Energia internă și proprietățile sale. Formula energetică internă

Alături de energia mecanică, orice corp (sau sistem) are energie internă. Energia internă este energia repausului. Constă în mișcarea haotică termică a moleculelor care alcătuiesc corpul, energia potențială a aranjamentului lor reciproc, energia cinetică și potențială a electronilor din atomi, nucleonilor din nuclee și așa mai departe.

În termodinamică, este important să se cunoască nu valoarea absolută a energiei interne, ci schimbarea acesteia.

În procesele termodinamice, se modifică doar energia cinetică a moleculelor în mișcare (energia termică nu este suficientă pentru a schimba structura unui atom, cu atât mai puțin a unui nucleu). Prin urmare, de fapt sub energie internăîn termodinamică ne referim la energie haotică termică mișcări moleculare.

Energie interna U un mol de gaz ideal este egal cu:

Prin urmare, energia internă depinde doar de temperatură. Energia internă U este o funcție a stării sistemului, indiferent de fundal.

Este clar că, în cazul general, un sistem termodinamic poate avea atât energie internă, cât și energie mecanică, iar diferite sisteme pot face schimb de aceste tipuri de energie.

schimb valutar energie mecanică caracterizat prin perfect lucrarea A,și schimbul de energie internă - cantitatea de căldură transferată Q.

De exemplu, iarna aruncai o piatră fierbinte în zăpadă. Datorită rezervei de energie potențială, s-a făcut lucru mecanic pentru comprimarea zăpezii, iar din cauza rezervei de energie internă zăpada s-a topit. Dacă piatra era rece, adică. Dacă temperatura pietrei este egală cu temperatura mediului, atunci se va lucra numai, dar nu va exista nici un schimb de energie internă.

Deci, munca și căldura nu sunt forme speciale de energie. Nu poți vorbi despre rezerva de căldură sau de muncă. Acest măsura transferului alt sistem de energie mecanică sau internă. Putem vorbi despre rezerva acestor energii. În plus, energia mecanică poate fi transformată în energie termică și invers. De exemplu, dacă loviți o nicovală cu un ciocan, atunci după un timp ciocanul și nicovala se vor încălzi (acesta este un exemplu disipare energie).

Putem da mai multe exemple de transformare a unei forme de energie în alta.

Experiența arată că, în toate cazurile, Conversia energiei mecanice în energie termică și invers are loc întotdeauna în cantități strict echivalente. Aceasta este esența primei legi a termodinamicii, care decurge din legea conservării energiei.

Cantitatea de căldură transmisă corpului crește energia internă și efectuează lucrări asupra corpului:

,

(4.1.1)

- Asta e prima lege a termodinamicii , sau legea conservării energiei în termodinamică.

Regula semnăturii: dacă căldura este transferată din mediu acest sistem, iar dacă sistemul efectuează lucrări asupra corpurilor înconjurătoare, în acest caz . Luând în considerare regula semnului, prima lege a termodinamicii poate fi scrisă astfel:

În această expresie U– funcția de stare a sistemului; d U este diferența sa totală și δ Qşi δ A ei nu sunt. În fiecare stare, sistemul are o anumită și numai această valoare a energiei interne, deci putem scrie:

,

Este important de reținut că căldura Q si munca A depinde de modul în care se realizează trecerea de la starea 1 la starea 2 (izohoric, adiabatic etc.) și de energia internă U nu depinde. În același timp, nu se poate spune că sistemul are o valoare specifică a căldurii și a lucrului pentru o anumită stare.

Din formula (4.1.2) rezultă că cantitatea de căldură este exprimată în aceleași unități ca și munca și energia, adică. în jouli (J).

De o importanță deosebită în termodinamică sunt procesele circulare sau ciclice în care un sistem, după ce trece printr-o serie de stări, revine la starea inițială. Figura 4.1 prezintă procesul ciclic 1– A–2–b–1, iar lucrarea A a fost făcută.

Orez. 4.1

Deoarece U este o funcție de stat, atunci

(4.1.3)

Acest lucru este valabil pentru orice funcție de stat.

Dacă atunci conform primei legi a termodinamicii, i.e. Este imposibil să construiești un motor care funcționează periodic, care să efectueze mai multă muncă decât cantitatea de energie care i-a fost transmisă din exterior. Cu alte cuvinte, o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel este imposibilă. Aceasta este una dintre formulările primei legi a termodinamicii.

Trebuie remarcat faptul că prima lege a termodinamicii nu indică în ce direcție au loc procesele de schimbare a stării, ceea ce este unul dintre deficiențele sale.

Energia este o măsură generală a diferitelor forme de mișcare a materiei. După formele de mișcare ale materiei, se disting și tipuri de energie - mecanică, electrică, chimică etc. Orice sistem termodinamic în orice stare are o anumită cantitate de energie, a cărei existență a fost dovedită de R. Clausius (1850) și a fost numită energie internă.

Energie interna (U) este energia tuturor tipurilor de mișcare a microparticulelor care alcătuiesc sistemul și energia interacțiunii lor între ele.

Energia internă constă din energia mișcării de translație, rotație și vibrație a particulelor, energia interacțiunilor intermoleculare și intramoleculare, intraatomice și intranucleare etc.

Energia interacțiunii intramoleculare, adică energia de interacțiune a atomilor dintr-o moleculă, numită adesea energie chimica . O schimbare în această energie are loc în timpul transformărilor chimice.

Pentru analiza termodinamică, nu este nevoie să știm din ce forme de mișcare a materiei este compusă energia internă.

Cantitatea de energie internă depinde numai de starea sistemului. În consecință, energia internă poate fi considerată una dintre caracteristicile acestei stări, alături de cantități precum presiunea, temperatura.

Fiecare stare a sistemului corespunde unei valori strict definite a fiecăreia dintre proprietățile sale.

Dacă un sistem omogen în starea inițială are volumul V 1, presiunea P 1, temperatura T 1, energia internă U 1, conductivitate electrică æ 1 etc., iar în starea finală aceste proprietăți sunt respectiv egale cu V 2, P 2 , T 2, U 2, æ 2 etc., atunci modificarea fiecărei proprietăți în timpul tranziției sistemului de la starea inițială la starea finală va fi aceeași, indiferent de modul în care trece sistemul de la o stare la alta : primul, al doilea sau al treilea (Fig. .1.4).

Orez. 1.4 Independența proprietăților sistemului față de calea de tranziție

de la starea normală la alta

Acestea. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1,4)

Unde sunt numerele I, II, III etc. indica căile procesului. În consecință, dacă sistemul se deplasează de la starea inițială (1) la starea finală (2) de-a lungul unei căi și din starea finală la început - de-a lungul unei alte căi, adică. Dacă un proces circular (ciclu) este finalizat, atunci modificarea fiecărei proprietăți a sistemului va fi egală cu zero.

Astfel, schimbarea funcției de stare a sistemului nu depinde de calea procesului, ci depinde doar de stările inițiale și finale ale sistemului. O modificare infinitezimală a proprietăților unui sistem este de obicei notă prin semnul diferențial d. De exemplu, dU este o schimbare infinit de mică a energiei interne etc.

Forme de schimb de energie

În conformitate cu diferitele forme de mișcare a materiei și diferitele tipuri de energie, există diferite forme de schimb de energie (transfer de energie) - forme de interacțiune. Termodinamica are în vedere două forme de schimb de energie între un sistem și mediul său. Aceasta este muncă și căldură.

Loc de munca. Cea mai evidentă formă de schimb de energie este munca mecanică, corespunzătoare formei mecanice de mișcare a materiei. Se produce atunci când corpul se mișcă sub influența forței mecanice. În conformitate cu alte forme de mișcare a materiei, se disting și alte tipuri de muncă: electrică, chimică etc. Munca este o formă de transmitere a mișcării ordonate, organizate, deoarece atunci când se lucrează, particulele corpului se mișcă într-o manieră organizată într-o singură direcție. De exemplu, munca efectuată în timpul expansiunii gazului. Moleculele de gaz situate în cilindrul de sub piston sunt în mișcare haotică, dezordonată. Când gazul începe să miște pistonul, adică să efectueze un lucru mecanic, mișcarea organizată se va suprapune mișcării aleatorii a moleculelor de gaz: toate moleculele primesc o oarecare deplasare în direcția de mișcare a pistonului. Munca electrică este, de asemenea, asociată cu mișcarea organizată a particulelor încărcate de materie într-o anumită direcție.

Deoarece munca este o măsură a energiei transferate, cantitatea sa este măsurată în aceleași unități ca și energia.

Căldură. Se numește forma de schimb de energie corespunzătoare mișcării haotice a microparticulelor care alcătuiesc sistemul schimb de caldura, iar cantitatea de energie transferată în timpul schimbului de căldură se numește căldură.

Transferul de căldură nu este asociat cu o schimbare a poziției corpurilor care alcătuiesc un sistem termodinamic și constă în transferul direct de energie de la moleculele unui corp la moleculele altuia la contactul lor.

P Să ne imaginăm un vas (sistem) izolat împărțit în două părți printr-o partiție AB conductoare de căldură (Fig. 1.5). Să presupunem că există gaz în ambele părți ale vasului.

Orez. 1.5. La conceptul de căldură

În jumătatea stângă a vasului temperatura gazului este T1, iar în jumătatea dreaptă T2. Dacă T 1 > T 2, atunci energia cinetică medie ( ) moleculele de gaz din partea stângă a vasului vor fi mai mari decât energia cinetică medie ( ) în jumătatea dreaptă a vasului.

Ca urmare a ciocnirilor continue ale moleculelor cu partiția din jumătatea stângă a vasului, o parte din energia lor este transferată către moleculele partiției. Moleculele de gaz situate în jumătatea dreaptă a vasului, ciocnind de partiție, vor dobândi o parte din energie din moleculele sale.

Ca urmare a acestor ciocniri, energia cinetică a moleculelor din jumătatea stângă a vasului va scădea, iar în jumătatea dreaptă va crește; temperaturile T 1 şi T 2 vor fi egalizate.

Deoarece căldura este o formă de energie, cantitatea sa este măsurată în aceleași unități ca și energia. Astfel, schimbul de căldură și munca sunt forme de schimb de energie, iar cantitatea de căldură și cantitatea de muncă sunt măsuri ale energiei transferate. Diferența dintre ele este că căldura este o formă de transfer de mișcare microfizică, dezordonată a particulelor (și, în consecință, energia acestei mișcări), iar munca este o formă de transfer de energie a mișcării ordonate și organizate a materiei.

Uneori se spune: căldura (sau munca) este furnizată sau îndepărtată din sistem, dar trebuie înțeles că nu este furnizată sau îndepărtată căldură și muncă, ci energie, prin urmare nu ar trebui să folosiți expresii precum „rezervă de căldură”. sau „căldură conținută”.

Fiind forme de schimb de energie (forme de interacțiune) ale unui sistem cu mediul înconjurător, căldura și munca nu pot fi asociate cu nicio stare specifică a sistemului, nu pot fi proprietăți ale acestuia și, prin urmare, funcții ale stării sale. Aceasta înseamnă că, dacă sistemul trece din starea inițială (1) în starea finală (2) în moduri diferite, atunci căldura și munca vor avea valori diferite pentru diferite căi de tranziție (Fig. 1.6)

Cantitățile finite de căldură și de lucru sunt notate cu Q și A, iar valorile infinitezimale cu δQ și, respectiv, δA. Mărimile δQ şi δA, spre deosebire de dU, nu sunt o diferenţială completă, deoarece Q și A nu sunt funcții de stare.

Când calea procesului este predeterminată, munca și căldura vor dobândi proprietățile funcțiilor stării sistemului, adică. valorile lor numerice vor fi determinate numai de stările inițiale și finale ale sistemului.

Termodinamica ca disciplină a apărut la mijlocul secolului al XIX-lea. Acest lucru s-a întâmplat după descoperirea legii privind conservarea energiei. Există o anumită legătură între termodinamică și cinetica moleculară. Ce loc ocupă teoretic energia internă? Să ne uităm la asta în articol.

Mecanica statistica si termodinamica

Teoria științifică inițială despre procesele termice nu era cinetică moleculară. Prima a fost termodinamica. S-a format în procesul de studiu a condițiilor optime de utilizare a căldurii pentru a efectua lucrări. Acest lucru s-a întâmplat la mijlocul secolului al XIX-lea, înainte ca cinetica moleculară să fie acceptată. Astăzi, atât termodinamica, cât și teoria cinetică moleculară sunt folosite în tehnologie și știință. Aceasta din urmă în fizica teoretică se numește mecanică statistică. Alături de termodinamică, studiază fenomene identice folosind diverse metode. Aceste două teorii se completează reciproc. Baza termodinamicii este formată din cele două legi ale sale. Ambele privesc comportamentul energiei si sunt stabilite empiric. Aceste legi sunt valabile pentru orice substanță, indiferent de structura sa internă. Mecanica statistică este considerată o știință mai profundă și mai precisă. În comparație cu termodinamica, este mai complex. Se foloseşte în cazul în care relaţiile termodinamice sunt insuficiente pentru a explica fenomenele studiate.

Teoria cinetică moleculară

Până la mijlocul secolului al XIX-lea, s-a dovedit că, alături de energia mecanică, există și energia internă a corpurilor macroscopice. Este inclusă în bilanţul transformărilor naturale energetice. După ce a fost descoperită energia internă, a fost formulată o poziție cu privire la conservarea și transformarea acesteia. În timp ce un disc care alunecă pe gheață se oprește sub influența frecării, energia sa cinetică (mecanică) nu numai că încetează să existe, ci este și transferată în moleculele discului și gheții. La mișcare, suprafețele neuniforme ale corpurilor supuse frecării sunt deformate. În același timp, crește intensitatea moleculelor care se mișcă aleator. Când ambele corpuri sunt încălzite, energia internă crește. Nu este greu de observat tranziția inversă. Când apa este încălzită într-o eprubetă închisă, energia internă (atât ea, cât și aburul rezultat) începe să crească. Presiunea va crește, determinând scoaterea ștecherului. Energia internă a aburului va determina o creștere a energiei cinetice. În timpul procesului de expansiune, aburul funcționează. În același timp, energia sa internă scade. Drept urmare, aburul se răcește.

Energie interna. Informații generale

Odată cu mișcarea aleatorie a tuturor moleculelor, suma energiilor lor cinetice, precum și energiile potențiale ale interacțiunilor lor, constituie energia internă. Având în vedere poziția moleculelor unul față de celălalt și mișcarea lor, este aproape imposibil să se calculeze această sumă. Acest lucru se datorează numărului mare de elemente din corpurile macroscopice. În acest sens, este necesar să se poată calcula valoarea în conformitate cu parametrii macroscopici care pot fi măsurați.

Gaz monoatomic

Substanța este considerată a fi destul de simplă în proprietățile sale, deoarece constă din atomi individuali, nu molecule. Gazele monoatomice includ argonul, heliul și neonul. Energia potențială în acest caz este zero. Acest lucru se datorează faptului că moleculele dintr-un gaz ideal nu interacționează între ele. Energia cinetică a mișcării moleculare aleatoare este decisivă pentru intern (U). Pentru a calcula U al unui gaz monoatomic de masă m, trebuie să înmulțim energia cinetică (media) a unui atom cu numărul total al tuturor atomilor. Dar trebuie avut în vedere că kNA=R. Pe baza datelor pe care le avem, obținem următoarea formulă: U= 2/3 x m/M x RT, unde energia internă este direct proporţională cu temperatura absolută. Toate modificările în U sunt determinate numai de T (temperatura) măsurată în starea inițială și finală a gazului și nu sunt direct legate de volum. Acest lucru se datorează faptului că interacțiunile energiei sale potențiale sunt egale cu 0 și nu depind deloc de alți parametri de sistem ai obiectelor macroscopice. În prezența unor molecule mai complexe, un gaz ideal va avea și energie internă direct proporțională cu temperatura absolută. Dar, trebuie spus, în acest caz coeficientul de proporționalitate dintre U și T se va modifica. La urma urmei, moleculele complexe efectuează nu numai mișcări de translație, ci și mișcări de rotație. Energia internă este egală cu suma acestor mișcări moleculare.

De ce depinzi?

Energia internă este influențată de unul dintre parametrii macroscopici. Aceasta este temperatura. În gazele, lichidele și solidele reale, energia potențială (medie) în timpul interacțiunii moleculelor nu este egală cu zero. Deși, dacă luăm în considerare mai precis, pentru gaze este mult mai mică decât cea cinetică (medie). În același timp, pentru solide și lichide este comparabil cu acesta. Dar media U depinde de V-ul substanței, deoarece în perioada modificării acesteia se modifică și distanța medie dintre molecule. De aici rezultă că în termodinamică energia internă depinde nu numai de temperatura T, ci și de V (volum). Valoarea lor determină în mod unic starea corpurilor și, prin urmare, U.

Oceanul Mondial

Este greu de imaginat ce rezerve incredibil de mari de energie conține Oceanul Mondial. Să luăm în considerare care este energia internă a apei. Trebuie remarcat faptul că este și termic, deoarece s-a format ca urmare a supraîncălzirii părții lichide a suprafeței oceanului. Deci, având o diferență de, de exemplu, 20 de grade în raport cu apa de fund, capătă o valoare de aproximativ 10^26 J. La măsurarea curenților din ocean, energia sa cinetică este estimată la aproximativ 10^18 J.

Probleme globale

Există probleme globale care pot fi ridicate la nivel global. Acestea includ:

Epuizarea rezervelor de combustibili fosili (în principal petrol și gaze);

Poluarea semnificativă a mediului asociată cu utilizarea acestor minerale;

„Poluarea” termică, plus o creștere a concentrației de dioxid de carbon atmosferic, care amenință perturbările climatice globale;

Utilizarea rezervelor de uraniu, ducând la generarea de deșeuri radioactive, care are un impact foarte negativ asupra vieții tuturor viețuitoarelor;

Utilizarea energiei termonucleare.

Concluzie

Toată această incertitudine cu privire la așteptările consecințelor care vor apărea cu siguranță dacă nu încetăm să consumăm energie produsă în astfel de moduri îi obligă pe oamenii de știință și inginerii să-și dedice aproape toată atenția rezolvării acestei probleme. Sarcina lor principală este să găsească sursa optimă de energie. De asemenea, este important să implice diferite procese naturale. Dintre acestea, cel mai mare interes este: soarele, sau mai degrabă căldura solară, vântul și energia din Oceanul Mondial.

În multe țări, mările și oceanele au fost mult timp privite ca o sursă de energie, iar perspectivele lor devin din ce în ce mai promițătoare. Oceanul este plin de multe secrete; energia sa internă este o fântână fără fund de posibilități. Doar numărul de moduri prin care ne oferă extracția energiei (cum ar fi curenții oceanici, energia mareelor, energia termică și altele) deja ne face să ne gândim la măreția sa.

Potrivit MKT, toate substanțele constau din particule care sunt în mișcare termică continuă și interacționează între ele. Prin urmare, chiar dacă corpul este nemișcat și are energie potențială zero, el are energie (energie internă), care este energia totală de mișcare și interacțiune a microparticulelor care alcătuiesc corpul. Energia internă include:

1. energia cinetică a mișcării de translație, rotație și vibrație a moleculelor;
2. energia potențială de interacțiune a atomilor și moleculelor;
3. energie intraatomica si intranucleara.

În termodinamică, procesele sunt considerate la temperaturi la care mișcarea vibrațională a atomilor din molecule nu este excitată, adică. la temperaturi care nu depăşesc 1000 K. În aceste procese se modifică doar primele două componente ale energiei interne. De aceea

sub energie internaîn termodinamică înțelegem suma energiei cinetice a tuturor moleculelor și atomilor unui corp și energia potențială a interacțiunii lor.

Energia internă a unui corp determină starea sa termică și se modifică în timpul trecerii de la o stare la alta. Într-o stare dată, corpul are o energie internă complet definită, independent de procesul prin care a trecut în această stare. Prin urmare, energia internă este adesea numită funcția stării corpului.

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

Unde i- grad de libertate. Pentru gaz monoatomic (de exemplu, gaze nobile) i= 3, pentru diatomic - i = 5.

Din aceste formule reiese clar că energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura si numarul de moleculeși nu depinde nici de volum, nici de presiune. Prin urmare, modificarea energiei interne a unui gaz ideal este determinată numai de modificarea temperaturii acestuia și nu depinde de natura procesului în care gazul trece de la o stare la alta:

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

unde Δ T = T 2 - T 1 .

• Moleculele de gaze reale interacționează între ele și, prin urmare, au energie potențială W p, care depinde de distanța dintre molecule și, deci, de volumul ocupat de gaz. Astfel, energia internă a unui gaz real depinde de temperatură, volum și structura moleculară a acestuia.

*Derivarea formulei

Energia cinetică medie a unei molecule \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Numărul de molecule din gaz este \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Prin urmare, energia internă a unui gaz ideal este

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

Având în vedere că k⋅N A= R este constanta universală a gazului, avem

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - energia internă a unui gaz ideal.

Schimbarea energiei interne

Pentru a rezolva probleme practice, nu energia internă în sine joacă un rol semnificativ, ci schimbarea sa Δ U = U 2 - U 1 . Modificarea energiei interne se calculează pe baza legilor conservării energiei.

Energia internă a unui corp se poate modifica în două moduri:

1. La comiterea munca mecanica. a) Dacă o forță externă provoacă deformarea unui corp, atunci distanțele dintre particulele din care constă se modifică și, prin urmare, se modifică energia potențială de interacțiune a particulelor. În timpul deformărilor inelastice, în plus, temperatura corpului se modifică, adică. se modifică energia cinetică a mișcării termice a particulelor. Dar atunci când un corp este deformat, se lucrează, care este o măsură a schimbării energiei interne a corpului. b) Energia internă a unui corp se modifică și în timpul ciocnirii sale inelastice cu un alt corp. După cum am văzut mai devreme, în timpul unei coliziuni inelastice a corpurilor, energia lor cinetică scade, se transformă în energie internă (de exemplu, dacă loviți de mai multe ori un fir care se află pe o nicovală cu un ciocan, firul se va încălzi). Măsura modificării energiei cinetice a unui corp este, conform teoremei energiei cinetice, munca forțelor care acționează. Această muncă poate servi și ca măsură a modificărilor energiei interne. c) O modificare a energiei interne a unui corp are loc sub influența forței de frecare, deoarece, după cum se știe din experiență, frecarea este întotdeauna însoțită de o modificare a temperaturii corpurilor de frecare. Munca efectuată de forța de frecare poate servi ca măsură a modificării energiei interne.
2. Cu ajutor schimb de caldura. De exemplu, dacă un corp este plasat în flacăra unui arzător, temperatura acestuia se va schimba, prin urmare, se va schimba și energia sa internă. Totuși, aici nu s-a lucrat, deoarece nu a existat nicio mișcare vizibilă nici a corpului în sine, nici a părților sale.

Se numește o schimbare a energiei interne a unui sistem fără a lucra schimb de caldura(transfer de căldură).

Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație.

A) Conductivitate termică este procesul de schimb de căldură între corpuri (sau părți ale unui corp) în timpul contactului lor direct, cauzat de mișcarea haotică termică a particulelor corpului. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare amplitudinea vibrațiilor moleculelor unui corp solid. Conductivitatea termică a gazelor se datorează schimbului de energie între moleculele de gaz în timpul ciocnirilor lor. În cazul lichidelor, ambele mecanisme funcționează. Conductivitatea termică a unei substanțe este maximă în stare solidă și minimă în stare gazoasă.

b) Convecție reprezintă transferul de căldură prin fluxuri încălzite de lichid sau gaz din unele zone ale volumului pe care le ocupă către altele.

c) Schimb de căldură la radiatii efectuate la distanță prin unde electromagnetice.

Să luăm în considerare mai detaliat modalitățile de schimbare a energiei interne.

Munca mecanica

Când se iau în considerare procesele termodinamice, mișcarea mecanică a macrocorpurilor în ansamblu nu este luată în considerare. Conceptul de muncă aici este asociat cu o modificare a volumului corpului, de exemplu. mișcarea părților unui macrocorp una față de alta. Acest proces duce la o modificare a distanței dintre particule și, de asemenea, adesea la o schimbare a vitezei de mișcare a acestora, prin urmare, la o schimbare a energiei interne a corpului.

Procesul izobar

Să luăm în considerare mai întâi procesul izobar. Lasă să existe un gaz într-un cilindru cu un piston mobil la o temperatură T 1 (Fig. 1).

Vom încălzi încet gazul la o temperatură T 2. Gazul se va extinde izobar și pistonul se va deplasa din poziție 1 a pozitiona 2 la o distanță Δ l. Forța de presiune a gazului va lucra asupra corpurilor externe. Deoarece p= const, apoi forța de presiune F = p⋅S de asemenea constantă. Prin urmare, munca acestei forțe poate fi calculată folosind formula

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

unde Δ V- modificarea volumului de gaz.

• Dacă volumul gazului nu se modifică (proces izocor), atunci munca efectuată de gaz este zero.

• Gazul efectuează lucrări numai în procesul de modificare a volumului său.

La extindere (Δ V> 0) a gazului, se efectuează un lucru pozitiv ( A> 0); în timpul compresiei (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (A < 0).

• Dacă luăm în considerare munca forțelor externe A " (A " = –A), apoi cu expansiune (Δ V> 0) gaz A " < 0); при сжатии (ΔV < 0) A " > 0.

Să scriem ecuația Clapeyron-Mendeleev pentru două stări de gaz:

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

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

Prin urmare, când proces izobaric

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

Dacă ν = 1 mol, atunci la Δ Τ = 1 K obținem asta R egal numeric A.

Din aceasta rezultă semnificația fizică a constantei universale de gaz: este numeric egal cu munca efectuată de 1 mol de gaz ideal atunci când este încălzit izobar cu 1 K.

Nu un proces izobaric

Pe diagramă p (V) într-un proces izobaric, lucrul este egal cu aria dreptunghiului umbrit din figura 2, a.

Dacă procesul nu izobar(Fig. 2, b), apoi curba funcției p = f(V) poate fi reprezentat ca o linie întreruptă constând dintr-un număr mare de izocore și izobare. Lucrul pe secțiuni izocorice este zero, iar munca totală pe toate secțiunile izobare va fi egală cu

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

acestea. va fi egal zona figurii umbrite.

La proces izotermic (T= const) lucrarea este egală cu aria figurii umbrite prezentată în Figura 2, c.

Este posibil să se determine lucrul folosind ultima formulă numai dacă se știe cum se modifică presiunea gazului atunci când volumul acestuia se modifică, de exemplu. se cunoaşte forma funcţiei p = f(V).

Astfel, este clar că, chiar și cu aceeași modificare a volumului de gaz, munca va depinde de metoda de tranziție (adică de procesul: izoterm, izobar...) de la starea inițială a gazului la cea finală. stat. Prin urmare, putem concluziona că

• Munca în termodinamică este o funcție a procesului și nu o funcție a stării.

Cantitatea de căldură

După cum se știe, în timpul diferitelor procese mecanice are loc o schimbare a energiei mecanice W. O măsură a schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:

\(~\Delta W = A.\)

În timpul schimbului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. O măsură a schimbării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.

Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură.

Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia internă. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine (cum o face energia internă), ci determină procesul de tranziție a energiei de la un tip la altul (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind semnificativ de natura procesului.

Principala diferență dintre muncă și căldură este aceea

• munca caracterizează procesul de schimbare a energiei interne a unui sistem, însoțit de transformarea energiei de la un tip la altul (de la mecanic la intern);
• cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.

Incalzire racire)

Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o masă corporală m asupra temperaturii T 1 la temperatură T 2, calculat prin formula

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

Unde c- capacitatea termică specifică a substanţei (valoarea tabelară);

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

Unitatea SI a capacității termice specifice este joule pe kilogram Kelvin (J/(kg K)).

Căldura specifică c este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp care cântărește 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.

Pe lângă capacitatea termică specifică, se ia în considerare și o cantitate precum capacitatea termică a corpului.

Capacitate termica corp C egal numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:

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

Unitatea SI a capacității de căldură a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).

Vaporizare (condens)

Pentru a transforma un lichid în abur la o temperatură constantă, este necesar să consumați o cantitate de căldură

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

Unde L- căldura specifică de vaporizare (valoare tabelară). Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.

Unitatea SI a căldurii specifice de vaporizare este joule pe kilogram (J/kg).

Topire (cristalizare)

Pentru a topi un corp cristalin cântărind m la punctul de topire, organismul trebuie să comunice cantitatea de căldură

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

Unde λ - căldura specifică de fuziune (valoare tabelară). Când un corp cristalizează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.

Unitatea SI a căldurii specifice de fuziune este joule pe kilogram (J/kg).

Arderea combustibilului

Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a unei mase de combustibil m,

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

Unde q- căldura specifică de ardere (valoare tabelară).

Unitatea SI a căldurii specifice de ardere este joule pe kilogram (J/kg).

Literatură

Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: manual. alocație pentru instituțiile care oferă învățământ general. mediu, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 129-133, 152-161.

Definiție

Energia internă a corpului (sistemului) numită energie care este asociată cu toate tipurile de mișcare și interacțiune a particulelor care alcătuiesc un corp (sistem), inclusiv energia de interacțiune și mișcare a particulelor complexe.

Din cele de mai sus rezultă că energia internă nu include energia cinetică de mișcare a centrului de masă al sistemului și energia potențială a sistemului cauzată de acțiunea forțelor externe. Aceasta este energie care depinde numai de starea termodinamică a sistemului.

Energia internă este cel mai adesea notată cu litera U. În acest caz, o modificare infinitezimală a acesteia va fi notată dU. Se consideră că dU este o valoare pozitivă dacă energia internă a sistemului crește, respectiv energia internă este negativă dacă energia internă scade.

Energia internă a unui sistem de corpuri este egală cu suma energiilor interne ale fiecărui corp individual plus energia interacțiunii dintre corpurile din cadrul sistemului.

Energia internă este o funcție a stării sistemului. Aceasta înseamnă că modificarea energiei interne a sistemului în timpul tranziției sistemului de la o stare la alta nu depinde de metoda de tranziție (tipul de proces termodinamic în timpul tranziției) a sistemului și este egală cu diferența. între energiile interne ale stării finale și inițiale:

Pentru un proces circular, modificarea totală a energiei interne a sistemului este zero:

Pentru un sistem care nu este afectat de forțele externe și se află într-o stare de repaus macroscopic, energia internă este energia totală a sistemului.

Energia internă poate fi determinată doar până la un anumit termen constant (U 0), care nu poate fi determinat prin metode termodinamice. Cu toate acestea, acest fapt nu este semnificativ, deoarece atunci când folosim analiza termodinamică, avem de-a face cu modificările energiei interne și nu cu valorile sale absolute. U_0 este adesea presupus a fi zero. În același timp, componentele sale, care se modifică în circumstanțele propuse, sunt considerate energie internă.

Energia internă este considerată limitată, iar limita sa (inferioară) corespunde cu T=0K.

Energia internă a unui gaz ideal

Energia internă a unui gaz ideal depinde numai de temperatura sa absolută (T) și este proporțională cu masa sa:

unde C V este capacitatea termică a gazului într-un proces izocor; c V este capacitatea termică specifică a gazului într-un proces izocor; – energie internă pe unitatea de masă de gaz la temperatura zero absolut. Sau:

i este numărul de grade de libertate ale unei molecule de gaz ideal, v este numărul de moli de gaz, R=8,31 ​​J/(mol K) este constanta universală a gazului.

Prima lege a termodinamicii

După cum se știe, prima lege a termodinamicii are mai multe formulări. Una dintre formulările propuse de K. Carathéodory vorbește despre existența energiei interne ca componentă a energiei totale a sistemului Este o funcție de stare, în sisteme simple în funcție de volum (V), presiune (p). mase de substanțe (m i) care alcătuiesc acest sistem: . În formularea dată de Carathéodory, energia internă nu este o funcție caracteristică variabilelor sale independente.

În formulări mai familiare ale primei legi a termodinamicii, de exemplu, formularea lui Helmholtz, energia internă a unui sistem este introdusă ca o caracteristică fizică a sistemului. În acest caz, comportamentul sistemului este determinat de legea conservării energiei. Helmholtz nu definește energia internă ca o funcție a parametrilor specifici ai stării sistemului:

– modificarea energiei interne într-un proces de echilibru, Q – cantitatea de căldură pe care sistemul a primit-o în procesul luat în considerare, A – munca pe care a făcut-o sistemul.

Unități de măsură ale energiei interne

Unitatea de bază de măsură a energiei interne în sistemul SI este: [U]=J

Exemple de rezolvare a problemelor

Exemplu

Exercițiu. Calculați cu ce cantitate se va modifica energia internă a heliului având o masă de 0,1 kg dacă temperatura acestuia crește cu 20C.

Soluţie. Când rezolvăm problema, considerăm heliul ca fiind un gaz ideal monoatomic, apoi pentru calcule putem aplica formula:

Deoarece avem un gaz monoatomic, luăm masa molară () din tabelul periodic ( kg/mol). Masa gazului în procesul prezentat nu se modifică, prin urmare, modificarea energiei interne este egală cu:

Sunt disponibile toate cantitățile necesare pentru calcule:

Răspuns. (J)

Exemplu

Exercițiu. Gazul ideal a fost extins în conformitate cu legea, care este reprezentată de graficul din Fig. 1. din volumul initial V 0 . La extindere, volumul de grăsime este egal cu . Care este creșterea energiei interne a gazului într-un proces dat? Coeficientul adiabatic este egal cu .