Как вычислить внутреннюю энергию тела. Внутренняя энергия

Рассмотрение того или иного физического явления или класса явлений удобно производить при помощи моделей разной степени приближения. Например, при описании поведения газа используется физическая модель - идеальный газ.

Любая модель имеет границы применимости, при выходе за которые требуется ее уточнение либо применение более сложных вариантов. Здесь мы рассмотрим простой случай описания внутренней энергии физической системы исходя из наиболее существенных свойств газов в определенных пределах.

Идеальный газ

Эта физическая модель для удобства описания некоторых основополагающих процессов следующим образом упрощает реальный газ:

Пренебрегает размерами молекул газа. Это означает, что существуют явления, для адекватного описания которых данный параметр несущественен.
Пренебрегает межмолекулярными взаимодействиями, то есть принимает, что в интересующих ее процессах они проявляются в ничтожно малые промежутки времени и не оказывают влияния на состояние системы. При этом взаимодействия носят характер абсолютно упругого удара, при котором не происходит энергопотерь на деформации.
Пренебрегает взаимодействием молекул со стенками резервуара.
Принимает, что система «газ - резервуар» характеризуется термодинамическим равновесием.

Такая модель подходит для описания реальных газов, если давления и температуры относительно невелики.

Энергетическое состояние физической системы

Всякая макроскопическая физическая система (тело, газ или жидкость в сосуде) обладает, помимо собственной кинетической и потенциальной, еще одним видом энергии - внутренней. Эту величину получают, суммируя энергии всех составляющих физическую систему подсистем - молекул.

Каждая молекула в составе газа тоже имеет свою потенциальную и кинетическую энергию. Последняя обусловлена непрерывным хаотическим тепловым движением молекул. Различные взаимодействия между ними (электрическое притяжение, отталкивание) определяются потенциальной энергией.

Нужно помнить, что если энергетическое состояние каких-либо частей физической системы не оказывает никакого влияния на макроскопическое состояние системы, то оно не принимается во внимание. Например, при обычных условиях ядерная энергия не проявляет себя в изменениях состояния физического объекта, поэтому ее учитывать не нужно. Но при больших температурах и давлениях это уже необходимо делать.

Таким образом, внутренняя энергия тела отражает характер движения и взаимодействия его частиц. Это означает, что данный термин является синонимом часто употребляемого понятия «тепловая энергия».

Одноатомные газы, то есть такие, атомы которых не объединены в молекулы, существуют в природе - это инертные газы. Такие газы, как кислород, азот или водород, могут существовать в подобном состоянии только в условиях, когда извне затрачивается энергия на постоянное возобновление этого состояния, поскольку их атомы химически активны и стремятся соединиться в молекулу.

Рассмотрим энергетическое состояние одноатомного идеального газа, помещенного в сосуд некоторого объема. Это простейший случай. Мы помним, что электромагнитное взаимодействие атомов между собой и со стенками сосуда, а, следовательно, и их потенциальная энергия пренебрежимо малы. Так что внутренняя энергия газа включает в себя только сумму кинетических энергий его атомов.

Ее можно вычислить, умножив среднюю кинетическую энергию атомов в газе на их количество. Средняя энергия равна E = 3/2 х R / N A х T, где R - универсальная газовая постоянная, N A - число Авогадро, Т - абсолютная температура газа. Число атомов подсчитываем, умножая количество вещества на постоянную Авогадро. Внутренняя энергия одноатомного газа будет равна U = N A х m / M х 3/2 х R/N A х T = 3/2 х m / M х RT. Здесь m - масса и М - молярная масса газа.

Предположим, что химический состав газа и его масса всегда остаются одинаковыми. В таком случае, как видно из полученной нами формулы, внутренняя энергия зависит только от температуры газа. Для реального газа нужно будет учитывать, помимо температуры, изменение объема, поскольку оно влияет на потенциальную энергию атомов.

Молекулярные газы

В приведенной выше формуле число 3 характеризует количество степеней свободы движения одноатомной частицы - оно определяется числом координат в пространстве: x, y, z. Для состояния одноатомного газа вообще безразлично, вращаются ли его атомы.

Молекулы же сферически асимметричны, поэтому при определении энергетического состояния молекулярных газов нужно учитывать кинетическую энергию их вращения. Двухатомные молекулы, кроме перечисленных степеней свободы, связанных с поступательным движением, имеют еще две, связанные с вращением вокруг двух взаимно перпендикулярных осей; у многоатомных молекул таких независимых осей вращения три. Следовательно, частицы двухатомных газов характеризуются количеством степеней свободы f=5, у многоатомных же молекул f=6.

Вследствие хаотичности, присущей тепловому движению, все направления и вращательного, и поступательного перемещения совершенно равновероятны. Средняя кинетическая энергия, вносимая каждым видом движения, одинакова. Поэтому мы можем подставить величину f в формулу, что позволяет рассчитать внутреннюю энергию идеального газа любого молекулярного состава: U = f / 2 х m / M х RT.

Конечно, мы видим из формулы, что эта величина зависит от количества вещества, то есть от того, сколько и какого газа мы взяли, а также от структуры молекул этого газа. Однако, поскольку мы условились не менять массу и химический состав, то учитывать нам нужно только температуру.

Теперь рассмотрим, как величина U связана с другими характеристиками газа - объемом, а также давлением.

Внутренняя энергия и термодинамическое состояние

Температура, как известно, является одним из состояния системы (в данном случае газа). В идеальном газе она связана с давлением и объемом соотношением PV = m / M х RT (так называемое уравнение Клапейрона - Менделеева). Температура же определяет тепловую энергию. Так что последнюю можно выразить через набор других параметров состояния. Она безразлична к предыдущему состоянию, а также к способу его изменения.

Посмотрим, как изменяется внутренняя энергия, когда система переходит из одного термодинамического состояния в другое. Ее изменение при любом подобном переходе определяется разностью начального и конечного значений. Если система через некоторое промежуточное состояние возвратилась к первоначальному, то эта разность будет равна нулю.

Допустим, мы нагрели газ в резервуаре (то есть подвели к нему дополнительную энергию). Термодинамическое состояние газа изменилось: возросли его температура и давление. Такой процесс идет без изменения объема. Внутренняя энергия нашего газа увеличилась. После этого наш газ отдал подведенную энергию, остыв до исходного состояния. Такой фактор, как, например, скорость этих процессов, не будет иметь никакого значения. Результирующее изменение внутренней энергии газа при любой скорости нагревания и охлаждения равняется нулю.

Важным моментом является то, что одному и тому же значению тепловой энергии может соответствовать не одно, а несколько термодинамических состояний.

Характер изменения тепловой энергии

Для того чтобы изменить энергию, требуется совершить работу. Работа может совершаться самим газом или внешней силой.

В первом случае затрата энергии на совершение работы производится за счет внутренней энергии газа. Например, мы имели в резервуаре с поршнем сжатый газ. Если отпустить поршень, расширяющийся газ станет поднимать его, совершая работу (чтобы она была полезной, пусть поршень поднимает какой-нибудь груз). Внутренняя энергия газа уменьшится на величину, затраченную на работу против силы тяжести и сил трения: U 2 = U 1 - A. В этом случае работа газа положительна, поскольку направление силы, приложенной к поршню, совпадает с направлением движения поршня.

Начнем опускать поршень, совершая работу против силы давления газа и опять-таки против сил трения. Тем самым мы сообщим газу некоторое количество энергии. Здесь уже считается положительной работа внешних сил.

Помимо механической работы, существует и такой способ отнять у газа или сообщить ему энергию, как Мы уже встречались с ним в примере с нагреванием газа. Энергия, переданная газу в ходе процессов теплообмена, называется количеством теплоты. Теплообмен бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и лучистый перенос. Рассмотрим их немного подробнее.

Теплопроводность

Способность вещества к теплообмену, осуществляемому его частицами путем передачи друг другу кинетической энергии в ходе взаимных столкновений при тепловом движении - это теплопроводность. Если некоторая область вещества нагрета, то есть ей сообщено определенное количество теплоты, внутренняя энергия через некоторое время посредством столкновений атомов или молекул окажется распределена между всеми частицами в среднем однородно.

Понятно, что теплопроводность сильно зависит от частоты столкновений, а та, в свою очередь - от среднего расстояния между частицами. Поэтому газ, особенно идеальный, характеризуется весьма низкой теплопроводностью, и это свойство часто используют для теплоизоляции.

Из реальных газов теплопроводность выше у тех, чьи молекулы наиболее легкие и при этом многоатомные. Этому условию в наибольшей степени отвечает молекулярный водород, в наименьшей - радон, как самый тяжелый одноатомный газ. Чем более разрежен газ, тем худшим проводником тепла он является.

В целом передача энергии за счет теплопроводности для идеального газа - очень малоэффективный процесс.

Конвекция

Гораздо эффективнее для газа такой как конвекция, при которой внутренняя энергия распределяется посредством потока вещества, циркулирующего в поле тяготения. горячего газа формируется за счет архимедовой силы, поскольку он менее плотный вследствие Смещающийся вверх горячий газ постоянно замещается более холодным - устанавливается циркуляция газовых потоков. Поэтому для того, чтобы обеспечить эффективный, то есть наиболее быстрый, нагрев через конвекцию, необходимо подогревать резервуар с газом снизу - как и чайник с водой.

Если же необходимо отнять у газа какое-то количество теплоты, то холодильник эффективнее размещать вверху, так как отдавший энергию холодильнику газ будет устремляться вниз под действием тяготения.

Примером конвекции в газе является обогрев воздуха в помещениях при помощи отопительных систем (их размещают в комнате как можно ниже) или охлаждение с применением кондиционера, а в природных условиях явление тепловой конвекции служит причиной перемещения воздушных масс и влияет на погоду и климат.

При отсутствии силы тяжести (при невесомости в космическом корабле) конвекция, то есть циркуляция воздушных потоков, не устанавливается. Так что нет смысла зажигать на борту космического корабля газовые горелки или спички: горячие продукты сгорания не будут отводиться вверх, а кислород - подводиться к источнику огня, и пламя затухнет.

Лучистый перенос

Вещество может нагреваться и под действием теплового излучения, когда атомы и молекулы приобретают энергию, поглощая электромагнитные кванты - фотоны. При низких частотах фотонов этот процесс не очень эффективен. Вспомним, что, когда мы открываем микроволновую печку, то обнаруживаем там горячие продукты, но не горячий воздух. С повышением частоты излучения эффект лучевого нагрева повышается, например, в верхней атмосфере Земли сильно разреженный газ интенсивно нагревается и ионизируется солнечным ультрафиолетом.

Различные газы в разной степени поглощают тепловое излучение. Так, вода, метан, углекислый газ поглощают его довольно сильно. На этом свойстве основано явление парникового эффекта.

Первое начало термодинамики

Вообще говоря, изменение внутренней энергии через нагревание газа (теплообмен) также сводится к совершению работы либо молекул газа, либо над ними посредством внешней силы (что обозначается так же, но с обратным знаком). Какая же работа совершается при таком способе перехода из одного состояния в другое? Ответить на этот вопрос нам поможет закон сохранения энергии, точнее, его конкретизация применительно к поведению термодинамических систем - первое начало термодинамики.

Закон, или универсальный принцип сохранения энергии, в наиболее обобщенной форме гласит, что энергия не рождается из ничего и не пропадает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую. В отношении термодинамической системы это надо понимать так, что работа, совершаемая системой, выражается через разность между сообщаемым системе (идеальному газу) количеством теплоты и изменением ее внутренней энергии. Иначе говоря, на это изменение и на работу системы затрачивается сообщенное газу количество теплоты.

В виде формул это записывается гораздо проще: dA = dQ - dU, и соответственно, dQ = dU + dA.

Мы уже знаем, что эти величины не зависят от способа, которым совершается переход между состояниями. От способа зависит скорость этого перехода и, как следствие, эффективность.

Что касается второго начала термодинамики, то оно задает направление изменения: теплота не может быть переведена от более холодного (а значит, менее энергичного) газа к более горячему без дополнительных затрат энергии извне. Второе начало также указывает, что часть энергии, расходуемой системой на совершение работы, неизбежно диссипирует, теряется (не исчезает, а переходит в непригодную для использования форму).

Термодинамические процессы

Переходы между энергетическими состояниями идеального газа, могут иметь разный характер изменения тех или иных его параметров. Внутренняя энергия в процессах переходов разного типа также будет вести себя по разному. Рассмотрим кратко несколько видов таких процессов.

Изохорный процесс протекает без изменения объема, следовательно, газ никакой работы не совершает. Внутренняя энергия газа изменяется как функция разности конечной и начальной температур.
Изобарный процесс происходит при неизменном давлении. Газ совершает работу, а его тепловая энергия рассчитывается так же, как и в предыдущем случае.
Изотермический процесс характеризуется постоянной температурой, а, значит, и тепловая энергия не меняется. Количество теплоты, получаемое газом, целиком уходит на совершение работы.
Адиабатический, или адиабатный процесс протекает в газе без теплопередачи, в теплоизолированном резервуаре. Работа совершается только за счет затрат тепловой энергии: dA = - dU. При адиабатическом сжатии тепловая энергия увеличивается, при расширении - соответственно уменьшается.

Различные изопроцессы лежат в основе функционирования тепловых машин. Так, изохорный процесс имеет место в бензиновом двигателе при крайних положениях поршня в цилиндре, а второй и третий такты двигателя - это примеры адиабатического процесса. При получении сжиженных газов адиабатическое расширение играет важную роль - благодаря ему становится возможна конденсация газа. Изопроцессы в газах, при исследовании которых не обойтись без понятия о внутренней энергии идеального газа, характерны для многих явлений природы и находят применение в самых разных отраслях техники.

«Физика - 10 класс»

Тепловые явления можно описывать с помощью величин (макроскопических параметров), измеряемых такими приборами, как манометр и термометр. Эти приборы не реагируют на воздействие отдельных молекул. Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой . В термодинамике рассматриваются процессы с точки зрения превращения теплоты в другие виды энергии.

Что такое внутренняя энергия.
Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете?

Термодинамика была создана в середине XIX в. после открытия закона сохранения энергии. В её основе лежит понятие внутренняя энергия . Само название «внутренняя» предполагает рассмотрение системы как ансамбля движущихся и взаимодействующих молекул. 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.

Термодинамика 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. Тогда же было доказано, что наряду с механической энергией макроскопические тела обладают ещё и энергией, заключённой внутри самих тел.

Сейчас в науке и технике при изучении тепловых явлений используется 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.

Термодинамической системой называют совокупность взаимодействующих тел, обменивающихся энергией и веществом.

Внутренняя энергия в молекулярно-кинетической теории.

Основным понятием в термодинамике является понятие внутренней энергии.

Внутренняя энергия тела (системы) - это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Механическая энергия тела (системы) как целого не входит во внутреннюю энергию. Например, внутренняя энергия газов в двух одинаковых сосудах при равных условиях одинакова независимо от движения сосудов и их расположения относительно друг друга.

Вычислить внутреннюю энергию тела (или её 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 её изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа.

Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.

Согласно модели молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, следовательно, потенциальная энергия их взаимодействия равна нулю. Вся внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией беспорядочного движения его молекул.

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

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Она не зависит от объёма и других макроскопических параметров системы.

Изменение внутренней энергии идеального газа

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 Т другой. Объясняется это тем, что сложные молекулы не только движутся поступательно, но ещё и вращаются и колеблются относительно своих положений равновесия. Внутренняя энергия таких газов равна сумме энергий поступательного, вращательного и колебательного движений молекул. Следовательно, внутренняя энергия многоатомного газа больше энергии одноатомного газа при той же температуре.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров.

Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра - температуры.

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

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

Можно ли утверждать, что внутренняя энергия реального газа зависит от давления, основываясь на том, что давление можно выразить через температуру и объём газа.

Значения макроскопических параметров (температуры Т объёма 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 объёмом.

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U 2 - U 1 . Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.

Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы .

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена . Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии.

Количество теплоты

Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:

При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии в процессе теплообмена.

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны внутренней энергии. Они не характеризуют само состояние системы (как это делает внутренняя энергия), а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что

§ работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю);

§ количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

§ Теплоемкость , количество теплоты, затрачиваемое для изменения температуры на 1°С. Согласно более строгому определению, теплоемкость - термодинамическая величина, определяемая выражением:

§ где ΔQ - количество теплоты, сообщенное системе и вызвавшее изменение ее температуры на Delta;T. Отношение конечных разностей ΔQ /ΔТ называется средней теплоемкостю , отношение бесконечно малых величин dQ/dT - истинной теплоемкостю . Поскольку dQ не является полным дифференциалом функции состояния, то итеплоемкость зависит от пути перехода между двумя состояниями системы. Различают теплоемкость системы в целом (Дж/К), удельную теплоемкость [Дж/(г·К)], молярную теплоемкость [Дж/(моль·К)]. Во всех ниже приведенных формулах использованы молярные величины теплоемкости .

Вопрос 32:

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи.

Количество теплоты измеряется в системе СИ в джоулях.
[Q] = 1Дж.

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру единицы массы данного вещества на 1°С.
Единица удельной теплоемкости в системе СИ:
[c] = 1Дж/кг·градусС.

Вопрос 33:

33 Первое начало термодинамики количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами. dQ=dU+dA,где dQ-элементарное кол-во теплоты,dA-элементарная работа,dU-приращение внутренней энергии. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы , при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.
Изохорный процесс (V =const). Диаграмма этого процесса(изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 81), где процесс 1-2 есть изохорное нагревание, а 1 -3 - изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, Изотермический процесс (T =const). Как уже указывалось § 41, изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта
, для того чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.

Вопрос 34:

34 Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (dQ= 0)между системой и окружающей средой. К адиабатическим процессам можно отнести все быстропротекающие процессы. Например, адиабатическим процессом можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д.
Из первого начала термодинамики (dQ= dU+dA ) для адиабатического процесса следует, что
p /С V =γ , найдем

Проинтегрируя уравнение в пределах от p 1 до p 2 и соответственно от V 1 до V 2 , и потенцируя, придем к выражению

Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать

Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:

кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
внутриатомная и внутриядерная энергии.

В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому

под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела .

\(~U = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac {m}{M} \cdot R \cdot T,\)

где i - степень свободы. Для одноатомного газа (например, инертные газы) i = 3, для двухатомного - i = 5.

Из этих формул видно, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и числа молекул и не зависит ни от объема, ни от давления. Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера процесса, в котором газ переходит из одного состояния в другое:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac{m}{M} \cdot R \cdot \Delta T ,\)

где ΔT = T 2 - T 1 .

Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией W p , которая зависит от расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема. Таким образом, внутренняя энергия реального газа зависит от его температуры, объема и структуры молекул.

*Вывод формулы

Средняя кинетическая энергия молекулы \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac {i}{2} \cdot k \cdot T\).

Число молекул в газе \(~N = \dfrac {m}{M} \cdot N_A\).

Следовательно, внутренняя энергия идеального газа

\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac {m}{M} \cdot N_A \cdot \dfrac {i}{2} \cdot k \cdot T .\)

Учитывая, что k⋅N A = R - универсальная газовая постоянная, имеем

\(~U = \dfrac {i}{2} \cdot \dfrac {m}{M} \cdot R \cdot T\) - внутренняя энергия идеального газа.

Изменение внутренней энергии

Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

При совершении механической работы . а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела. б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, - проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии. в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.
При помощи теплообмена . Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно способы изменения внутренней энергии.

Механическая работа

При рассмотрении термодинамических процессов механическое перемещение макротел в целом не рассматривается. Понятие работы здесь связывается с изменением объема тела, т.е. перемещением частей макротела друг относительно друга. Процесс этот приводит к изменению расстояния между частицами, а также часто к изменению скоростей их движения, следовательно, к изменению внутренней энергии тела.

Изобарный процесс

Рассмотрим вначале изобарный процесс. Пусть в цилиндре с подвижным поршнем находится газ при температуре T 1 (рис. 1).

Будем медленно нагревать газ до температуры T 2 . Газ будет изобарически расширяться, и поршень переместится из положения 1 в положение 2 на расстояние Δl . Сила давления газа при этом совершит работу над внешними телами. Так как p = const, то и сила давления F = p⋅S тоже постоянная. Поэтому работу этой силы можно рассчитать по формуле

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

где ΔV - изменение объема газа.

Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работа газа равна нулю.

Газ выполняет работу только в процессе изменения своего объема.

При расширении (ΔV > 0) газа совершается положительная работа (А > 0); при сжатии (ΔV < 0) газа совершается отрицательная работа (А < 0).

Если рассматривать работу внешних сил A " (А " = –А ), то при расширении (ΔV > 0) газа А " < 0); при сжатии (ΔV < 0) А " > 0.

Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева для двух состояний газа:

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

Следовательно, при изобарном процессе

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

Если ν = 1 моль, то при ΔΤ = 1 К получим, что R численно равна A .

Отсюда вытекает физический смысл универсальной газовой постоянной : она численно равна работе, совершаемой 1 моль идеального газа при его изобарном нагревании на 1 К.

Не изобарный процесс

На графике p (V ) при изобарном процессе работа равна площади заштрихованного на рисунке 2, а прямоугольника.

Если процесс не изобарный (рис. 2, б), то кривую функции p = f (V ) можно представить как ломаную, состоящую из большого количества изохор и изобар. Работа на изохорных участках равна нулю, а суммарная работа на всех изобарных участках будет равна

\(~A = \lim_{\Delta V \to 0} \sum^n_{i=1} p_i \cdot \Delta V_i\), или \(~A = \int p(V) \cdot dV,\)

т.е. будет равна площади заштрихованной фигуры .

При изотермическом процессе (Т = const) работа равна площади заштрихованной фигуры, изображенной на рисунке 2, в.

Определить работу, используя последнюю формулу, можно только в том случае, если известно, как изменяется давление газа при изменении его объема, т.е. известен вид функции p = f (V ).

Таким образом, видно, что даже при одном и том же изменении объема газа работа будет зависеть от способа перехода (т.е. от процесса: изотермический, изобарный …) из начального состояния газа в конечное. Следовательно, можно сделать вывод, что

Работа в термодинамике является функцией процесса и не является функцией состояния.

Количество теплоты

\(~\Delta W = A.\)

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии в процессе теплообмена.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что

работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю);
количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

Нагревание (охлаждение)

Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры T 1 до температуры T 2 , рассчитывается по формуле

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

где c - удельная теплоемкость вещества (табличная величина);

\(~c = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T}.\)

Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).

Удельная теплоемкость c численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.

Кроме удельной теплоемкости рассматривают и такую величину, как теплоемкость тела.

Теплоемкость тела C численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:

\(~C = \dfrac{Q}{\Delta T} = c \cdot m.\)

Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).

Парообразование (конденсация)

Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты

\(~Q = L \cdot m,\)

где L - удельная теплота парообразования (табличная величина). При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.

Единицей удельной теплоты парообразования в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Плавление (кристаллизация)

Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

где λ - удельная теплота плавления (табличная величина). При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.

Единицей удельной теплоты плавления в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Сгорание топлива

Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m ,

\(~Q = q \cdot m,\)

где q - удельная теплота сгорания (табличная величина).

Единицей удельной теплоты сгорания в СИ является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия молекул .

Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.

При остановке тела механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов.

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.

Если рассматривать кинетическую и потенциальную энергию одной молекулы, то это очень маленькая величина, ведь масса молекулы мала. Поскольку в теле содержится множество молекул, то внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, будет велика.

Способы изменения внутренней энергии

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается.

Опыт: если нагреть бутылку с резиновой пробкой, то пробка через некоторое время вылетит.

Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:

1) совершая механическую работу. Внутренняя энергия увеличивается, если над телом совершают работу, а уменьшается, если тело совершает работу.

2) путем теплопередачи (теплопроводностью, конвекцией, излучением). Если тело отдаёт тепло, то внутренняя энергия уменьшается, а если принимает тепло, то она увеличивается.

Виды теплопередачи. Опыты, иллюстрирующие виды теплопередачи. Теплопередача в природе, технике, механике.

Теплообмен (теплопередача) - это процесс изменения внутренней энергии, происходящий без совершения работы.

Теплопроводность - вид теплопередачи, при котором энергия передается от одного тела к другому при соприкосновении или от одной его части к другой. Разные вещества имеют разную теплопроводность. Теплопроводность у металлов большая, у жидкостей - меньше, у газов - низкая. При теплопроводности не происходит переноса вещества.

2) Конвекция - вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа и жидкости. Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная. В твердых телах конвекции нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью. Много проявлений конвекции можно обнаружить в природе и жизни человека. Конвекция также находит применение в технике.

3) Излучение - вид теплопередачи, при котором энергия переносится электромагнитными волнами. Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. Это используется на практике.

* При теплообмене кол-во отданной теплоты равно по модулю кол-ву полученной теплоты, или их сумма равно нулю. Это называется уровнем теплового баланса.