В приведенной ниже статье речь пойдет о внутренней энергии и способах изменения ее. Здесь мы ознакомимся с общим определением ВЭ, с ее значением и двумя видами изменения состояния энергией, которой обладает физическое тело, объект. В частности будет рассмотрено явление теплопередачи и совершение работы.

Введение

Внутренняя энергия - это та часть ресурса системы термодинамического характера, которая не является зависимой от конкретной отсчетной системы. Она может изменять свое значение в пределах изучаемой проблемы.

Характеристики равного значения в системе отсчета, по отношению к которой центральная масса тела/объекта макроскопических размеров являет собой состояние покоя, обладают одинаковой полной и внутренней энергиями. Они всегда соответствуют друг другу. Набор частей, из которых состоит полная энергия, входящая во внутреннюю, является непостоянным и зависит от условий решаемой задачи. Другими словами, ВЭ не является специфическим видом энергетического ресурса. Она представляет собой общую совокупность ряда компонентов системы полной энергии, которые изменяются с учетом конкретных ситуаций. Способы изменения внутренней энергии базируются на двух основных принципах: теплопередаче и совершении работы.

ВЭ является специфическим понятием для систем термодинамического характера. Она позволяет вводить в пользование физики разнообразные величины, такие как температура и энтропия, размерность химического потенциала, масса веществ, образующих систему.

Выполнение работы

Существует два способа изменения внутренней энергии тел(а). Первый образуется благодаря процессу совершения непосредственной работы над объектом. Второй - это явление теплопередачи.

В случаи, если выполнение работы совершается самим телом, его показатель внутренней энергии будет уменьшаться. Когда процесс будет завершен кем-то или чем-то над телом, тогда его показатель ВЭ будет расти. При этом наблюдается трансформация механического энергетического ресурса во внутренний тип энергии, которым обладает объект. Также может протекать все и наоборот: механическая во внутреннюю.

Теплопередача увеличивает величину ВЭ. Однако если тело будет остывать, то и энергия будет снижаться. При постоянном поддержании трансляции тепла, показатель будет возрастать. Сжатие газов служит примером увеличения показателя ВЭ, а их расширение (газов) - следствие уменьшения величины внутренней энергии.

Явление теплопередачи

Изменение внутренней энергии способом теплопередачи представляет собой увеличение/снижение энергетического потенциала. Им обладает тело, без проведения определенной (в частности механической) работы. Передающееся количество энергии именуют теплотой (Q, Дж), а сам процесс подчиняется всеобщему ЗСЭ. Совершение изменений во ВЭ всегда отражается ростом или снижение температуры самого тела.

Оба способа изменения внутренней энергии (работа и теплопередача) могут совершаться по отношению к одному объекту в одновременном порядке, т. е. они могут совмещаться.

Изменить ВЭ можно, например, создавая трение. Здесь четко отслеживается совершение механической работы (трение) и явление теплообмена. Подобным образом старались добывать огонь наши предки. Они создавали трение между древесиной, температура воспламенения которой соответствует отметке в 250 °С.

Изменение внутренней энергии тела посредством совершения работы или теплопередачей может происходить в один и тот же отрезок времени, т. е. эти два вида средств могут работать совместно. Однако простого трения в конкретном случае будет мало. Для этого одну ветвь необходимо было заострять. В настоящее время человек может получить огонь при помощи трения спичек, головки которых покрывают горючим веществом, воспламеняющимся при 60-100 °С. Первая подобная продукция началась создаваться в 30-ых годах XIX века. Это были фосфорные спички. Они способны загораться при относительно низкой температуре - 60 °С. В настоящее время пользуются которые были запущены в производство в 1855 года.

Зависимость энергии

Говоря о способах изменения внутренней энергии, важно будет упомянуть также о зависимости этого показателя от температуры. Дело в том, что количество этого энергетического ресурса обусловлено средней величиной кинетической энергии, сосредоточенной в молекуле тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от показателя температуры. Именно по этой причине изменение температуры всегда приводит к изменению ВЭ. Из этого также следует, что нагревание приводит к росту энергии, а охлаждение вызывает ее уменьшение.

Температура и теплообмен

Способы изменения внутренней энергии тела делятся на: теплопередачу и совершение механической работы. Однако важно будет знать, что количество теплоты и температура - это не одно и то же. Эти понятия нельзя путать. Температурные величины определяются градусами, а количество передаваемой или переданной теплоты определяется при помощи джоулей (Дж).

Контакт двух тел, одно из которых будет горячее, всегда приводит к утрате тепла одним (более горячим) и к приобретению его другим (более холодным).

Важно отметить, что оба способа изменения ВЭ тела всегда приводят к одинаковым результатам. Определить, каким именно способом было достигнуто ее изменение, по конечному состоянию тела, невозможно.

Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться.

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается , так как увеличивается средняя скорость движения молекул.

Следовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается .

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

Попытаемся выяснить, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул. Для этого проделаем следующий опыт. Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 3). Нальём в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьём верёвкой и начнём быстро двигать её то в одну сторону, то в другую. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел.

Рис. 3. Увеличение внутренней энергии тела при совершении работы над ним

Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки верёвкой.

Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, т. е. при деформации. Внутренняя энергия тела во всех приведённых примерах увеличивается.

Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу .

Если же работу совершает само тело, то его внутренняя, энергия уменьшается .

Проделаем следующий опыт.

В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней (рис. 4).

Рис. 4. Уменьшение внутренней энергии тела при совершении работы самим телом

Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счёт своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде. Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путём совершения работы .

Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления, крыши домов нагреваются лучами солнца и т. п. Во всех этих случаях повышается температура тел, а значит, увеличивается их внутренняя энергия. Но при этом работа не совершается.

Значит, изменение внутренней энергии может происходить не только в результате совершения работы .

Как можно объяснить увеличение внутренней энергии в этих случаях?

Рассмотрим следующий пример.

Опустим в стакан с горячей водой металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды при взаимодействии с частицами холодного металла будут передавать им часть своей кинетической энергии. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц металла будет увеличиваться. Температура воды уменьшится, а температура металлической спицы постепенно увеличится. Через некоторое время их температуры выравняются. Этот опыт демонстрирует изменение внутренней энергии тел.

Итак, внутреннюю энергию тел можно изменить путём теплопередачи .

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Теплопередача всегда происходит в определённом направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Когда температуры тел выравняются, теплопередача прекращается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.

Теплопередача, в свою очередь, может осуществляться: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением .

Вопросы

1. Пользуясь рисунком 3, расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу.
2. Опишите опыт, показывающий, что за счёт внутренней энергии тело может совершить работу.
3. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела способом теплопередачи.
4. Объясните на основе молекулярного строения вещества нагревание спицы, опущенной в горячую воду.
5. Что такое теплопередача?
6. Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

Упражнение 2

1. Сила трения совершает над телом работу. Меняется ли при этом внутренняя энергия тела? По каким признакам можно судить об этом?
2. При быстром спуске по канату нагреваются руки. Объясните, почему это происходит.

Задание

Положите монету на лист фанеры или деревянную доску. Прижмите монету к доске и двигайте её быстро то в одну, то в другую сторону. Заметьте, сколько раз надо передвинуть монету, чтобы она стала тёплой, горячей. Сделайте вывод о связи между выполненной работой и увеличением внутренней энергии тела.

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:

1. кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
2. потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
3. 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

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.

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

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

\(~\Delta W = A.\)

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.

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 тела может передаваться и путем совершения работы. Так, при обработке детали на станке нагреваются резец и деталь, что указывает на увеличение их внутренней энергии. В процессе совершения работы по накачиванию воздуха в автомобильную или футбольную камеры по той же причине нагреваются насос и сжатый воздух. В рассмотренных примерах возрастание внутренней энергии тел происходит за счет увеличения в результате нагревания кинетической энергии их молекул.

Если взять два куска льда при температуре 0°С и начать и тереть друг о друга, то лед будет таять. Таяние льда происходит при постоянной температуре, следовательно, кинетическая энергия его молекул не увеличивается. В этом случае энергия, затраченная на совершение работы против сил трения, пошла на увеличение потенциальной энергии воды, которая получилась из; льда. Таким образом, на основе рассмотренных примеров и опытов приходим к выводу, что внутренняя энергия тела увеличивается, если над ним совершает работу другое тело.

Немецкий ученый Майер и английский ученый Джоуль доказали (первый в 1824 г. теоретически, второй в 1843 г.- опытно), что если внутренняя энергия тела (системы тел) увеличивается вследствие совершения над ним работы, то это увеличение равно совершенной работе.

Был проделан следующий опыт. Равномерно падающие грузы Р посредством шнуров А 1 и А 2 приводили во вращение мешалку В, помещенную во внутренний сосуд калориметра (рис. 26). В последнем находилась ртуть. Ее температура в начале и в конце опыта измерялась термометром С. Для увеличения трения между мешалкой и ртутью внутренние стенки калориметра имели пластинки Д. При вращении мешалки между ее лопастями и ртутью, а также между ртутью и пластинками возникало трение. В результате совершенной работы против сил трения произошло увеличение внутренней энергии ртути и калориметра, о чем свидетельствовало повышение их температуры. Джоуль подсчитал совершенную работу и вызванное ею увеличение внутренней энергии. За n раз опускания и подъема груза совершенная работа A = 2Phn . Увеличение внутренней энергии ртути и калориметра ΔU = с р m р Δt° + c k m k Δt° оказалось равным совершенной работе А = ΔU.

Находящийся в бутылке сжатый воздух, охлажденный до комнатной температуры, заставим совершать работу против сил внешнего давления и вращать вертушку (рис. 27). Термометр, помещенный в струю воздуха, совершающего работу, показывает, что его температура стала ниже. Пар и газ, совершая работу в двигателях, также охлаждаются. Значит, внутренняя энергия тела уменьшается, если за счет нее тело совершает работу.

И при теплообмене, и при совершении работы cmΔt 0 есть изменение внутренней энергии. В первом случае оно обозначается Q и называется количеством теплоты, а во втором случае так и называется изменением внутренней энергии и обозначается ΔU = cmΔt° . При изменении внутренней энергии путем совершения работы нельзя пользоваться термином "количество теплоты".

Работа является универсальной формой передачи энергии; в процессе работы могут происходить превращения любых видов энергии, в том числе механической, во внутреннюю и наоборот. Теплообмен - это специфическая форма передачи внутренней энергии и притом только от нагретого тела к холодному.