A test belső energiája nem lehet állandó érték. Bármely testben változhat. Ha megemeli a testhőmérsékletét, akkor az belső energia növekedni fog, mert a molekulamozgás átlagos sebessége nőni fog. Így a test molekuláinak mozgási energiája növekszik. És fordítva, a hőmérséklet csökkenésével a test belső energiája csökken.

Megállapíthatjuk: A test belső energiája megváltozik, ha a molekulák mozgási sebessége változik. Próbáljuk meg meghatározni, milyen módszerrel lehet növelni vagy csökkenteni a molekulák mozgási sebességét. Fontolja meg a következő kísérletet. Rögzítsünk egy vékony falú sárgaréz csövet az állványra. Töltse fel a csövet éterrel, és zárja le dugóval. Ezután megkötözzük egy kötéllel, és elkezdjük intenzíven mozgatni a kötelet különböző oldalak. Egy bizonyos idő elteltével az éter felforr, és a gőz ereje kinyomja a dugót. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az anyag (éter) belső energiája megnőtt: végül is megváltozott a hőmérséklete, ugyanakkor forr.

A belső energia növekedése a cső kötéllel való dörzsölésekor végzett munka miatt következett be.

Mint tudjuk, a testek felmelegedése ütközés, hajlítás vagy nyújtás, vagy egyszerűbben deformáció során is felléphet. Valamennyi példában a test belső energiája nő.

Így a test belső energiája növelhető a testen végzett munkával.

Ha a munkát maga a szervezet végzi, belső energiája csökken.

Nézzünk egy másik kísérletet.

Levegőt pumpálunk egy vastag falú, dugóval lezárt üvegedénybe egy speciálisan kialakított lyukon keresztül.

Egy idő után a parafa kirepül az edényből. Abban a pillanatban, amikor a dugó kirepül a hajóból, ködképződést láthatunk majd. Következésképpen kialakulása azt jelenti, hogy az edényben a levegő lehűlt. Az edényben lévő sűrített levegő bizonyos mennyiségű munkát végez a dugó kihúzásakor. Ezt a munkát belső energiájának köszönhetően teljesít, ami egyben lecsökken. A belső energia csökkenésére vonatkozó következtetések az edényben lévő levegő lehűlése alapján vonhatók le. Így, Egy test belső energiája bizonyos munkák elvégzésével megváltoztatható.

A belső energia azonban más módon is megváltoztatható, munka nélkül. Vegyünk egy példát: a tűzhelyen álló vízforralóban forr a víz. A levegőt, valamint a helyiségben lévő egyéb tárgyakat központi radiátor fűti. IN hasonló esetek, a belső energia növekszik, mert nő a testhőmérséklet. De a munka nincs kész. Tehát, levonjuk a következtetést a belső energia változása konkrét munkavégzés miatt nem következhet be.

Nézzünk egy másik példát.

Helyezzen egy fém kötőtűt egy pohár vízbe. A molekulák kinetikus energiája melegvíz, több mozgási energia hideg fémrészecskék. A forró víz molekulák mozgási energiájuk egy részét átadják a hideg fémrészecskéknek. Így a vízmolekulák energiája bizonyos módon csökken, míg a fémrészecskék energiája nő. A víz hőmérséklete csökken, és a kötőtű hőmérséklete lassan növekedni fog. A jövőben a kötőtű és a víz hőmérséklete közötti különbség eltűnik. Ennek a tapasztalatnak köszönhetően változást láttunk a belső energiában különböző testek. Következtetésünk: A különböző testek belső energiája a hőátadás következtében megváltozik.

A belső energia átalakításának folyamatát anélkül, hogy a testen vagy magán a testen konkrét munkát végeznének hőátadás.

Van még kérdése? Nem tudja, hogyan csinálja meg a házi feladatát?
Ha segítséget szeretne kérni egy oktatótól, regisztráljon.
Az első óra ingyenes!

weboldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor az eredeti forrásra mutató hivatkozás szükséges.

Vannak módok a test belső energiájának megváltoztatására: munka és hőátadás.

A munkavégzés során ez két esetben változik: súrlódás és rugalmatlan alakváltozás során. Ha a munkát súrlódási erővel végzik, a belső energia a csökkenés miatt nő mechanikai energia, a dörzsölő testek felforrósodnak. Egy test rugalmatlan összenyomásakor belső energiája a mechanikai energia csökkenése miatt megnő.

A hőátadás a belső energia munkavégzés nélkül történő megváltoztatásának folyamata, miközben az egyik test belső energiája megnövekszik egy másik test belső energiájának csökkenése miatt. Az energiaátmenet a többel rendelkező testekből származik magas hőmérséklet alacsonyabb hőmérsékletű testekre. Vannak lehetőségei: hővezető képesség, konvekció és sugárzás.
~~~~~~~~~
A belső energia nem állandó érték. Ez változhat. Ha megemeli egy test hőmérsékletét, megnő a belső energiája (a molekulák átlagos sebessége nő). A hőmérséklet csökkenésével a test belső energiája csökken.

Nézzük a tapasztalatokat.
Rögzítsünk az állványra egy vékony falú sárgaréz csövet. Töltse fel a csövet éterrel, és zárja le dugóval. Megkötözzük egy kötéllel, és elkezdjük intenzíven mozgatni a kötelet oldalra. Egy idő után az éter felforr, és a gőz ereje kinyomja a dugót. Az anyag (éter) belső energiája megnőtt: megváltoztatta a hőmérsékletét, forr. A belső energia növekedése az elvégzett munka miatt következett be.

A testek felmelegedése ütközés, hajlítás vagy nyújtás, illetve deformáció során is felmelegedhet. A test belső energiája nő.

A test belső energiája növelhető a testen végzett munkával. Ha a munkát maga a szervezet végzi, belső energiája csökken.

Nézzük a tapasztalatokat.
Levegőt pumpálunk egy vastag falú, dugóval lezárt üvegedénybe egy speciálisan kialakított lyukon keresztül.

Egy idő után a parafa kirepül az edényből. Abban a pillanatban, amikor a dugó kirepül a hajóból, ködképződést láthatunk. Kialakulása azt jelenti, hogy az edényben a levegő lehűlt. Az edényben lévő sűrített levegő bizonyos mennyiségű munkát végez a dugó kihúzásakor. Ezt a munkát belső energiájának köszönhetően végzi, amely lecsökkent. A belső energia csökkenésére vonatkozó következtetések az edényben lévő levegő lehűlése alapján vonhatók le. Így a test belső energiája bizonyos munkák elvégzésével megváltoztatható.

A belső energia azonban más módon is megváltoztatható, munka nélkül.

Nézzünk egy példát.
A tűzhelyen álló vízforralóban forr a víz. A levegőt, valamint a helyiségben lévő egyéb tárgyakat központi radiátor fűti. Ilyenkor megnő a belső energia, mert nő a testhőmérséklet. De a munka nincs kész. Ez azt jelenti, hogy bizonyos mennyiségű munka elvégzése miatt előfordulhat, hogy a belső energia változása nem következik be.

Nézzünk egy példát.
Helyezzen egy fém kötőtűt egy pohár vízbe. A forró víz molekulák kinetikus energiája nagyobb, mint a hideg fémrészecskék kinetikus energiája. A forró víz molekulák mozgási energiájuk egy részét átadják a hideg fémrészecskéknek. Így a vízmolekulák energiája bizonyos módon csökken, míg a fémrészecskék energiája nő. A víz hőmérséklete csökken, és a kötőtű hőmérséklete lassan emelkedik. A jövőben a kötőtű és a víz hőmérséklete közötti különbség eltűnik. Ennek a tapasztalatnak köszönhetően változást tapasztaltunk a különböző testek belső energiájában. Következtetésünk: a különböző testek belső energiája a hőátadás következtében megváltozik.

A belső energia átalakításának folyamatát anélkül, hogy bizonyos munkát végeznének a testen vagy magán a testen, hőátadásnak nevezik.

Az MKT szerint minden anyag olyan részecskékből áll, amelyek folyamatos hőmozgásban vannak és kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezért még akkor is, ha a test mozdulatlan és nulla potenciális energiája van, van energiája (belső energiája), ami a testet alkotó mikrorészecskék mozgásának és kölcsönhatásának összenergiája. A belső energia magában foglalja:

1. molekulák transzlációs, forgó és vibrációs mozgásának kinetikus energiája;
2. atomok és molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája;
3. atomon belüli és intranukleáris energia.

A termodinamikában olyan folyamatokat veszünk figyelembe, amelyeken a oszcilláló mozgás atomok a molekulákban, azaz. 1000 K-t meg nem haladó hőmérsékleten. Ezekben a folyamatokban a belső energia csak az első két összetevője változik. azért

alatt belső energia a termodinamikában a test összes molekulája és atomja mozgási energiájának és kölcsönhatásuk potenciális energiájának összegét értjük.

Egy test belső energiája határozza meg termikus állapotát, és változik az egyik állapotból a másikba való átmenet során. Egy adott állapotban a testnek teljesen meghatározott belső energiája van, függetlenül attól, hogy milyen folyamaton keresztül jutott ebbe az állapotba. Ezért a belső energiát gyakran nevezik a test állapotának funkciója.

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

Ahol én- szabadságfok. Egyatomos gázokhoz (pl. nemesgázok) én= 3, kétatomos - én = 5.

Ezekből a képletekből kitűnik, hogy egy ideális gáz belső energiája csak a hőmérséklettől és a molekulák számától függés nem függ sem a térfogattól, sem a nyomástól. Ezért az ideális gáz belső energiájának változását csak a hőmérsékletének változása határozza meg, és nem függ annak a folyamatnak a természetétől, amelyben a gáz egyik állapotból a másikba kerül:

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

ahol Δ T = T 2 - T 1 .

• A valódi gázok molekulái kölcsönhatásba lépnek egymással, ezért potenciális energiájuk van W p, amely a molekulák közötti távolságtól és így a gáz által elfoglalt térfogattól függ. Így egy valódi gáz belső energiája függ a hőmérsékletétől, térfogatától és molekulaszerkezetétől.

*A képlet levezetése

Egy molekula átlagos kinetikus energiája \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

A gázban lévő molekulák száma \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Ezért az ideális gáz belső energiája az

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

Ezt figyelembe véve k⋅N A= R az egyetemes gázállandó, megvan

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - ideális gáz belső energiája.

A belső energia változása

Megoldani gyakorlati kérdések Nem maga a belső energia játszik jelentős szerepet, hanem annak Δ változása U = U 2 - U 1. A belső energia változását az energiamegmaradás törvényei alapján számítják ki.

A test belső energiája kétféleképpen változhat:

1. Elköteleződéskor gépészeti munka.
2. a) Ha egy külső erő deformációt okoz egy testben, akkor megváltoznak a részecskék közötti távolságok, amelyekből áll, és ezért megváltozik a részecskék kölcsönhatásának potenciális energiája. A rugalmatlan alakváltozások során ráadásul a testhőmérséklet is megváltozik, pl. a részecskék hőmozgásának kinetikai energiája megváltozik. De ha egy test deformálódik, akkor munka történik, ami a test belső energiájában bekövetkezett változás mértéke. b) Egy test belső energiája is megváltozik egy másik testtel való rugalmatlan ütközés során. Ahogy korábban láttuk, a testek rugalmatlan ütközésekor a mozgási energiájuk csökken, belső energiává alakul (ha például kalapáccsal többször megütjük az üllőn fekvő drótot, a huzal felmelegszik). Egy test mozgási energiájának változásának mértéke a mozgási energia tétele szerint a ható erők munkája. Ez a munka a belső energia változásainak mértékeként is szolgálhat. c) A test belső energiájának változása a súrlódás hatására következik be, mivel a tapasztalatból ismeretes, hogy a súrlódás mindig együtt jár a súrlódó testek hőmérsékletének változásával. A súrlódási erő által végzett munka a belső energia változásának mértékeként szolgálhat.

A segítséggel hőcsere. Például, ha egy testet egy égő lángjába helyezünk, annak hőmérséklete megváltozik, így a belső energiája is megváltozik. Itt azonban nem végeztek munkát, mert sem magának a testnek, sem annak részeinek nem volt látható mozgása.

A rendszer belső energiájának munkavégzés nélküli változását nevezzük

hőcsere (hőátadás). Háromféle hőátadás létezik: vezetés, konvekció és sugárzás. A) Hővezetőképesség

a testek (vagy testrészek) közötti hőcsere folyamata közvetlen érintkezésük során, amelyet a testrészecskék termikus kaotikus mozgása okoz. Molekuláris rezgés amplitúdója szilárd minél több, annál magasabb a hőmérséklete. A gázok hővezető képessége a gázmolekulák közötti energiacserének köszönhető az ütközéseik során. Folyadékok esetében mindkét mechanizmus működik. Egy anyag hővezető képessége szilárd halmazállapotban maximális, gáz halmazállapotban minimális.

b) Konvekció hőátadást jelent a folyadék vagy gáz felmelegített áramlása révén az általuk elfoglalt térfogat egyes területeiről mások felé.

c) Hőcsere at

sugárzás

A termodinamikai folyamatok vizsgálatakor a makrotestek egészének mechanikai mozgását nem vesszük figyelembe. A munka fogalma itt a testtérfogat változásához kapcsolódik, i.e. a makrotest részeinek mozgása egymáshoz képest. Ez a folyamat a részecskék közötti távolság megváltozásához, és gyakran mozgásuk sebességének megváltozásához, tehát a test belső energiájának megváltozásához vezet.

Izobár folyamat

Nézzük először az izobár folyamatot. Legyen gáz egy mozgatható dugattyús hengerben hőmérsékleten T 1 (1. ábra).

Lassan felmelegítjük a gázt egy hőmérsékletre T 2. A gáz izobár módon tágul, és a dugattyú elmozdul a helyéről 1 pozicionálni 2 Δ távolságra l. A gáznyomás erő működni fog külső testek. Mert p= const, akkor a nyomóerő F = p⋅Sállandó is. Ezért ennek az erőnek a munkája a képlet segítségével kiszámítható

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

ahol Δ V- gázmennyiség változása.

• Ha a gáz térfogata nem változik (izokór folyamat), akkor a gáz által végzett munka nulla.

• A gáz csak a térfogatának megváltoztatása során végez munkát.

Bővítéskor (Δ V> 0) a gáz befejeződött pozitív munka (A> 0); tömörítés közben (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (A < 0).

• Ha figyelembe vesszük a külső erők munkáját A " (A " = –A), majd bővítéssel (Δ V> 0) gáz A " < 0); при сжатии (ΔV < 0) A " > 0.

Írjuk fel a Clapeyron-Mengyelejev egyenletet két gázállapotra:

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

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

Ezért mikor izobár folyamat

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

Ha ν = 1 mol, akkor Δ-nél Τ = 1 K azt kapjuk R számszerűen egyenlő A.

Ebből következik fizikai jelentése univerzális gázállandó: számszerűen megegyezik 1 mól ideális gáz által végzett munkával, ha izobár módon hevítjük 1 K-val.

Nem izobár folyamat

A diagramon p (V) izobár folyamatban a munka megegyezik a 2. ábrán látható árnyékolt téglalap területével, a.

Ha a folyamat nem izobár(2. ábra, b), majd a függvénygörbe p = f(V) szaggatott vonalként ábrázolható, amelyből áll nagy mennyiségben izokor és izobár. Az izobár szakaszokon végzett munka nulla, és az összes izobár szakaszon végzett munka egyenlő lesz

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

azok. egyenlő lesz az árnyékolt ábra területe.

at izoterm folyamat (T= const) a munka egyenlő a 2. ábrán látható árnyékolt ábra területével, c.

Az utolsó képlettel csak akkor lehet munkát meghatározni, ha ismert, hogy a gáznyomás hogyan változik térfogatának változásával, pl. a függvény formája ismert p = f(V).

Nyilvánvaló tehát, hogy a munka a gáz kezdeti állapotából a végső állapotba való átmenet módjától (azaz a folyamattól: izoterm, izobár...) még a gáz térfogatának azonos változása mellett is függ. állami. Ezért arra a következtetésre juthatunk

• A termodinamikai munka a folyamat és nem az állapot függvénye.

A hő mennyisége

Mint ismeretes, a különféle mechanikai folyamatok során a mechanikai energia változása következik be W. A mechanikai energia változásának mértéke a rendszerre ható erők munkája:

\(~\Delta W = A.\)

A hőcsere során a test belső energiájában változás következik be. A belső energia hőátadás során bekövetkező változásának mértéke a hőmennyiség.

A hő mennyisége a belső energia hőátadás során bekövetkező változásának mértéke.

Így mind a munka, mind a hőmennyiség jellemzi az energia változását, de nem azonos a belső energiával. Nem magának a rendszernek az állapotát jellemzik (ahogyan a belső energia teszi), hanem meghatározzák az energia egyik típusból a másikba (egyik testből a másikba) való átmenet folyamatát, amikor az állapot megváltozik, és jelentősen függ a folyamat természetétől.

A fő különbség a munka és a hő között az

• a munka jellemzi a rendszer belső energiájának megváltoztatásának folyamatát, amelyet az energia egyik típusból a másikba való átalakulása kísér (mechanikusról belsőre);
• a hőmennyiség jellemzi a belső energia egyik testről a másikra történő átadását (a melegebbről a kevésbé fűtöttre), amelyet nem kísérnek energiaátalakítások.

Fűtés (hűtés)

A tapasztalat azt mutatja, hogy egy testtömeg felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség m hőmérsékleten T 1 hőmérsékletre T 2 képlettel számítva

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

Ahol c- az anyag fajlagos hőkapacitása (táblázatos érték);

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

A fajlagos hőkapacitás SI mértékegysége joule per kilogramm Kelvin (J/(kg K)).

Fajlagos hő c számszerűen egyenlő azzal a hőmennyiséggel, amelyet egy 1 kg tömegű testnek át kell adni ahhoz, hogy azt 1 K-vel felmelegítse.

A fajlagos hőkapacitáson kívül olyan mennyiséget is figyelembe kell venni, mint a test hőkapacitása.

Hőkapacitás test C számszerűen megegyezik a testhőmérséklet 1 K-os megváltoztatásához szükséges hőmennyiséggel:

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

Egy test hőkapacitásának SI mértékegysége joule per Kelvin (J/K).

Párologtatás (kondenzáció)

Ahhoz, hogy egy folyadékot állandó hőmérsékleten gőzzé alakítsunk, bizonyos mennyiségű hőt kell felhasználni

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

Ahol L- fajlagos párolgási hő (táblázatos érték). A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel.

A fajlagos párolgáshő SI mértékegysége joule per kilogramm (J/kg).

Olvadás (kristályosodás)

Kristályos testsúly megolvasztása érdekében m az olvadásponton a testnek közölnie kell a hőmennyiséget

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

Ahol λ - fajlagos olvadási hő (táblázatos érték). Amikor egy test kikristályosodik, ugyanannyi hő szabadul fel.

A fajlagos olvadási hő SI mértékegysége joule per kilogramm (J/kg).

Tüzelőanyag égés

A tüzelőanyag tömegének teljes elégetése során felszabaduló hőmennyiség m,

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

Ahol q- fajlagos égéshő (táblázatos érték).

A fajlagos égéshő SI mértékegysége joule per kilogramm (J/kg).

Irodalom

Aksenovich L. A. Fizika in középiskola: Elmélet. Feladatok. Tesztek: Tankönyv. általános műveltséget nyújtó intézmények támogatása. környezet, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 129-133, 152-161.

Megállapítottuk, hogy a folyadék elpárologtatása csak akkor lehetséges, ha a párolgó folyadékba hő áramlik be. Miért van ez így?

Először is, a párolgás során az anyag belső energiája megnő. A telített gőz belső energiája mindig nagyobb, mint annak a folyadéknak a belső energiája, amelyből ez a gőz keletkezett. Az anyag belső energiájának növekedése a párolgás során a hőmérséklet változása nélkül főként annak köszönhető, hogy amikor gőzzé alakul, megnő a molekulák közötti átlagos távolság. Ezzel párhuzamosan növekszik kölcsönös potenciális energiájuk, mivel ahhoz, hogy a molekulákat nagy távolságra elmozdítsák egymástól, munkát kell fordítani a molekulák egymáshoz való vonzódásának leküzdésére.

Ezenkívül külső nyomás ellen is dolgoznak, mivel a gőz nagyobb térfogatot foglal el, mint a folyadék, amelyből keletkezett. Az elpárologtatás során végzett munka különösen jól láthatóvá válik, ha elképzeljük, hogy a folyadék egy hengerben párolog, és a keletkező gőzt egy könnyű dugattyú emeli fel (492. ábra), miközben légköri nyomással ellentétes munkát végez. Ez a munka könnyen kiszámítható. Végezzük el ezt a számítást a normál nyomáson, és ezért hőmérsékleten forrásban lévő vízre. Legyen a dugattyúnak területe. Mert ez normális légköri nyomás egyenlő, akkor erő hat a dugattyúra. Ha a dugattyú értéket felemelkedik, a munka megtörténik. Ez létrehozza pár. A gőzsűrűség at egyenlő, tehát a gőz tömege egyenlő. Következésképpen, amikor gőz képződik, a külső nyomással szembeni munka elvész .

Rizs. 492. A keletkező gőzök felemelik a dugattyút. Ebben az esetben a munka a külső nyomóerők ellen történik

Amikor a víz elpárolog, (fajlagos párolgási hő) elfogy. Ezek közül, mint számításunk mutatja, külső nyomás elleni munkára költik. Ezért a maradék egyenlő a gőz belső energiájának növekedését jelenti a víz energiájához képest. Mint látható, a víz esetében a párolgás során a hő nagy része a belső energia növelésére megy el, és csak egy kis részét fordítják külső munkára.

297.1. Határozza meg a belső energia növekedését az alkohol elpárolgása során, ha ismert, hogy az alkohol gőzsűrűsége a forrásponton egyenlő.