способы изменения внутренней энергии тела:
- теплопередача (нагревание или охлаждение)
Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей
Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Теплопередачу можно осуществить тремя способами: теплопроводность, конвекция, излучение
Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.
Следует помнить, что при теплопередаче не происходит переноса вещества.
Теплопроводность у разных веществ различна.
Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум, так как теплопроводность – это перенос энергии при взаимодействии молекул или других частиц.
- совершение работы над телом (например, сжатие газа)
Если над телом совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается
- деформация тела
Вычислить внутреннюю энергию тела (или ее изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положение относительно друг друга, практически невозможно из-за их огромного числа. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или ее изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.
При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной
ΔU = 0
Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия частиц пренебрежимо мала по сравнению с их кинетической энергией теплового движения. Внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией теплового движения частиц.
Средняя кинетическая энергия одного атома : = kT
В силу хаотического равновероятного движения молекул на каждое из возможных направлений движения (X, Y, Z) приходится одинаковая энергия
Внутренняя энергия U одноатомного газа, состоящего из N атомов, в N раз больше энергии одного атома:
U = N= NkT = NA kT = RT
M = maNA - молярная масса газа
N =NA – количество молекул(атомов) газа
Произведение kNA = R = 8,31 Дж/(моль*К) называется молярной или универсальной газовой постоянной
U = RT
Внутренняя масса идеального газа зависит лишь от одного макроскопического параметра – термодинамической температуры.
Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре и не зависит от объема и других макроскопических параметров.
Используя уравнение Клайперона-Менделеева получим выражение для внутренней энергии идеального одноатомного газа
U = pV
Число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекулы.
В одноатомной молекуле возможно движение в трех направлениях, в двухатомном – в пяти .
В многоатомной молекуле связи существующие между атомами уменьшают число степеней свободы, а количество атомов увеличивает их.
В общем случае внутренняя энергия идеального газа:
U = RT = pV
i – число степеней свободы молекул газа (3 – для одноатомного газа, 5 – для двухатомного газа) - число возможных независимых направлений движения молекулы.
Для двухатомного газа: U = RT
Для многоатомного газа: U = RT
Внутренняя энергия реального газа зависит не только от его температуры, но и от объема газа. Разным объемам соответствуют разные расстояния между молекулами и соответственно различные потенциальные энергии реального газа.
У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твердых тел и жидкостей она сравнима с ней.
Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами.
Следовательно, внутренняя энергия в термодинамике в общем случае наряду с температурой зависит и от объема.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: ∆U=А+Q.
Если система не совершает работу А=0 и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0) => ∆U = 0 т.е. внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.
Из 1 закона: Q = ∆U+A (A=−A’) количество теплоты, переданное системе идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Изохорный процесс. При изохорном процессе объем газа не меняется ( V = const ) и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты: ∆U=Q. Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U>0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q<0 и ∆U <0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.
Изотермический процесс. При изотермическом процессе ( Т = const ) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q = A. Если газ получает теплоту Q > 0, то он совершает положительную работу (А > 0). Если напротив газ отдает теплоту окружающей среде, то Q < 0 и A < 0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.
Изобарный процесс. При изобарном процессе согласно формуле Q = ∆U + A передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.
Адиабатный процесс. Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.
При адиабатном процессе Q = 0 и согласно уравнению: ∆U = A + Q, изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: ∆U = A. Согласно этому уравнению при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия его увеличивается, что означает повышение температуры газа. И наоборот при расширении газа сам газ совершает положительную работу (А > 0) и внутренняя энергия его уменьшается - газ охлаждается.
При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной. ∆U = 0
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ (уч.10кл.стр.263-264, уч.8кл.стр.18-29)
См.выше Внутренняя энергия идеального газа(уч.10кл.стр.261-264)
Способы изменения внутренней энергии
Теплообмен. Определение, примеры
Работа. Определение, примеры
Количество теплоты, как мера передачи энергии (уч.10кл.стр.263)
Уменьшение внутренней энергии
Может ли совершаться работа при теплообмене
Удельная теплоемкость
Уравнение теплового баланса
Удельная теплота сгорания. Энергия топлива (уч.8кл.стр.25)
Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплообмен и совершение работы
Теплообмен(теплопередача, конвекция, излучение)– процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы
Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.
Количеством теплоты называют так же энергию, которую тело отдает или получает в результате теплообмена.
Количество теплоты, получаемое телом – энергия передаваемая телу извне в результате теплообмена.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.
При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты.
При нагревании увеличивается температура и внутренняя энергия тела.
Для уменьшения внутренней энергии тела нужно привести его в контакт с более холодным.
За счет изменения внутренней энергии при теплообмене не может совершаться работа.
За счет совершения работы может происходить увеличение температуры и внутренней энергии системы.
Например, при сжатии поршень передает молекулам часть своей кинетической энергии в результате чего газ нагревается.
Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела: Q = ∆U.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от его массы.
При остывании тело передает окружающим предметам тем больше количества теплоты, чем больше его масса.
Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, чтобы изменить его температуру на одну и туже величину.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое при остывании), зависит от массы тела, от изменения его температуры и рода вещества.
Количество теплоты обозначают – Q
Единица измерения (как вид энергии) – Дж (Джоуль)
Измерять количество теплоты ученые стали задолго до того, как в физике появилось понятие энергии. Тогда была установлена особая единица количества теплоты – кал (калория) (лат. калор – тепло, жар)
Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1оС.
1 кал = 4.19 Дж
1 ккал = 4190 Дж = 4.190 кДж
Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
