Ce este energia internă? Modalități de a schimba energia internă a corpului.

Este convenabil să se ia în considerare un anumit fenomen fizic sau o clasă de fenomene folosind modele de diferite grade de aproximare. De exemplu, atunci când se descrie comportamentul unui gaz, se folosește un model fizic - un gaz ideal.

Orice model are limite de aplicabilitate, dincolo de care necesită clarificare sau utilizarea unor opțiuni mai complexe. Aici vom lua în considerare un caz simplu de descriere a energiei interne a unui sistem fizic pe baza celor mai esențiale proprietăți ale gazelor în anumite limite.

Gaz ideal

Pentru comoditatea descrierii unor procese fundamentale, acest model fizic simplifică un gaz real după cum urmează:

• Neglijează dimensiunea moleculelor de gaz. Aceasta înseamnă că există fenomene pentru care acest parametru nu este esențial pentru o descriere adecvată.
• Neglijează interacțiunile intermoleculare, adică acceptă că în procesele de interes ele se manifestă în perioade de timp neglijabil de mici și nu afectează starea sistemului. În acest caz, interacțiunile sunt de natura unui impact absolut elastic, în care nu există pierderi de energie din cauza deformării.
• Neglijează interacțiunea moleculelor cu pereții rezervorului.
• Se presupune că sistemul gaz-rezervor este caracterizat de echilibru termodinamic.

Acest model este potrivit pentru descrierea gazelor reale dacă presiunile și temperaturile sunt relativ scăzute.

Starea energetică a unui sistem fizic

Orice sistem fizic macroscopic (corp, gaz sau lichid dintr-un vas) are, pe langa cinetica si potentialul propriu, un alt tip de energie – interna. Această valoare se obține prin însumarea energiilor tuturor subsistemelor care alcătuiesc sistemul fizic - molecule.

Fiecare moleculă dintr-un gaz are, de asemenea, propria sa energie potențială și cinetică. Acesta din urmă se datorează mișcării termice haotice continue a moleculelor. Diferitele interacțiuni dintre ele (atracție electrică, repulsie) sunt determinate de energia potențială.

Trebuie amintit că, dacă starea energetică a oricărei părți a unui sistem fizic nu are niciun efect asupra stării macroscopice a sistemului, atunci nu este luată în considerare. De exemplu, în condiții normale, energia nucleară nu se manifestă prin modificări ale stării unui obiect fizic, deci nu trebuie să fie luată în considerare. Dar la temperaturi și presiuni ridicate acest lucru trebuie făcut.

Astfel, energia internă a unui corp reflectă natura mișcării și interacțiunii particulelor sale. Aceasta înseamnă că acest termen este sinonim cu conceptul des folosit de „energie termică”.

Gazele monoatomice, adică cele ai căror atomi nu sunt combinați în molecule, există în natură - acestea sunt gaze inerte. Gaze precum oxigenul, azotul sau hidrogenul pot exista într-o astfel de stare numai în condițiile în care energia este cheltuită din exterior pentru a reînnoi constant această stare, deoarece atomii lor sunt activi chimic și tind să se combine într-o moleculă.

Să luăm în considerare starea energetică a unui gaz ideal monoatomic plasat într-un vas cu un anumit volum. Acesta este cel mai simplu caz. Ne amintim că interacțiunea electromagnetică a atomilor între ei și cu pereții vasului și, în consecință, energia lor potențială este neglijabilă. Deci energia internă a unui gaz include doar suma energiilor cinetice ale atomilor săi.

Poate fi calculată prin înmulțirea energiei cinetice medii a atomilor din gaz cu numărul lor. Energia medie este egală cu E = 3/2 x R / N A x T, unde R este constanta universală a gazului, NA este numărul lui Avogadro, T este temperatura absolută a gazului. Calculăm numărul de atomi înmulțind cantitatea de substanță cu constanta lui Avogadro. Energia internă a unui gaz monoatomic va fi egală cu U = N A x m / M x 3/2 x R/N A x T = 3/2 x m / M x RT. Aici m este masa și M este masa molară a gazului.

Să presupunem că compoziția chimică a gazului și masa acestuia rămân întotdeauna aceleași. În acest caz, după cum se vede din formula pe care am obținut-o, energia internă depinde doar de temperatura gazului. Pentru un gaz real, va fi necesar să se țină cont, pe lângă temperatură, de modificarea volumului, deoarece aceasta afectează energia potențială a atomilor.

Gaze moleculare

În formula de mai sus, numărul 3 caracterizează numărul de grade de libertate de mișcare ale unei particule monoatomice - este determinat de numărul de coordonate din spațiu: x, y, z. Pentru starea unui gaz monoatomic, este în general indiferent dacă atomii săi se rotesc.

Moleculele sunt asimetrice sferic, prin urmare, atunci când se determină starea energetică a gazelor moleculare, este necesar să se țină cont de energia cinetică a rotației lor. Moleculele diatomice, pe lângă gradele de libertate enumerate asociate cu mișcarea de translație, mai au două asociate cu rotația în jurul a două axe reciproc perpendiculare; Moleculele poliatomice au trei astfel de axe de rotație independente. În consecință, particulele de gaze biatomice sunt caracterizate de numărul de grade de libertate f = 5, în timp ce pentru moleculele poliatomice f = 6.

Datorită caracterului aleatoriu inerent mișcării termice, toate direcțiile atât ale mișcării de rotație, cât și ale mișcării de translație sunt complet la fel de probabile. Energia cinetică medie contribuită de fiecare tip de mișcare este aceeași. Prin urmare, putem înlocui valoarea lui f în formula, care ne permite să calculăm energia internă a unui gaz ideal de orice compoziție moleculară: U = f / 2 x m / M x RT.

Desigur, vedem din formulă că această valoare depinde de cantitatea de substanță, adică de cât și ce fel de gaz am luat, precum și de structura moleculelor acestui gaz. Cu toate acestea, deoarece am convenit să nu modificăm masa și compoziția chimică, trebuie să luăm în considerare doar temperatura.

Acum să ne uităm la modul în care valoarea U este legată de alte caracteristici ale gazului - volum și presiune.

Energia internă și starea termodinamică

Temperatura, după cum se știe, este una dintre stările sistemului (în acest caz, gaz). Într-un gaz ideal, acesta este legat de presiune și volum prin relația PV = m / M x RT (așa-numita ecuație Clapeyron-Mendeleev). Temperatura determină energia termică. Deci, acesta din urmă poate fi exprimat printr-un set de alți parametri de stare. Ea este indiferentă la starea anterioară, precum și la metoda de schimbare.

Să vedem cum se modifică energia internă atunci când un sistem trece de la o stare termodinamică la alta. Schimbarea sa în timpul oricărei astfel de tranziții este determinată de diferența dintre valorile inițiale și finale. Dacă sistemul revine la starea inițială după o stare intermediară, atunci această diferență va fi egală cu zero.

Să presupunem că am încălzit gazul din rezervor (adică i-am furnizat energie suplimentară). Starea termodinamică a gazului s-a schimbat: temperatura și presiunea acestuia au crescut. Acest proces are loc fără modificarea volumului. Energia internă a gazului nostru a crescut. După aceasta, gazul nostru a renunțat la energia furnizată, răcindu-se la starea inițială. Un factor precum, de exemplu, viteza acestor procese nu va avea nicio semnificație. Modificarea rezultată a energiei interne a gazului la orice rată de încălzire și răcire este zero.

Un punct important este că aceeași valoare a energiei termice poate corespunde nu uneia, ci mai multor stări termodinamice.

Natura modificărilor energiei termice

Pentru a schimba energia, trebuie să se lucreze. Munca poate fi efectuată de gazul însuși sau de o forță externă.

În primul caz, cheltuiala energetică pentru efectuarea lucrărilor se datorează energiei interne a gazului. De exemplu, aveam gaz comprimat într-un rezervor cu piston. Dacă eliberați pistonul, gazul în expansiune va începe să-l ridice, lucrând (pentru ca acesta să fie util, lăsați pistonul să ridice un fel de greutate). Energia internă a gazului va scădea cu cantitatea cheltuită pentru lucrul împotriva forțelor gravitaționale și de frecare: U 2 = U 1 - A. În acest caz, munca gazului este pozitivă, deoarece direcția forței aplicate pistonului coincide cu direcția de mișcare a pistonului.

Să începem să coborâm pistonul, lucrând împotriva forței de presiune a gazului și din nou împotriva forțelor de frecare. Astfel, conferim o anumită cantitate de energie gazului. Aici munca forțelor externe este deja considerată pozitivă.

Pe lângă lucrul mecanic, există și o modalitate de a lua energie dintr-un gaz sau de a-i da energie, așa cum am întâlnit deja în exemplul încălzirii unui gaz. Energia transferată gazului în timpul proceselor de schimb de căldură se numește cantitatea de căldură. Există trei tipuri de transfer de căldură: prin conducție, convecție și transfer radiativ. Să le privim puțin mai detaliat.

Conductivitate termică

Capacitatea unei substanțe de a face schimb de căldură, realizată de particulele sale prin transferul de energie cinetică între ele în timpul ciocnirilor reciproce în timpul mișcării termice, este conductivitatea termică. Dacă o anumită regiune a unei substanțe este încălzită, adică i se transmite o anumită cantitate de căldură, energia internă după un anumit timp, prin ciocniri ale atomilor sau moleculelor, va fi distribuită în medie uniform între toate particulele.

Este clar că conductivitatea termică depinde puternic de frecvența coliziunilor și asta, la rândul său, de distanța medie dintre particule. Prin urmare, gazul, în special gazul ideal, se caracterizează printr-o conductivitate termică foarte scăzută, iar această proprietate este adesea folosită pentru izolarea termică.

Dintre gazele reale, conductivitatea termică este mai mare la cele ale căror molecule sunt cele mai ușoare și în același timp poliatomice. Această condiție este îndeplinită în cea mai mare măsură de hidrogenul molecular și, în cea mai mică măsură, de radon, ca gaz monoatomic cel mai greu. Cu cât gazul este mai rarefiat, cu atât este mai rău conductor de căldură.

În general, transferul de energie prin conducție termică pentru un gaz ideal este un proces foarte ineficient.

Convecție

Mult mai eficientă pentru gaz este convecția, în care energia internă este distribuită printr-un flux de materie care circulă într-un câmp gravitațional. gazul fierbinte se formează datorită forței arhimedice, deoarece este mai puțin dens datorită gazului fierbinte care se mișcă în sus este înlocuit constant cu gaz mai rece - se stabilește circulația fluxurilor de gaz. Prin urmare, pentru a asigura o încălzire eficientă, adică cea mai rapidă, prin convecție, este necesar să încălziți rezervorul de gaz de jos - la fel ca un fierbător cu apă.

Dacă este necesar să eliminați o anumită cantitate de căldură din gaz, atunci este mai eficient să plasați frigiderul în partea de sus, deoarece gazul care a cedat energie frigiderului se va precipita sub influența gravitației.

Un exemplu de convecție în gaz este încălzirea aerului din interior cu ajutorul sistemelor de încălzire (acestea sunt amplasate cât mai jos în încăpere) sau răcirea prin aer condiționat, iar în condiții naturale fenomenul de convecție termică determină mișcarea maselor de aer și afectează vremea. si clima.

În absența gravitației (cu imponderabilitate într-o navă spațială), convecția, adică circulația curenților de aer, nu este stabilită. Deci nu are rost să aprindeți arzătoare cu gaz sau chibrituri la bordul unei nave spațiale: produsele fierbinți de ardere nu vor fi evacuate în sus, iar oxigenul nu va fi furnizat sursei de foc, iar flacăra se va stinge.

Transfer radiant

O substanță se poate încălzi și sub influența radiației termice, atunci când atomii și moleculele dobândesc energie prin absorbția cuante electromagnetice - fotoni. La frecvențe joase de fotoni acest proces nu este foarte eficient. Să ne amintim că atunci când deschidem un cuptor cu microunde găsim acolo mâncare fierbinte, dar nu aer cald. Pe măsură ce frecvența radiațiilor crește, efectul încălzirii radiațiilor crește; de ​​exemplu, în atmosfera superioară a Pământului, gazul foarte rarefiat este intens încălzit și ionizat de radiația ultravioletă solară.

Diferite gaze absorb radiația termică în grade diferite. Deci, apa, metanul, dioxidul de carbon o absorb destul de puternic. Fenomenul efectului de seră se bazează pe această proprietate.

Prima lege a termodinamicii

În general, o modificare a energiei interne prin încălzirea unui gaz (schimb de căldură) se rezumă și la a lucra fie asupra moleculelor de gaz, fie asupra lor printr-o forță externă (care se notează în același mod, dar cu semnul opus). Ce fel de lucru se face cu această metodă de trecere de la o stare la alta? Legea conservării energiei ne va ajuta să răspundem la această întrebare, sau mai exact, concretizarea ei în raport cu comportamentul sistemelor termodinamice – prima lege a termodinamicii.

Legea, sau principiul universal de conservare a energiei, în forma sa cea mai generală afirmă că energia nu se naște din nimic și nu dispare fără urmă, ci doar trece de la o formă la alta. În raport cu un sistem termodinamic, acesta trebuie înțeles în așa fel încât munca efectuată de sistem să fie exprimată prin diferența dintre cantitatea de căldură transmisă sistemului (gazul ideal) și modificarea energiei sale interne. Cu alte cuvinte, cantitatea de căldură transmisă gazului este cheltuită pentru această schimbare și pentru funcționarea sistemului.

Acest lucru este scris mult mai simplu sub formă de formule: dA = dQ - dU și, în consecință, dQ = dU + dA.

Știm deja că aceste mărimi nu depind de modul în care se produce tranziția între stări. Viteza acestei tranziții și, în consecință, eficiența depind de metodă.

În ceea ce privește a doua lege a termodinamicii, ea specifică direcția schimbării: căldura nu poate fi transferată de la un gaz mai rece (și, prin urmare, mai puțin energetic) la unul mai fierbinte, fără cheltuieli suplimentare de energie din exterior. A doua lege indică, de asemenea, că o parte din energia cheltuită de sistem pentru a efectua munca se disipează inevitabil, se pierde (nu dispare, ci intră într-o formă inutilizabilă).

Procese termodinamice

Tranzițiile între stările energetice ale unui gaz ideal pot avea un caracter diferit de modificări ale anumitor parametri ai acestuia. Energia internă în procesele de tranziție de diferite tipuri se va comporta, de asemenea, diferit. Să luăm în considerare pe scurt mai multe tipuri de astfel de procese.

• Un proces izocor are loc fără modificarea volumului, prin urmare, gazul nu lucrează. Energia internă a unui gaz se modifică în funcție de diferența dintre temperatura finală și cea inițială.
• Un proces izobaric are loc la presiune constantă. Gazul funcționează, iar energia sa termică este calculată în același mod ca în cazul precedent.
• Un proces izoterm se caracterizează printr-o temperatură constantă, ceea ce înseamnă că energia termică nu se modifică. Cantitatea de căldură primită de gaz este cheltuită în întregime pentru a lucra.
• Un proces adiabatic sau adiabatic are loc într-un gaz fără transfer de căldură, într-un rezervor izolat termic. Se lucrează numai datorită consumului de energie termică: dA = - dU. În timpul compresiei adiabatice, energia termică crește, iar în timpul expansiunii, aceasta scade în mod corespunzător.

Diferite izoprocese stau la baza funcționării motoarelor termice. Astfel, un proces izocor are loc într-un motor pe benzină la pozițiile extreme ale pistonului din cilindru, iar a doua și a treia cursă ale motorului sunt exemple de proces adiabatic. La producerea gazelor lichefiate, expansiunea adiabatică joacă un rol important - datorită acesteia, condensarea gazului devine posibilă. Izoprocesele din gaze, în studiul cărora nu se poate face fără conceptul de energie internă a unui gaz ideal, sunt caracteristice multor fenomene naturale și își găsesc aplicare într-o mare varietate de ramuri ale tehnologiei.

Subiecte ale codificatorului examenului unificat de stat: energie internă, transfer de căldură, tipuri de transfer de căldură.

Particulele oricărui corp - atomi sau molecule - efectuează o mișcare continuă haotică (așa-numita mișcarea termică). Prin urmare, fiecare particulă are o anumită energie cinetică.

În plus, particulele de materie interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie electrice, precum și prin forțe nucleare. Prin urmare, întregul sistem de particule al unui corp dat are și energie potențială.

Energia cinetică a mișcării termice a particulelor și energia potențială a interacțiunii lor formează împreună un nou tip de energie care nu este redusă la energia mecanică a corpului (adică energia cinetică a mișcării corpului în ansamblu și energia potenţială a interacţiunii sale cu alte corpuri). Acest tip de energie se numește energie internă.

Energia internă a unui corp este energia cinetică totală a mișcării termice a particulelor sale plus energia potențială a interacțiunii lor între ele..

Energia internă a unui sistem termodinamic este suma energiilor interne ale corpurilor incluse în sistem.

Astfel, energia internă a corpului este formată din următorii termeni.

1. Energia cinetică a mișcării haotice continue a particulelor corpului.
2. Energia potențială a moleculelor (atomilor), datorită forțelor interacțiunii intermoleculare.
3. Energia electronilor din atomi.
4. Energie intranucleară.

În cazul celui mai simplu model de materie - un gaz ideal - se poate obține o formulă explicită pentru energia internă.

Energia internă a unui gaz ideal monoatomic

Energia potențială a interacțiunii dintre particulele unui gaz ideal este zero (amintim că în modelul cu gaz ideal neglijăm interacțiunea particulelor de la distanță). Prin urmare, energia internă a unui gaz ideal monoatomic este redusă la energia cinetică totală a mișcării de translație (pentru un gaz poliatomic trebuie luată în considerare și rotația moleculelor și vibrațiile atomilor în interiorul moleculelor) mișcării atomilor săi. Această energie poate fi găsită prin înmulțirea numărului de atomi de gaz cu energia cinetică medie a unui atom:

Vedem că energia internă a unui gaz ideal (a cărui masă și compoziție chimică sunt neschimbate) este o funcție numai a temperaturii acestuia. Într-un gaz real, lichid sau solid, energia internă va depinde și de volum - la urma urmei, când se modifică volumul, aranjarea relativă a particulelor și, în consecință, energia potențială a interacțiunii lor se schimbă.

Funcția de stare

Cea mai importantă proprietate a energiei interne este că este functie de stat sistem termodinamic. Și anume, energia internă este determinată în mod unic de un set de parametri macroscopici care caracterizează sistemul și nu depinde de „preistoria” sistemului, adică. în ce stare se afla sistemul înainte și cât de concret a ajuns în această stare.

Astfel, atunci când un sistem trece de la o stare la alta, schimbarea energiei sale interne este determinată doar de stările inițiale și finale ale sistemului și nu depinde de la calea de trecere de la starea iniţială la starea finală. Dacă sistemul revine la starea inițială, atunci modificarea energiei sale interne este zero.

Experiența arată că există doar două moduri de a schimba energia internă a unui corp:

Efectuarea lucrărilor mecanice;
transfer de căldură.

Mai simplu spus, poți încălzi un ibric doar în două moduri fundamental diferite: frecându-l cu ceva sau dandu-l pe foc :-) Să luăm în considerare aceste metode mai detaliat.

Schimbarea energiei interne: muncă efectuată

Dacă se lucrează de mai sus organism, atunci energia internă a corpului crește.

De exemplu, după ce îl lovești cu un ciocan, un cui se încălzește și se deformează ușor. Dar temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a particulelor dintr-un corp. Încălzirea unui cui indică o creștere a energiei cinetice a particulelor sale: de fapt, particulele sunt accelerate de impactul unui ciocan și de frecarea cuiului pe placă.

Deformarea nu este altceva decât deplasarea particulelor unele față de altele; După un impact, o unghie suferă o deformare compresivă, particulele sale se apropie, forțele de respingere dintre ele cresc, iar acest lucru duce la o creștere a energiei potențiale a particulelor de unghie.

Deci, energia internă a unghiei a crescut. Acesta a fost rezultatul muncii efectuate pe el - lucrul a fost făcut de ciocan și forța de frecare pe placă.

Dacă lucrarea este făcută noi insine organism, atunci energia internă a corpului scade.

Lăsați, de exemplu, aerul comprimat dintr-un vas izolat termic sub un piston să se extindă și să ridice o anumită sarcină, făcând astfel lucru (procesul dintr-un vas izolat termic se numește adiabatic. Vom studia procesul adiabatic luând în considerare prima lege a termodinamicii). În timpul acestui proces, aerul se va răci - moleculele sale, lovind după pistonul în mișcare, îi conferă o parte din energia lor cinetică. (În același mod, un fotbalist, oprind cu piciorul o minge care zboară rapid, face o mișcare cu ea din mingea și își atenuează viteza.) Prin urmare, energia internă a aerului scade.

Prin urmare, aerul funcționează în detrimentul energiei sale interne: deoarece vasul este izolat termic, nu există niciun flux de energie către aer din surse externe, iar aerul poate atrage energie doar din propriile rezerve pentru a lucra. .

Modificarea energiei interne: transfer de căldură

Transferul de căldură este procesul de transfer de energie internă de la un corp mai fierbinte la unul mai rece, care nu este asociat cu efectuarea lucrărilor mecanice.. Transferul de căldură poate avea loc fie prin contact direct al corpurilor, fie printr-un mediu intermediar (și chiar prin vid). Transferul de căldură se mai numește schimb de caldura.

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

Acum le vom analiza mai detaliat.

Conductivitate termică

Dacă puneți un capăt al unei tije de fier în foc, atunci, după cum știm, nu o veți ține în mână pentru mult timp. Odată ajunsi într-o regiune cu temperatură ridicată, atomii de fier încep să vibreze mai intens (adică dobândesc energie cinetică suplimentară) și provoacă impacturi mai puternice asupra vecinilor lor.

Energia cinetică a atomilor vecini crește, de asemenea, iar acum acești atomi oferă energie cinetică suplimentară vecinilor lor. Deci, de la secțiune la secțiune, căldura se răspândește treptat de-a lungul tijei - de la capătul pus în foc până la mâna noastră. Aceasta este conductivitatea termică (Fig. 1) (Imagine de la educationalelectronicsusa.com).

Orez. 1. Conductivitate termică

Conductivitatea termică este transferul de energie internă din zonele mai încălzite ale corpului către cele mai puțin încălzite datorită mișcării termice și interacțiunii particulelor corpului..

Conductivitatea termică a diferitelor substanțe este diferită. Metalele au o conductivitate termică ridicată: cei mai buni conductori de căldură sunt argintul, cuprul și aurul. Conductivitatea termică a lichidelor este mult mai mică. Gazele conduc căldura atât de slab încât sunt considerate izolatoare termice: moleculele de gaz, datorită distanțelor mari dintre ele, interacționează slab unele cu altele. Acesta este motivul pentru care, de exemplu, ferestrele au rame duble: un strat de aer împiedică scăparea căldurii).

Prin urmare, corpurile poroase precum cărămida, vata sau blana sunt slabe conductoare de căldură. Conțin aer în porii lor. Nu degeaba casele din cărămidă sunt considerate cele mai calde, iar pe vreme rece oamenii poartă haine de blană și jachete cu un strat de puf sau căptușeală sintetică.

Dar dacă aerul conduce căldura atât de prost, atunci de ce se încălzește camera de la calorifer?

Acest lucru se întâmplă datorită unui alt tip de transfer de căldură - convecția.

Convecție

Convecția este transferul de energie internă în lichide sau gaze ca urmare a circulației fluxurilor și amestecării materiei.

Aerul din apropierea bateriei se încălzește și se extinde. Forța gravitației care acționează asupra acestui aer rămâne aceeași, dar forța de flotabilitate a aerului înconjurător crește, astfel încât aerul încălzit începe să plutească spre tavan. În locul lui vine aerul rece (același proces, dar la o scară mult mai mare, are loc în mod constant în natură: așa se naște vântul), cu care se repetă același lucru.

Ca urmare, se stabilește circulația aerului, care servește ca exemplu de convecție - răspândirea căldurii în cameră este realizată de curenții de aer.

Un proces complet similar poate fi observat în lichide. Când puneți un ibric sau o tigaie cu apă pe aragaz, apa este încălzită în primul rând datorită convecției (aportul conductibilității termice a apei este foarte nesemnificativ).

Curenții de convecție în aer și lichid sunt prezentați în Fig. 2 (imagini din physics.arizona.edu).

Orez. 2. Convecție

În solide, nu există convecție: forțele de interacțiune dintre particule sunt mari, particulele oscilează în apropierea unor puncte spațiale fixe (nodurile rețelei cristaline) și nu se pot forma fluxuri de materie în astfel de condiții.

Pentru circulația curenților de convecție la încălzirea unei încăperi, este necesar ca aerul încălzit era loc să iasă la iveală. Dacă radiatorul este instalat sub tavan, atunci nu va avea loc nicio circulație - aerul cald va rămâne sub tavan. De aceea sunt amplasate dispozitive de încălzire în partea de jos camere. Din același motiv se pune fierbătorul pe foc, în urma căruia straturile de apă încălzite, în creștere, lasă loc celor mai reci.

Dimpotrivă, aparatul de aer condiționat trebuie amplasat cât mai sus posibil: atunci aerul răcit va începe să coboare, iar aerul mai cald îi va lua locul. Circulația va merge în sens invers față de mișcarea fluxurilor la încălzirea încăperii.

Radiație termala

Cum primește Pământul energie de la Soare? Conducția termică și convecția sunt excluse: suntem despărțiți de 150 de milioane de kilometri de spațiu fără aer.

Al treilea tip de transfer de căldură funcționează aici - Radiație termala. Radiația se poate propaga atât în ​​materie, cât și în vid. Cum apare?

Se pare că câmpurile electrice și magnetice sunt strâns legate între ele și au o proprietate remarcabilă. Dacă un câmp electric se modifică în timp, atunci generează un câmp magnetic, care, în general, se modifică și în timp (asta va fi discutat mai detaliat în fișa despre inducția electromagnetică). La rândul său, un câmp magnetic alternativ generează un câmp electric alternativ, care generează din nou un câmp magnetic alternativ, care generează din nou un câmp electric alternativ...

Ca urmare a dezvoltării acestui proces, unde electromagnetice- câmpurile electrice și magnetice „angajate” între ele. La fel ca sunetul, undele electromagnetice au o viteză de propagare și o frecvență - în acest caz, aceasta este frecvența cu care magnitudinea și direcția câmpurilor fluctuează în undă. Lumina vizibilă este un caz special de unde electromagnetice.

Viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este enormă: km/s. Deci, lumina călătorește de la Pământ la Lună în puțin peste o secundă.

Gama de frecvență a undelor electromagnetice este foarte largă. Vom vorbi mai multe despre scara undelor electromagnetice în prospectul corespunzător. Aici observăm doar că lumina vizibilă este o gamă mică de această scară. Sub el sunt frecvențele radiațiilor infraroșii, deasupra ei sunt frecvențele radiațiilor ultraviolete.

Amintiți-vă acum că atomii, deși sunt în general neutri din punct de vedere electric, conțin protoni încărcați pozitiv și electroni încărcați negativ. Aceste particule încărcate, efectuând mișcare haotică împreună cu atomii, creează câmpuri electrice alternante și, prin urmare, emit unde electromagnetice. Aceste unde sunt numite Radiație termala- pentru a ne aminti că sursa lor este mișcarea termică a particulelor de materie.

Sursa de radiație termică este orice corp. În acest caz, radiația transportă o parte din energia sa internă. După ce a întâlnit atomii altui corp, radiația îi accelerează cu câmpul său electric oscilant, iar energia internă a acestui corp crește. Așa ne bucurăm de razele soarelui.

La temperaturi normale, frecvențele radiațiilor termice se află în domeniul infraroșu, astfel încât ochiul nu îl percepe (nu vedem cum „luminăm”). Când un corp se încălzește, atomii lui încep să emită unde de frecvențe mai înalte. Un cui de fier poate fi încălzit roșu - adus la o astfel de temperatură încât radiația sa termică să ajungă în partea inferioară (roșie) a intervalului vizibil. Iar Soarele ni se pare galben-alb: temperatura de pe suprafața Soarelui este atât de ridicată încât spectrul său de radiații conține toate frecvențele luminii vizibile și chiar ultraviolete, datorită cărora ne bronzăm.

Să aruncăm o altă privire asupra celor trei tipuri de transfer de căldură (Figura 3) (imagini de pe beodom.com).

Orez. 3. Trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație

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 gazelor, 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 frecării, 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 reprezentată ca o linie întreruptă formată dintr-un număr mare de izocori 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 modificării 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 asemenea 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, corpul trebuie să comunice cantitatea de căldură

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

Unde λ - căldură 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.

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 anumită deplasare în direcția de mișcare a pistonului. Lucrul electric este, de asemenea, asociat 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-un despărțitor AB conductor 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.

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-au făcut lucrări mecanice pentru comprimarea zăpezii, iar datorită rezervei de energie internă zăpada a fost topită. 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 putem vorbi de rezerva de caldura sau de munca. 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, Transformarea 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 semnului: 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 să rețineți 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 anumită valoare 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, în timp ce 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.