Вътрешна енергия на тялотоне може да бъде постоянна стойност. Може да се промени във всяко тяло. Ако повишите телесната си температура, то вътрешна енергияще се увеличи, защото средната скорост на движение на молекулите ще се увеличи. Така кинетичната енергия на молекулите на тялото се увеличава. И обратно, с намаляването на температурата вътрешната енергия на тялото намалява.

Можем да заключим: Вътрешната енергия на тялото се променя, ако се промени скоростта на движение на молекулите.Нека се опитаме да определим какъв метод може да се използва за увеличаване или намаляване на скоростта на движение на молекулите. Помислете за следния експеримент. Нека прикрепим месингова тръба с тънки стени към стойката. Напълнете епруветката с етер и я затворете със запушалка. След това го завързваме с въже и започваме интензивно да движим въжето различни страни. След определено време етерът ще заври и силата на парата ще изтласка тапата. Опитът показва, че вътрешната енергия на веществото (етер) се е увеличила: в крайна сметка то е променило температурата си, като в същото време кипи.

Увеличаването на вътрешната енергия се дължи на извършената работа, когато тръбата се търка с въже.

Както знаем, нагряването на телата може да се получи и при удари, флексия или екстензия, или по-просто казано, при деформация. Във всички посочени примери вътрешната енергия на тялото се увеличава.

По този начин вътрешната енергия на тялото може да се увеличи чрез извършване на работа върху тялото.

Ако работата се извършва от самото тяло, неговата вътрешна енергия намалява.

Нека разгледаме друг експеримент.

Напомпваме въздух в стъклен съд, който е с дебели стени и се затваря със запушалка през специално направен отвор в нея.

След известно време тапата ще излети от съда. В момента, когато запушалката излети от съда, ще можем да видим образуването на мъгла. Следователно образуването му означава, че въздухът в съда е станал студен. Сгъстеният въздух, който е в съда, извършва определена работа, когато избутва щепсела. Тази работатой изпълнява благодарение на вътрешната си енергия, която в същото време е намалена. Изводите за намаляването на вътрешната енергия могат да се направят въз основа на охлаждането на въздуха в съда. По този начин, Вътрешната енергия на тялото може да се промени чрез извършване на определена работа.

Вътрешната енергия обаче може да се промени по друг начин, без да се извършва работа. Нека разгледаме един пример: водата в чайник, който стои на печката, кипи. Въздухът, както и останалите предмети в помещението, се нагряват от централен радиатор. IN подобни случаи, вътрешната енергия се увеличава, т.к телесната температура се повишава. Но работата не е свършена. И така, заключаваме промяна във вътрешната енергия може да не настъпи поради извършването на определено количество работа.

Нека да разгледаме друг пример.

Поставете метална игла за плетене в чаша вода. Кинетична енергия на молекулите топла вода, Повече ▼ кинетична енергиястудени метални частици. Молекулите на гореща вода ще предадат част от своята кинетична енергия на частиците на студения метал. Така енергията на водните молекули ще намалее по определен начин, докато енергията на металните частици ще се увеличи. Температурата на водата ще падне, а температурата на иглата за плетене ще се понижи бавно ще нарастне. В бъдеще разликата между температурата на иглата за плетене и водата ще изчезне. Благодарение на това преживяване видяхме промяна във вътрешната енергия различни тела. Заключаваме: Вътрешната енергия на различни тела се променя поради пренос на топлина.

Процесът на преобразуване на вътрешна енергия без извършване на специфична работа върху тялото или самото тяло се нарича пренос на топлина.

Все още имате въпроси? Не знаете как да си направите домашното?
За да получите помощ от преподавател, регистрирайте се.
Първият урок е безплатен!

уебсайт, при пълно или частично копиране на материал се изисква връзка към източника.

Има начини за промяна на вътрешната енергия на тялото: работа и пренос на топлина.

Когато се извършва работа, тя се променя в два случая: при триене и при нееластична деформация. Когато работата се извършва чрез сила на триене, вътрешната енергия се увеличава поради намаляване механична енергия, триещите се тела се нагряват. При нееластично натиск на тяло вътрешната му енергия се увеличава поради намаляване на механичната енергия.

Преносът на топлина е процес на промяна на вътрешната енергия без извършване на работа, докато вътрешната енергия на едно тяло се увеличава поради намаляване на вътрешната енергия на друго тяло. Енергийният преход идва от тела с повече висока температуракъм тела с по-ниска температура. Има опции: топлопроводимост, конвекция и радиация.
~~~~~~~~~
Вътрешната енергия не е постоянна стойност. Може да се промени. Ако увеличите температурата на тялото, неговата вътрешна енергия ще се увеличи (средната скорост на движение на молекулите ще се увеличи). С понижаването на температурата вътрешната енергия на тялото намалява.

Нека разгледаме опита.
Нека прикрепим месингова тръба с тънки стени към стойката. Напълнете епруветката с етер и я затворете със запушалка. Завързваме го с въже и започваме интензивно да движим въжето отстрани. След известно време етерът ще заври и силата на парата ще изтласка тапата. Вътрешната енергия на веществото (етер) се увеличава: променя температурата си, кипи. Увеличаването на вътрешната енергия се дължи на извършената работа.

Нагряването на телата може да възникне и при удари, огъване или разгъване или деформация. Вътрешната енергия на тялото се увеличава.

Вътрешната енергия на тялото може да се увеличи чрез извършване на работа върху тялото. Ако работата се извършва от самото тяло, неговата вътрешна енергия намалява.

Нека разгледаме опита.
Напомпваме въздух в стъклен съд, който е с дебели стени и се затваря със запушалка през специално направен отвор в нея.

След известно време тапата ще излети от съда. В момента, когато запушалката излита от съда, виждаме образуването на мъгла. Образуването му означава, че въздухът в съда е станал студен. Сгъстеният въздух, който е в съда, извършва определена работа, когато избутва щепсела. Той извършва тази работа благодарение на вътрешната си енергия, която е намалена. Изводите за намаляване на вътрешната енергия могат да се направят въз основа на охлаждането на въздуха в съда. Така вътрешната енергия на тялото може да се промени чрез извършване на определена работа.

Вътрешната енергия обаче може да се промени по друг начин, без да се извършва работа.

Нека разгледаме един пример.
Водата в чайника, който стои на котлона, кипи. Въздухът, както и останалите предмети в помещението се затоплят от централен радиатор. В такива случаи вътрешната енергия се увеличава, т.к телесната температура се повишава. Но работата не е свършена. Това означава, че промяна във вътрешната енергия може да не настъпи поради извършването на определена работа.

Нека разгледаме един пример.
Поставете метална игла за плетене в чаша вода. Кинетичната енергия на молекулите на гореща вода е по-голяма от кинетичната енергия на студените метални частици. Молекулите на гореща вода ще предадат част от своята кинетична енергия на частиците на студения метал. Така енергията на водните молекули ще намалее по определен начин, докато енергията на металните частици ще се увеличи. Температурата на водата ще падне и температурата на иглата за плетене бавно ще се увеличи. В бъдеще разликата между температурата на иглата за плетене и водата ще изчезне. Благодарение на това преживяване видяхме промяна във вътрешната енергия на различни тела. Ние заключаваме: вътрешната енергия на различни тела се променя поради пренос на топлина.

Процесът на преобразуване на вътрешна енергия без извършване на определена работа върху тялото или самото тяло се нарича пренос на топлина.

Според MKT всички вещества се състоят от частици, които са в непрекъснато топлинно движение и взаимодействат помежду си. Следователно, дори ако тялото е неподвижно и има нулева потенциална енергия, то има енергия (вътрешна енергия), която е общата енергия на движение и взаимодействие на микрочастиците, които изграждат тялото. Вътрешната енергия включва:

1. кинетична енергия на транслационно, ротационно и вибрационно движение на молекули;
2. потенциална енергия на взаимодействие на атоми и молекули;
3. вътрешноатомна и вътрешноядрена енергия.

В термодинамиката процесите се разглеждат при температури, при които трептящо движениеатоми в молекули, т.е. при температури не по-високи от 1000 К. При тези процеси се променят само първите два компонента на вътрешната енергия. Ето защо

под вътрешна енергияв термодинамиката разбираме сумата от кинетичната енергия на всички молекули и атоми на едно тяло и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Вътрешната енергия на тялото определя топлинното му състояние и се променя при прехода от едно състояние в друго. В дадено състояние тялото има напълно определена вътрешна енергия, независимо от процеса, чрез който е преминало в това състояние. Следователно вътрешната енергия често се нарича функция на състоянието на тялото.

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

Където аз- степен на свобода. За едноатомен газ (напр. благородни газове) аз= 3, за двуатомни - аз = 5.

От тези формули става ясно, че вътрешната енергия на идеален газ зависи само от температурата и броя на молекулитеи не зависи нито от обема, нито от налягането. Следователно промяната във вътрешната енергия на идеален газ се определя само от промяната в неговата температура и не зависи от естеството на процеса, при който газът преминава от едно състояние в друго:

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

където Δ T = T 2 - T 1 .

• Молекулите на реалните газове взаимодействат една с друга и следователно имат потенциална енергия У p, което зависи от разстоянието между молекулите и следователно от обема, зает от газа. Така вътрешната енергия на реалния газ зависи от неговата температура, обем и молекулна структура.

*Извеждане на формулата

Средна кинетична енергия на молекула \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Броят на молекулите в газа е \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Следователно вътрешната енергия на идеалния газ е

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

Като се има предвид това k⋅NА= Ре универсалната газова константа, която имаме

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - вътрешна енергия на идеален газ.

Промяна във вътрешната енергия

За решения практически въпросиЗначителна роля играе не самата вътрешна енергия, а нейното изменение Δ U = U 2 - U 1 . Промяната във вътрешната енергия се изчислява въз основа на законите за запазване на енергията.

Вътрешната енергия на тялото може да се промени по два начина:

1. При обвързване механична работа. а) Ако външна сила причини деформация на тялото, тогава разстоянията между частиците, от които се състои, се променят и следователно се променя потенциалната енергия на взаимодействие на частиците. При нееластични деформации освен това се променя температурата на тялото, т.е. кинетичната енергия на топлинното движение на частиците се променя. Но когато едно тяло се деформира, се извършва работа, която е мярка за изменението на вътрешната енергия на тялото. б) Вътрешната енергия на тялото се променя и при нееластичен сблъсък с друго тяло. Както видяхме по-рано, по време на нееластичен сблъсък на тела тяхната кинетична енергия намалява, тя се превръща във вътрешна енергия (например, ако ударите няколко пъти с чук върху тел, разположена върху наковалня, телта ще се нагрее). Мярката за промяна на кинетичната енергия на тялото, според теоремата за кинетичната енергия, е работата на действащите сили. Тази работа може да служи и като мярка за промени във вътрешната енергия. в) Промяната във вътрешната енергия на тялото възниква под въздействието на силата на триене, тъй като, както е известно от опита, триенето винаги е придружено от промяна в температурата на триещите се тела. Работата, извършена от силата на триене, може да служи като мярка за промяната на вътрешната енергия.
2. С помощ топлообмен. Например, ако тяло се постави в пламъка на горелка, неговата температура ще се промени, следователно вътрешната му енергия също ще се промени. Тук обаче не се работеше, защото нямаше видимо движение нито на самото тяло, нито на неговите части.

Промяната във вътрешната енергия на система без извършване на работа се нарича топлообмен(пренос на топлина).

Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване.

а) Топлопроводимосте процесът на топлообмен между тела (или части от тяло) по време на техния пряк контакт, причинен от топлинното хаотично движение на частиците на тялото. Амплитуда на молекулярни вибрации твърдоколкото повече, толкова по-висока е температурата му. Топлинната проводимост на газовете се дължи на обмена на енергия между газовите молекули по време на техния сблъсък. При течностите работят и двата механизма. Топлинната проводимост на веществото е максимална в твърдо състояние и минимална в газообразно състояние.

б) Конвекцияпредставлява пренос на топлина чрез нагрети потоци течност или газ от едни области на обема, които заемат, към други.

в) Топлообмен при радиацияизвършва се от разстояние чрез електромагнитни вълни.

Нека разгледаме по-подробно начините за промяна на вътрешната енергия.

Механична работа

При разглеждането на термодинамичните процеси не се взема предвид механичното движение на макротелата като цяло. Концепцията за работа тук се свързва с промяна в обема на тялото, т.е. движение на части от макротялото една спрямо друга. Този процес води до промяна на разстоянието между частиците, а също и често до промяна в скоростта на тяхното движение, следователно до промяна във вътрешната енергия на тялото.

Изобарен процес

Нека първо разгледаме изобарния процес. Нека има газ в цилиндър с подвижно бутало при температура T 1 (фиг. 1).

Бавно ще загреем газа до температура T 2. Газът ще се разшири изобарно и буталото ще се премести от позиция 1 на позиция 2 на разстояние Δ л. Силата на налягането на газа ще върши работа външни тела. защото стр= const, тогава силата на натиск Е = p⋅Sсъщо постоянен. Следователно работата на тази сила може да се изчисли по формулата

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

където Δ V- промяна в обема на газа.

• Ако обемът на газа не се променя (изохорен процес), тогава извършената от газа работа е нула.

• Газът извършва работа само в процеса на промяна на обема си.

При разширяване (Δ V> 0) газът е завършен положителна работа (А> 0); по време на компресия (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (А < 0).

• Ако разгледаме работата на външните сили А " (А " = –А), след това с разширение (Δ V> 0) газ А " < 0); при сжатии (ΔV < 0) А " > 0.

Нека напишем уравнението на Клапейрон-Менделеев за две газови състояния:

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

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

Следователно, когато изобарен процес

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

Ако ν = 1 mol, тогава при Δ Τ = 1 K получаваме това Рчислено равен А.

От това следва физически смисълуниверсална газова константа: числено е равна на работата, извършена от 1 мол идеален газ, когато той се нагрява изобарно с 1 K.

Не е изобарен процес

На графиката стр (V) в изобарен процес работата е равна на площта на защрихования правоъгълник на фигура 2, a.

Ако процесът не е изобарен(фиг. 2, b), след това функционалната крива стр = f(V) могат да бъдат представени като прекъсната линия, състояща се от големи количестваизохора и изобара. Работата върху изохорните сечения е нула, а общата работа върху всички изобарни сечения ще бъде равна на

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

тези. ще бъдат равни площ на защрихованата фигура.

При изотермичен процес (T= const) работата е равна на площта на защрихованата фигура, показана на фигура 2, c.

Възможно е да се определи работата с помощта на последната формула само ако е известно как се променя налягането на газа при промяна на обема му, т.е. формата на функцията е известна стр = f(V).

По този начин е ясно, че дори при същата промяна в обема на газа, работата ще зависи от метода на прехода (т.е. от процеса: изотермичен, изобарен...) от първоначалното състояние на газа към крайното състояние. Следователно можем да заключим, че

• Работата в термодинамиката е функция на процеса, а не функция на състоянието.

Количество топлина

Както е известно, по време на различни механични процеси настъпва промяна в механичната енергия У. Мярка за промяната в механичната енергия е работата на силите, приложени към системата:

\(~\Делта W = A.\)

По време на топлообмена настъпва промяна във вътрешната енергия на тялото. Мярка за промяната на вътрешната енергия по време на пренос на топлина е количеството топлина.

Количество топлинае мярка за промяната във вътрешната енергия по време на пренос на топлина.

По този начин работата и количеството топлина характеризират промяната в енергията, но не са идентични с вътрешната енергия. Те не характеризират състоянието на самата система (както вътрешната енергия), но определят процеса на преход на енергия от един вид към друг (от едно тяло към друго), когато състоянието се променя и значително зависи от естеството на процеса.

Основната разлика между работа и топлина е, че

• работата характеризира процеса на промяна на вътрешната енергия на система, придружен от трансформация на енергия от един вид в друг (от механична към вътрешна);
• количеството топлина характеризира процеса на прехвърляне на вътрешна енергия от едно тяло към друго (от по-нагрято към по-малко нагрято), което не е придружено от енергийни трансформации.

Отопление (охлаждане)

Опитът показва, че количеството топлина, необходимо за загряване на телесна маса мна температурата T 1 до температура T 2, изчислено по формулата

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

Където ° С- специфичен топлинен капацитет на веществото (таблична стойност);

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

Единицата SI за специфичен топлинен капацитет е джаул на килограм Келвин (J/(kg K)).

Специфична топлина ° Се числено равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с тегло 1 kg, за да се нагрее с 1 K.

В допълнение към специфичния топлинен капацитет се взема предвид и такова количество като топлинния капацитет на тялото.

Топлинен капацитеттяло ° Счислено равно на количеството топлина, необходимо за промяна на телесната температура с 1 K:

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

Единицата SI за топлинен капацитет на тялото е джаул на Келвин (J/K).

Изпаряване (кондензация)

За да се превърне течност в пара при постоянна температура, е необходимо да се изразходва известно количество топлина

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

Където Л- специфична топлина на изпарение (таблична стойност). Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на изпарение е джаул на килограм (J/kg).

Топене (кристализация)

За да се стопи кристално тяло с тегло мпри точката на топене тялото трябва да съобщи количеството топлина

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

Където λ - специфична топлина на топене (таблична стойност). Когато едно тяло кристализира, се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на топене е джаул на килограм (J/kg).

Изгаряне на гориво

Количеството топлина, отделено по време на пълното изгаряне на маса гориво м,

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

Където р- специфична топлина на изгаряне (таблична стойност).

Единицата SI за специфична топлина на изгаряне е джаул на килограм (J/kg).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в гимназия: Теория. Задачи. Тестове: Учебник. ползи за институции, осигуряващи общо образование. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и вяхване, 2004. - С. 129-133, 152-161.

Открихме, че изпаряването на течност е възможно само ако има поток от топлина към изпаряващата се течност. защо е така

Първо, по време на изпаряване вътрешната енергия на веществото се увеличава. Вътрешната енергия на наситената пара винаги е по-голяма от вътрешната енергия на течността, от която е образувана тази пара. Увеличаването на вътрешната енергия на веществото по време на изпаряване без промяна на температурата се дължи главно на факта, че когато преминава в пара, средното разстояние между молекулите се увеличава. В същото време тяхната взаимна потенциална енергия се увеличава, тъй като за да се раздалечат молекулите на големи разстояния, трябва да се изразходва работа за преодоляване на силите на привличане на молекулите една към друга.

Освен това се работи срещу външно налягане, тъй като парата заема по-голям обем от течността, от която е образувана. Работата, извършена по време на изпаряването, става особено ясна, ако си представим, че течността се изпарява в цилиндър и че получената пара се повдига от леко бутало (фиг. 492), докато върши работа срещу атмосферното налягане. Тази работа е лесна за изчисляване. Нека направим това изчисление за вода, кипяща при нормално налягане и, следователно, при температура. Нека буталото има площ. Защото е нормално Атмосферно наляганеравни, тогава върху буталото действа сила. Ако буталото се издигне с , работата ще бъде свършена. Това създава двойка. Плътността на парите при е равна на , така че масата на парите е равна на . Следователно, когато се образува пара, ще се изразходва работа срещу външно налягане .

Ориз. 492. Получените пари повдигат буталото. В този случай се работи срещу външни сили на натиск

Когато водата се изпари, (специфична топлина на изпарение) се изразходва. От тях, както показва нашето изчисление, те се изразходват за работа срещу външен натиск. Следователно остатъкът, равен на, представлява увеличението на вътрешната енергия на парата в сравнение с енергията на водата. Както можете да видите, за водата по-голямата част от топлината по време на изпаряване отива за увеличаване на вътрешната енергия и само малка част се изразходва за извършване на външна работа.

297.1. Определете увеличението на вътрешната енергия по време на изпаряването на алкохола, ако е известно, че плътността на парите на алкохола при точката на кипене е равна на .