Energia vnútorného tela nemôže byť konštantná hodnota. Môže sa zmeniť v akomkoľvek tele. Ak si zvýšite telesnú teplotu, tak áno vnútornej energie zvýši, pretože priemerná rýchlosť molekulárneho pohybu sa zvýši. Tým sa zvyšuje kinetická energia molekúl tela. A naopak, s klesajúcou teplotou klesá vnútorná energia tela.

Môžeme skonštatovať: Vnútorná energia telesa sa mení, ak sa mení rýchlosť pohybu molekúl. Pokúsme sa určiť, akou metódou je možné zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pohybu molekúl. Zvážte nasledujúci experiment. Na stojan pripevníme mosadznú rúrku s tenkými stenami. Skúmavku naplníme éterom a uzavrieme zátkou. Potom ho zviažeme lanom a začneme lano intenzívne posúvať dovnútra rôzne strany. Po určitom čase éter vrie a sila pary vytlačí zátku. Skúsenosti ukazujú, že vnútorná energia látky (éteru) sa zvýšila: napokon zmenila svoju teplotu a zároveň vrie.

K zvýšeniu vnútornej energie došlo v dôsledku práce vykonanej pri trení rúrky lanom.

Ako vieme, zahrievanie telies môže nastať aj pri nárazoch, ohýbaní či vyťahovaní, alebo jednoduchšie pri deformácii. Vo všetkých uvedených príkladoch sa vnútorná energia tela zvyšuje.

Vnútorná energia tela sa teda môže zvýšiť vykonávaním práce na tele.

Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia klesá.

Uvažujme o ďalšom experimente.

Cez špeciálne vyrobený otvor v nej napumpujeme vzduch do sklenenej nádoby, ktorá má hrubé steny a je uzavretá zátkou.

Po určitom čase korok vyletí z nádoby. V momente, keď zátka vyletí z plavidla, budeme môcť vidieť tvorbu hmly. V dôsledku toho jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobe sa ochladil. Stlačený vzduch, ktorý je v nádobe, vykoná určitú prácu pri vytláčaní zátky. Táto práca vystupuje vďaka svojej vnútornej energii, ktorá sa zároveň znižuje. Závery o poklese vnútornej energie možno vyvodiť na základe ochladzovania vzduchu v nádobe. teda Vnútorná energia tela sa môže meniť vykonaním určitej práce.

Vnútornú energiu je však možné zmeniť aj inak, bez toho, aby sme museli pracovať. Zoberme si príklad: voda v kanvici, ktorá stojí na sporáku, vrie. Vzduch, ako aj ostatné predmety v miestnosti sú ohrievané centrálnym radiátorom. IN podobné prípady, vnútorná energia sa zvyšuje, pretože telesná teplota sa zvyšuje. Ale práca nie je vykonaná. Takže uzatvárame zmena vnútornej energie nemusí nastať v dôsledku vykonania určitého množstva práce.

Pozrime sa na ďalší príklad.

Vložte kovovú pletaciu ihlu do pohára vody. Kinetická energia molekúl horúca voda, viac Kinetická energia studené kovové častice. Molekuly horúcej vody prenesú časť svojej kinetickej energie na častice studeného kovu. Energia molekúl vody sa teda určitým spôsobom zníži, zatiaľ čo energia kovových častíc sa zvýši. Teplota vody klesne a teplota pletacej ihlice sa bude pomaly znižovať sa zvýši. V budúcnosti zmizne rozdiel medzi teplotou pletacej ihly a vody. Vďaka tejto skúsenosti sme videli zmenu vnútornej energie rôzne telá. Dospeli sme k záveru: Vnútorná energia rôznych telies sa mení v dôsledku prenosu tepla.

Proces premeny vnútornej energie bez vykonávania špecifickej práce na tele alebo samotnom tele sa nazýva prenos tepla.

Stále máte otázky? Neviete ako si spraviť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc od tútora, zaregistrujte sa.
Prvá lekcia je zadarmo!

webová stránka, pri kopírovaní celého materiálu alebo jeho časti je potrebný odkaz na zdroj.

Existujú spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu tela: práca a prenos tepla.

Pri vykonávaní práce sa mení v dvoch prípadoch: pri trení a pri nepružnej deformácii. Keď sa práca vykonáva trecou silou, vnútorná energia sa zvyšuje v dôsledku poklesu mechanická energia, trecie telesá sa zahrievajú. V prípade nepružného stlačenia telesa sa jeho vnútorná energia zvyšuje v dôsledku poklesu mechanickej energie.

Prenos tepla je proces zmeny vnútornej energie bez vykonania práce, pričom vnútorná energia jedného telesa sa zvyšuje v dôsledku poklesu vnútornej energie iného telesa. Energetický prechod pochádza z tiel s viac vysoká teplota na telesá s nižšou teplotou. Existujú jeho možnosti: tepelná vodivosť, konvekcia a žiarenie.
~~~~~~~~~
Vnútorná energia nie je konštantná hodnota. Môže sa to zmeniť. Ak zvýšite teplotu telesa, zvýši sa jeho vnútorná energia (zvýši sa priemerná rýchlosť pohybu molekúl). S klesajúcou teplotou klesá vnútorná energia tela.

Zoberme si skúsenosti.
Na stojan pripevníme mosadznú rúrku s tenkými stenami. Skúmavku naplníme éterom a uzavrieme zátkou. Zviažeme ho lanom a začneme lano intenzívne posúvať do strán. Po chvíli éter vrie a sila pary vytlačí zátku. Vnútorná energia látky (éteru) sa zvýšila: zmenila svoju teplotu, var. Nárast vnútornej energie nastal v dôsledku vykonávanej práce.

Zahrievanie telies môže nastať aj pri nárazoch, ohybe alebo predĺžení alebo deformácii. Vnútorná energia tela sa zvyšuje.

Vnútorná energia tela môže byť zvýšená vykonaním práce na tele. Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia klesá.

Zoberme si skúsenosti.
Cez špeciálne vyrobený otvor v nej napumpujeme vzduch do sklenenej nádoby, ktorá má hrubé steny a je uzavretá zátkou.

Po určitom čase korok vyletí z nádoby. V momente, keď zátka vyletí z plavidla, môžeme vidieť tvorbu hmly. Jeho vznik znamená, že vzduch v nádobe sa ochladil. Stlačený vzduch, ktorý je v nádobe, vykoná určitú prácu pri vytláčaní zátky. Túto prácu vykonáva vďaka svojej vnútornej energii, ktorá je znížená. Závery o poklese vnútornej energie možno vyvodiť na základe ochladzovania vzduchu v nádobe. Vnútorná energia tela sa teda môže meniť vykonaním určitej práce.

Vnútornú energiu je však možné zmeniť aj inak, bez toho, aby sme museli pracovať.

Pozrime sa na príklad.
Voda v kanvici, ktorá stojí na sporáku, vrie. Vzduch, ako aj ostatné predmety v miestnosti sú ohrievané centrálnym radiátorom. V takýchto prípadoch sa vnútorná energia zvyšuje, pretože telesná teplota sa zvyšuje. Ale práca nie je vykonaná. To znamená, že zmena vnútornej energie nemusí nastať v dôsledku výkonu určitej práce.

Pozrime sa na príklad.
Vložte kovovú pletaciu ihlu do pohára vody. Kinetická energia molekúl horúcej vody je väčšia ako kinetická energia studených kovových častíc. Molekuly horúcej vody prenesú časť svojej kinetickej energie na častice studeného kovu. Energia molekúl vody sa teda určitým spôsobom zníži, zatiaľ čo energia kovových častíc sa zvýši. Teplota vody klesne a teplota pletacej ihly sa bude pomaly zvyšovať. V budúcnosti zmizne rozdiel medzi teplotou pletacej ihly a vody. Vďaka tejto skúsenosti sme videli zmenu vnútornej energie rôznych telies. Dospeli sme k záveru: vnútorná energia rôznych telies sa mení v dôsledku prenosu tepla.

Proces premeny vnútornej energie bez vykonania určitej práce na tele alebo tele samotnom sa nazýva prenos tepla.

Podľa MKT sa všetky látky skladajú z častíc, ktoré sú v nepretržitom tepelnom pohybe a navzájom sa ovplyvňujú. Preto aj keď je telo nehybné a má nulovú potenciálnu energiu, má energiu (vnútornú energiu), čo je celková energia pohybu a interakcie mikročastíc, ktoré tvoria telo. Vnútorná energia zahŕňa:

1. kinetická energia translačného, ​​rotačného a vibračného pohybu molekúl;
2. potenciálna energia interakcie atómov a molekúl;
3. vnútroatómová a intranukleárna energia.

V termodynamike sa procesy uvažujú pri teplotách, pri ktorých sa oscilačný pohyb atómov v molekulách, t.j. pri teplotách nepresahujúcich 1000 K. Pri týchto procesoch sa menia len prvé dve zložky vnútornej energie. Preto

pod vnútornej energie v termodynamike rozumieme súčtu kinetickej energie všetkých molekúl a atómov telesa a potenciálnej energie ich interakcie.

Vnútorná energia telesa určuje jeho tepelný stav a mení sa pri prechode z jedného stavu do druhého. V danom stave má telo úplne určitú vnútornú energiu, nezávislú od procesu, ktorým do tohto stavu prešlo. Preto sa často nazýva vnútorná energia funkcia stavu tela.

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

Kde i- stupeň voľnosti. Pre monoatomický plyn (napr. vzácne plyny) i= 3, pre dvojatómové - i = 5.

Z týchto vzorcov je zrejmé, že vnútorná energia ideálneho plynu závisí len od teploty a počtu molekúl a nezávisí od objemu ani tlaku. Preto je zmena vnútornej energie ideálneho plynu určená iba zmenou jeho teploty a nezávisí od povahy procesu, v ktorom plyn prechádza z jedného stavu do druhého:

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

kde Δ T = T 2 - T 1 .

• Molekuly skutočných plynov sa navzájom ovplyvňujú, a preto majú potenciálnu energiu W p, ktoré závisí od vzdialenosti medzi molekulami, a teda od objemu, ktorý plyn zaberá. Vnútorná energia skutočného plynu teda závisí od jeho teploty, objemu a molekulárnej štruktúry.

*Odvodenie vzorca

Priemerná kinetická energia molekuly \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Počet molekúl v plyne je \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Preto je vnútorná energia ideálneho plynu

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

Zvažujem to k⋅N A= R je univerzálna plynová konštanta, máme

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - vnútorná energia ideálneho plynu.

Zmena vnútornej energie

Pre riešenia praktické otázky Významnú úlohu nehrá samotná vnútorná energia, ale jej zmena Δ U = U 2 - U 1. Zmena vnútornej energie sa vypočíta na základe zákonov zachovania energie.

Vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi:

1. Pri spáchaní mechanická práca. a) Ak vonkajšia sila spôsobí deformáciu telesa, potom sa zmenia vzdialenosti medzi časticami, z ktorých pozostáva, a tým sa zmení potenciálna energia interakcie častíc. Pri nepružných deformáciách sa navyše mení telesná teplota, t.j. mení sa kinetická energia tepelného pohybu častíc. Ale keď sa telo deformuje, vykoná sa práca, ktorá je mierou zmeny vnútornej energie telesa. b) Vnútorná energia telesa sa mení aj pri jeho nepružnej zrážke s iným telesom. Ako sme už skôr videli, pri nepružnej zrážke telies ich kinetická energia klesá, mení sa na vnútornú energiu (ak napríklad niekoľkokrát udriete kladivom do drôtu ležiaceho na nákove, drôt sa zahreje). Mierou zmeny kinetickej energie telesa je podľa vety o kinetickej energii práca pôsobiacich síl. Táto práca môže slúžiť aj ako meradlo zmien vnútornej energie. c) K zmene vnútornej energie telesa dochádza vplyvom trecej sily, pretože ako je známe zo skúseností, trenie je vždy sprevádzané zmenou teploty trecích telies. Práca vykonaná trecou silou môže slúžiť ako miera zmeny vnútornej energie.
2. S pomocou výmena tepla. Napríklad, ak je teleso umiestnené do plameňa horáka, jeho teplota sa zmení, a preto sa zmení aj jeho vnútorná energia. Nepracovalo sa tu však, pretože nebol viditeľný pohyb ani samotného tela, ani jeho častí.

Zmena vnútornej energie systému bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla(prenos tepla).

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie.

A) Tepelná vodivosť je proces výmeny tepla medzi telesami (alebo časťami telesa) pri ich priamom kontakte, spôsobený tepelným chaotickým pohybom častíc telesa. Amplitúda molekulárnej vibrácie pevnýčím viac, tým vyššia je jeho teplota. Tepelná vodivosť plynov je spôsobená výmenou energie medzi molekulami plynu pri ich zrážkach. V prípade tekutín fungujú oba mechanizmy. Tepelná vodivosť látky je maximálna v pevnom skupenstve a minimálna v plynnom skupenstve.

b) Konvekcia predstavuje prenos tepla ohriatymi prúdmi kvapaliny alebo plynu z niektorých oblastí objemu, ktoré zaberajú, do iných.

c) Výmena tepla pri žiarenia sa uskutočňuje na diaľku prostredníctvom elektromagnetických vĺn.

Pozrime sa podrobnejšie na spôsoby zmeny vnútornej energie.

Mechanická práca

Pri zvažovaní termodynamických procesov sa neuvažuje s mechanickým pohybom makrotelies ako celku. Pojem práce je tu spojený so zmenou objemu tela, t.j. pohyb častí makrotela voči sebe navzájom. Tento proces vedie k zmene vzdialenosti medzi časticami a často aj k zmene rýchlosti ich pohybu, teda k zmene vnútornej energie tela.

Izobarický proces

Najprv zvážime izobarický proces. Nech je vo valci s pohyblivým piestom plyn s teplotou T 1 (obr. 1).

Plyn pomaly zohrejeme na teplotu T 2. Plyn sa izobaricky roztiahne a piest sa bude pohybovať z polohy 1 do polohy 2 do vzdialenosti Δ l. Sila tlaku plynu bude pracovať ďalej vonkajších telies. Pretože p= konštanta, potom tlaková sila F = p⋅S tiež konštantný. Preto je možné prácu tejto sily vypočítať pomocou vzorca

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

kde Δ V- zmena objemu plynu.

• Ak sa objem plynu nemení (izochorický proces), potom je práca vykonaná plynom nulová.

• Plyn vykonáva prácu iba v procese zmeny svojho objemu.

Pri rozširovaní (Δ V> 0) plyn je dokončený pozitívna práca (A> 0); počas kompresie (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (A < 0).

• Ak vezmeme do úvahy prácu vonkajších síl A " (A " = –A), potom s expanziou (Δ V> 0) plyn A " < 0); при сжатии (ΔV < 0) A " > 0.

Napíšme Clapeyronovu-Mendelejevovu rovnicu pre dva stavy plynu:

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

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

Preto, keď izobarický proces

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

Ak ν = 1 mol, potom pri Δ Τ = 1 K dostaneme to Rčíselne rovnaké A.

Z toho vyplýva fyzický význam univerzálna plynová konštanta: číselne sa rovná práci, ktorú vykoná 1 mól ideálneho plynu, keď sa izobaricky zohreje o 1 K.

Nejde o izobarický proces

Na grafe p (V) v izobarickom procese sa práca rovná ploche obdĺžnika tieňovaného na obrázku 2, a.

Ak proces nie izobarické(obr. 2, b), potom funkčná krivka p = f(V) možno znázorniť ako prerušovanú čiaru pozostávajúcu z veľká kvantita izochóra a izobara. Práca na izochorických rezoch je nula a celková práca na všetkých izobarických rezoch sa bude rovnať

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

tie. budú rovné oblasť tieňovaného obrázku.

o izotermický proces (T= const) práca sa rovná ploche tieňovaného obrázku znázorneného na obrázku 2, c.

Pomocou posledného vzorca je možné určiť prácu len vtedy, ak je známe, ako sa mení tlak plynu pri zmene jeho objemu, t.j. forma funkcie je známa p = f(V).

Je teda zrejmé, že aj pri rovnakej zmene objemu plynu bude práca závisieť od spôsobu prechodu (t.j. od procesu: izotermický, izobarický...) z počiatočného stavu plynu do konečného stavu. štát. Preto môžeme konštatovať, že

• Práca v termodynamike je funkciou procesu a nie funkciou stavu.

Množstvo tepla

Ako je známe, počas rôznych mechanických procesov dochádza k zmene mechanickej energie W. Mierou zmeny mechanickej energie je práca síl pôsobiacich na systém:

\(~\Delta W = A.\)

Pri výmene tepla dochádza k zmene vnútornej energie tela. Mierou zmeny vnútornej energie počas prenosu tepla je množstvo tepla.

Množstvo tepla je mierou zmeny vnútornej energie pri prenose tepla.

Práca aj množstvo tepla teda charakterizujú zmenu energie, nie sú však totožné s vnútornou energiou. Necharakterizujú stav samotného systému (ako to robí vnútorná energia), ale určujú proces prechodu energie z jedného typu do druhého (z jedného telesa na druhé), keď sa stav mení a výrazne závisia od charakteru procesu.

Hlavný rozdiel medzi prácou a teplom je v tom

• práca charakterizuje proces zmeny vnútornej energie systému sprevádzaný premenou energie z jedného typu na druhý (z mechanickej na vnútornú);
• množstvo tepla charakterizuje proces prenosu vnútornej energie z jedného telesa do druhého (od viac ohriateho k menej ohriatemu), nesprevádzaný energetickými premenami.

Kúrenie (chladenie)

Skúsenosti ukazujú, že množstvo tepla potrebné na zahriatie telesnej hmoty m na teplote T 1 na teplotu T 2, vypočítané podľa vzorca

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

Kde c- merná tepelná kapacita látky (tabuľková hodnota);

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

Jednotkou SI mernej tepelnej kapacity je joule na kilogram Kelvina (J/(kg K)).

Špecifické teplo c sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa musí odovzdať telesu s hmotnosťou 1 kg, aby sa zohrialo o 1 K.

Okrem mernej tepelnej kapacity sa berie do úvahy aj taká veličina, akou je tepelná kapacita tela.

Tepelná kapacita telo Cčíselne sa rovná množstvu tepla potrebnému na zmenu telesnej teploty o 1 K:

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

Jednotkou SI tepelnej kapacity telesa je joule na Kelvin (J/K).

Vyparovanie (kondenzácia)

Na premenu kvapaliny na paru pri konštantnej teplote je potrebné vynaložiť určité množstvo tepla

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

Kde L- špecifické výparné teplo (tabuľková hodnota). Pri kondenzácii pary sa uvoľňuje rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI špecifického tepla vyparovania je joule na kilogram (J/kg).

Tavenie (kryštalizácia)

Aby sa roztavilo kryštalické teleso váž m pri bode topenia potrebuje telo komunikovať množstvo tepla

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

Kde λ - špecifické teplo topenia (tabuľková hodnota). Keď telo kryštalizuje, uvoľňuje sa rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI špecifického tepla topenia je joule na kilogram (J/kg).

Spaľovanie paliva

Množstvo tepla uvoľneného počas úplného spaľovania masy paliva m,

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

Kde q- špecifické spalné teplo (tabuľková hodnota).

Jednotkou SI špecifického spaľovacieho tepla je joule na kilogram (J/kg).

Literatúra

Aksenovič L. A. fyzika v stredná škola: Teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné vzdelávanie. prostredie, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - S. 129-133, 152-161.

Zistili sme, že vyparovanie kvapaliny je možné len vtedy, ak k vyparujúcej sa kvapaline prúdi teplo. Prečo je to tak?

Po prvé, počas odparovania sa vnútorná energia látky zvyšuje. Vnútorná energia nasýtenej pary je vždy väčšia ako vnútorná energia kvapaliny, z ktorej táto para vznikla. K zvýšeniu vnútornej energie látky pri vyparovaní bez zmeny teploty dochádza najmä v dôsledku toho, že pri prechode do pary sa zväčšuje priemerná vzdialenosť medzi molekulami. Zároveň sa zvyšuje ich vzájomná potenciálna energia, pretože na to, aby sa molekuly vzdialili na veľké vzdialenosti, je potrebné vynaložiť prácu na prekonanie príťažlivých síl molekúl k sebe.

Navyše sa pracuje proti vonkajšiemu tlaku, pretože para zaberá väčší objem ako kvapalina, z ktorej vznikla. Práca vykonaná pri odparovaní sa stane obzvlášť zreteľnou, ak si predstavíme, že kvapalina sa vyparuje vo valci a že vznikajúca para je zdvíhaná ľahkým piestom (obr. 492), pričom robíme prácu proti atmosférickému tlaku. Táto práca sa dá ľahko vypočítať. Urobme tento výpočet pre vodu vriacu pri normálnom tlaku, a teda pri teplote. Nechajte piest mať plochu . Pretože je to normálne Atmosférický tlak rovnaké, potom na piest pôsobí sila. Ak sa piest zdvihne o , práca sa vykoná. Toto vytvára pár. Hustota pary v sa rovná , takže hmotnosť pary sa rovná . V dôsledku toho, keď sa tvorí para, bude vynaložená práca proti vonkajšiemu tlaku .

Ryža. 492. Vzniknuté pary zdvihnú piest. V tomto prípade sa pracuje proti vonkajším tlakovým silám

Keď sa voda vyparuje, spotrebuje sa (špecifické teplo vyparovania). Z toho, ako ukazuje náš výpočet, sa vynakladajú na prácu proti vonkajšiemu tlaku. Preto zvyšok rovný predstavuje zvýšenie vnútornej energie pary v porovnaní s energiou vody. Ako vidíte, pre vodu ide väčšina tepla počas vyparovania na zvýšenie vnútornej energie a len malá časť sa vynakladá na vykonávanie vonkajšej práce.

297.1. Určte prírastok vnútornej energie pri vyparovaní liehu, ak je známe, že hustota pár liehu pri bode varu sa rovná .