Формулата за вътрешна енергия. Вътрешна енергия и начини за нейната промяна

Удобно е да се разглежда едно или друго физическо явление или клас от явления, като се използват модели с различна степен на приближение. Например, когато се описва поведението на газ, се използва физически модел - идеален газ.

Всеки модел има граници на приложимост, отвъд които се изисква усъвършенстване или прилагане на по-сложни опции. Тук разглеждаме прост случай на описание на вътрешната енергия на физическа система въз основа на най-съществените свойства на газовете в определени граници.

Идеален газ

Този физически модел, за удобство при описване на някои фундаментални процеси, опростява реален газ, както следва:

• Пренебрегва размера на газовите молекули. Това означава, че има явления, за които този параметър не е от съществено значение за адекватно описание.
• Той пренебрегва междумолекулните взаимодействия, тоест приема, че в процесите, които го интересуват, те се проявяват през незначителни интервали от време и не влияят на състоянието на системата. В този случай взаимодействията имат характер на абсолютно еластично въздействие, при което няма загуба на енергия поради деформации.
• Пренебрегва взаимодействието на молекулите със стените на резервоара.
• Приема, че системата "газ-резервоар" се характеризира с термодинамично равновесие.

Такъв модел е подходящ за описание на реални газове, ако наляганията и температурите са относително ниски.

Енергийно състояние на физическа система

Всяка макроскопична физическа система (тяло, газ или течност в съд) има, освен собствената си кинетика и потенциал, още един вид енергия - вътрешна. Тази стойност се получава чрез сумиране на енергиите на всички подсистеми, изграждащи физическата система – молекули.

Всяка молекула в състава на газа също има своя потенциална и кинетична енергия. Последното се дължи на непрекъснатото хаотично топлинно движение на молекулите. Различните взаимодействия между тях (електрическо привличане, отблъскване) се определят от потенциалната енергия.

Трябва да се помни, че ако енергийното състояние на която и да е част от физическата система няма никакъв ефект върху макроскопичното състояние на системата, тогава то не се взема предвид. Например, при нормални условия ядрената енергия не се проявява в промени в състоянието на физически обект, така че не е необходимо да се взема предвид. Но при високи температури и налягания това вече трябва да се направи.

Така вътрешната енергия на тялото отразява естеството на движението и взаимодействието на неговите частици. Това означава, че този термин е синоним на често използваното понятие "топлинна енергия".

В природата съществуват едноатомни газове, тоест тези, чиито атоми не са обединени в молекули - това са инертни газове. Газове като кислород, азот или водород могат да съществуват в такова състояние само при условия, когато енергията се изразходва отвън за постоянното обновяване на това състояние, тъй като техните атоми са химически активни и са склонни да се комбинират в молекула.

Помислете за енергийното състояние на моноатомен идеален газ, поставен в съд с някакъв обем. Това е най-простият случай. Спомняме си, че електромагнитното взаимодействие на атомите помежду им и със стените на съда и следователно тяхната потенциална енергия е незначително. Така че вътрешната енергия на газ включва само сумата от кинетичните енергии на неговите атоми.

Може да се изчисли чрез умножаване на средната кинетична енергия на атомите в газ по техния брой. Средната енергия е равна на E \u003d 3/2 x R / N A x T, където R е универсалната газова константа, N A е числото на Авогадро, T е абсолютната температура на газа. Броят на атомите се изчислява чрез умножаване на количеството материя по константата на Авогадро. Вътрешната енергия на моноатомен газ ще бъде равна на U \u003d N A x m / M x 3/2 x R / N A x T \u003d 3/2 x m / M x RT. Тук m е масата, а M е моларната маса на газа.

Да приемем, че химичният състав на газа и неговата маса винаги остават същите. В този случай, както се вижда от получената формула, вътрешната енергия зависи само от температурата на газа. За истински газ, в допълнение към температурата, ще трябва да се вземе предвид промяната в обема, тъй като тя влияе върху потенциалната енергия на атомите.

Молекулярни газове

В горната формула числото 3 характеризира броя на степените на свобода на движение на едноатомна частица - определя се от броя на координатите в пространството: x, y, z. За състоянието на едноатомен газ обикновено е безразлично дали неговите атоми се въртят.

Молекулите, от друга страна, са сферично асиметрични, следователно, когато се определя енергийното състояние на молекулните газове, трябва да се вземе предвид кинетичната енергия на тяхното въртене. Двуатомните молекули, в допълнение към изброените степени на свобода, свързани с транслационното движение, имат още две, свързани с въртене около две взаимно перпендикулярни оси; многоатомните молекули имат три такива независими оси на въртене. Следователно, частиците на двуатомните газове се характеризират с броя на степените на свобода f=5, докато за многоатомните молекули f=6.

Поради произволността, присъща на топлинното движение, всички посоки както на ротационно, така и на транслационно движение са абсолютно еднакво вероятни. Средната кинетична енергия, внесена от всеки тип движение, е една и съща. Следователно можем да заместим стойността на f във формулата, която ни позволява да изчислим вътрешната енергия на идеален газ от всякакъв молекулен състав: U = f / 2 x m / M x RT.

Разбира се, от формулата виждаме, че тази стойност зависи от количеството вещество, тоест от това колко и какъв газ сме взели, както и от структурата на молекулите на този газ. Но тъй като се съгласихме да не променяме масата и химичния състав, трябва да вземем предвид само температурата.

Сега помислете как стойността на U е свързана с други характеристики на газа - обем, както и налягане.

Вътрешна енергия и термодинамично състояние

Температурата, както знаете, е едно от състоянията на системата (в този случай газ). В идеалния газ той е свързан с налягането и обема чрез отношението PV = m / M x RT (така нареченото уравнение на Клапейрон-Менделеев). Температурата определя топлинната енергия. Така че последното може да бъде изразено чрез набор от други параметри на състоянието. То е безразлично към предишното състояние, както и към начина, по който то се променя.

Нека да видим как се променя вътрешната енергия, когато системата преминава от едно термодинамично състояние в друго. Изменението му при всеки такъв преход се определя от разликата между началната и крайната стойност. Ако системата се върне в първоначалното си състояние след някакво междинно състояние, тогава тази разлика ще бъде равна на нула.

Да предположим, че сме загрели газта в резервоара (т.е. докарали сме допълнителна енергия към него). Термодинамичното състояние на газа се е променило: неговата температура и налягане са се увеличили. Този процес протича без промяна на силата на звука. Вътрешната енергия на нашия газ се е увеличила. След това нашият газ се отказа от подадената енергия, охлаждайки се до първоначалното си състояние. Такъв фактор, като например скоростта на тези процеси, няма да има значение. Получената промяна във вътрешната енергия на газа при всяка скорост на нагряване и охлаждане е нула.

Важен момент е, че една и съща стойност на топлинната енергия може да съответства не на едно, а на няколко термодинамични състояния.

Естеството на промяната на топлинната енергия

За да се промени енергията, трябва да се работи. Работата може да се извърши от самия газ или от външна сила.

В първия случай разходът на енергия за извършване на работа се дължи на вътрешната енергия на газа. Например имахме сгъстен газ в резервоар с бутало. Ако буталото се освободи, разширяващият се газ ще започне да го повдига, вършейки работа (за да е полезно, оставете буталото да повдигне някакъв товар). Вътрешната енергия на газа ще намалее с количеството, изразходвано за работа срещу гравитацията и силите на триене: U 2 = U 1 - A. В този случай работата на газа е положителна, тъй като посоката на силата, приложена към буталото съвпада с посоката на движение на буталото.

Нека започнем да спускаме буталото, като вършим работа срещу силата на налягането на газа и отново срещу силите на триене. Така ще информираме газа за определено количество енергия. Тук работата на външните сили вече се счита за положителна.

В допълнение към механичната работа, има и такъв начин да се отнеме енергия от газ или да му се придаде енергия, както вече го срещнахме в примера за нагряване на газ. Енергията, предадена на газа по време на процесите на топлообмен, се нарича количество топлина. Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и радиационен пренос. Нека ги разгледаме малко по-подробно.

Топлопроводимост

Способността на веществото да обменя топлина, извършвана от неговите частици чрез прехвърляне на кинетична енергия една към друга по време на взаимни сблъсъци по време на топлинно движение, е топлопроводимост. Ако определен участък от веществото се нагрее, тоест към него се придаде определено количество топлина, вътрешната енергия след известно време, чрез сблъсък на атоми или молекули, ще се разпредели средно равномерно между всички частици.

Ясно е, че топлопроводимостта силно зависи от честотата на сблъсъци, а това от своя страна от средното разстояние между частиците. Следователно газът, особено идеалният газ, се характеризира с много ниска топлопроводимост и това свойство често се използва за топлоизолация.

От реалните газове топлопроводимостта е по-висока за тези, чиито молекули са най-леки и в същото време многоатомни. В най-голяма степен на това условие отговаря молекулярният водород, а в най-малка - радонът, като най-тежкият едноатомен газ. Колкото по-рядък е газът, толкова по-лош проводник на топлина е той.

Като цяло преносът на енергия чрез топлопроводимост за идеален газ е много неефективен процес.

Конвекция

Много по-ефективен за газ като конвекцията, при която вътрешната енергия се разпределя чрез потока от материя, циркулиращ в гравитационното поле. горещ газ се образува поради архимедовата сила, тъй като е с по-малка плътност, тъй като движещият се нагоре горещ газ постоянно се заменя с по-студен - установява се циркулацията на газовите потоци. Следователно, за да се осигури ефективно, тоест най-бързо нагряване чрез конвекция, е необходимо резервоарът за газ да се нагрява отдолу - като чайник с вода.

Ако е необходимо да се отнеме известно количество топлина от газа, тогава е по-ефективно да поставите хладилника отгоре, тъй като газът, който е дал енергия на хладилника, ще се втурне надолу под въздействието на гравитацията.

Пример за конвекция в газ е нагряването на въздуха в помещенията с помощта на отоплителни системи (те се поставят в помещението възможно най-ниско) или охлаждане с помощта на климатик, а в естествени условия явлението термична конвекция причинява движението на въздуха маси и влияе върху времето и климата.

При липса на гравитация (с безтегловност в космически кораб) конвекцията, тоест циркулацията на въздушните потоци, не се установява. Така че няма смисъл да се запалват газови горелки или кибрит на борда на космическия кораб: горещите продукти от горенето няма да се изхвърлят нагоре, а кислородът ще се подава към източника на огън и пламъкът ще изгасне.

лъчист трансфер

Веществото може също да се нагрее под действието на топлинно излъчване, когато атомите и молекулите придобиват енергия чрез поглъщане на електромагнитни кванти - фотони. При ниски фотонни честоти този процес не е много ефективен. Спомнете си, че когато отворим микровълнова фурна, намираме гореща храна вътре, но не и горещ въздух. С увеличаване на честотата на излъчване ефектът от радиационното нагряване се увеличава, например в горната атмосфера на Земята силно разреденият газ се нагрява интензивно и йонизира от слънчевия ултравиолет.

Различните газове абсорбират топлинното излъчване в различна степен. Така че водата, метанът, въглеродният диоксид го абсорбират доста силно. На това свойство се основава феноменът на парниковия ефект.

Първи закон на термодинамиката

Най-общо казано, изменението на вътрешната енергия чрез нагряване на газа (пренос на топлина) също се свежда до извършване на работа или върху газовите молекули, или върху тях чрез външна сила (която се означава по същия начин, но с обратен знак ). Каква работа се извършва при този начин на преход от едно състояние към друго? Законът за запазване на енергията ще ни помогне да отговорим на този въпрос, по-точно, неговата конкретизация във връзка с поведението на термодинамичните системи - първият закон на термодинамиката.

Законът, или универсалният принцип за запазване на енергията, в най-обобщена форма гласи, че енергията не се ражда от нищото и не изчезва безследно, а само преминава от една форма в друга. По отношение на термодинамична система това трябва да се разбира по такъв начин, че работата, извършена от системата, се изразява като разликата между количеството топлина, предадено на системата (идеален газ) и промяната в нейната вътрешна енергия. С други думи, количеството топлина, предадено на газа, се изразходва за тази промяна и за работата на системата.

Под формата на формули това е написано много по-просто: dA = dQ - dU и съответно dQ = dU + dA.

Вече знаем, че тези количества не зависят от начина, по който се извършва преходът между състоянията. Скоростта на този преход и в резултат на това ефективността зависи от метода.

Що се отнася до втория закон на термодинамиката, той определя посоката на промяната: топлината не може да бъде прехвърлена от по-студен (и следователно по-малко енергиен) газ към по-горещ без допълнителна енергия отвън. Вторият закон също така показва, че част от енергията, изразходвана от системата за извършване на работа, неизбежно се разсейва, губи се (не изчезва, а се превръща в неизползваема форма).

Термодинамични процеси

Преходите между енергийните състояния на идеален газ могат да имат различни модели на промяна на едни или други негови параметри. Вътрешната енергия в процесите на преходи от различни видове също ще се държи различно. Нека разгледаме накратко няколко вида такива процеси.

• Изохорният процес протича без промяна в обема, следователно газът не работи. Вътрешната енергия на газа се променя като функция на разликата между крайната и началната температура.
• Изобарният процес протича при постоянно налягане. Газът работи и неговата топлинна енергия се изчислява по същия начин, както в предишния случай.
• Изотермичният процес се характеризира с постоянна температура и следователно топлинната енергия не се променя. Количеството топлина, получено от газа, се изразходва напълно за извършване на работа.
• Адиабатен или адиабатен процес протича в газ без топлообмен, в топлоизолиран резервоар. Работата се извършва само за сметка на топлинна енергия: dA = - dU. При адиабатно компресиране топлинната енергия се увеличава, при разширение съответно намалява.

В основата на работата на топлинните двигатели са различни изопроцеси. По този начин изохорният процес протича в бензинов двигател в крайните позиции на буталото в цилиндъра, а вторият и третият такт на двигателя са примери за адиабатен процес. При получаване на втечнени газове адиабатното разширение играе важна роля - благодарение на него става възможна кондензация на газ. Изопроцесите в газовете, при изучаването на които човек не може да се справи без концепцията за вътрешната енергия на идеалния газ, са характерни за много природни явления и се използват в различни клонове на технологията.

Вътрешна енергиятяло (наричано като дили U) е сумата от енергиите на молекулните взаимодействия и топлинните движения на една молекула. Вътрешната енергия е еднозначна функция на състоянието на системата. Това означава, че когато една система се окаже в дадено състояние, нейната вътрешна енергия приема стойността, присъща на това състояние, независимо от историята на системата. Следователно промяната във вътрешната енергия по време на прехода от едно състояние към друго винаги ще бъде равна на разликата между нейните стойности в крайното и началното състояние, независимо от пътя, по който е направен преходът.

Вътрешната енергия на тялото не може да бъде измерена директно. Може да се определи само промяната на вътрешната енергия:

Тази формула е математически израз на първия закон на термодинамиката

За квазистатичните процеси е валидна следната зависимост:

Идеални газове

Според закона на Джаул, получен емпирично, вътрешната енергия на идеалния газ не зависи от налягането или обема. Въз основа на този факт може да се получи израз за промяната на вътрешната енергия на идеален газ. По дефиниция на моларен топлинен капацитет при постоянен обем, . Тъй като вътрешната енергия на идеален газ е функция само на температурата, тогава

Същата формула важи и за изчисляване на изменението на вътрешната енергия на всяко тяло, но само при процеси с постоянен обем (изохорни процеси); обикновено е функция както на температурата, така и на обема.

Ако пренебрегнем промяната на моларния топлинен капацитет с промяна на температурата, получаваме:

където е количеството вещество, е промяната в температурата.

Литература

• Сивухин Д.В.Общ курс по физика. - 5-то издание, преработено. - М .: Физматлит, 2006. - Т. II. Термодинамика и молекулярна физика. - 544 стр. - ISBN 5-9221-0601-5

Бележки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е "вътрешна енергия" в други речници:

вътрешна енергия- Функцията на състоянието на затворена термодинамична система, определена от факта, че нейното увеличение във всеки процес, протичащ в тази система, е равно на сумата от топлината, предадена на системата, и работата, извършена върху нея. Забележка Вътрешна енергия…… Наръчник за технически преводач

Физическа енергия. система, в зависимост от вътрешните й държави. V. e. включва енергията на хаотичното (топлинно) движение на всички микрочастици на системата (молекули, атоми, йони и др.) и енергията на удара на тези частици. Кинетичен енергия на движение на системата като цяло и ... Физическа енциклопедия

ВЪТРЕШНА ЕНЕРГИЯ- енергията на тяло или система в зависимост от вътрешното им състояние; се състои от кинетичната енергия на телесните молекули и техните структурни единици (атоми, електрони, ядра), енергията на взаимодействие на атомите в молекулите, енергията на взаимодействие на електронните ... ... Голяма политехническа енциклопедия

Тялото се състои от кинетичната енергия на молекулите на тялото и техните структурни единици (атоми, електрони, ядра), енергията на взаимодействието на атомите в молекулите и др. Вътрешната енергия не включва енергията на движение на тялото като цяло и потенциалната енергия ... Голям енциклопедичен речник

вътрешна енергия- ▲ енергийно материално тяло, според състояние, вътрешна температура, вътрешна en … Идеографски речник на руския език

вътрешна енергия- е общата енергия на системата минус потенциалната енергия, дължаща се на въздействието върху системата на външните силови полета (в гравитационното поле), и кинетичната енергия на движещата се система. Обща химия: учебник / А. В. Жолнин ... Химически термини

Съвременна енциклопедия

Вътрешна енергия- тела, включва кинетичната енергия на молекулите, атомите, електроните, ядрата, които изграждат тялото, както и енергията на взаимодействие на тези частици една с друга. Промяната във вътрешната енергия е числено равна на работата, която се извършва върху тялото (например, когато то ... ... Илюстрован енциклопедичен речник

вътрешна енергия- термодинамична величина, характеризираща броя на всички видове вътрешни движения, извършвани в системата. Невъзможно е да се измери абсолютната вътрешна енергия на тялото. На практика се измерва само промяната на вътрешната енергия ... ... Енциклопедичен речник по металургия

Тялото се състои от кинетичната енергия на молекулите на тялото и техните структурни единици (атоми, електрони, ядра), енергията на взаимодействието на атомите в молекулите и др. Вътрешната енергия не включва енергията на движение на тялото като цяло и потенциална енергия ... енциклопедичен речник

Книги

• Събуждаща енергия. Съществува ли щастието? Щастието на присъствието (брой томове: 3), Хуснетдинова Айгул. "Пробуждаща енергия. Как всичко наистина работи и как да живеем щастливо". Всеки ден в практиката си се сблъсквам с мистични случаи, но в същото време живея обикновен съвременен живот, ...

Ако изпомпвате в буркан с дебели стени, затворен с тапа, чието дъно е покрито с вода, тогава след известно време тапата ще излети от буркана и в буркана ще се образува мъгла. Корковата тапа изхвръкна от кутията, защото въздухът там й действаше с определена сила. Въздухът на изхода на тапата свърши работа. Известно е, че тялото може да извърши работа, ако има енергия. Следователно въздухът в буркана има енергия.

Когато въздухът работи, температурата му спада и състоянието му се променя. В същото време механичната енергия на въздуха не се промени: не се промени нито скоростта, нито положението му спрямо Земята. Следователно работата е извършена не поради механична, а поради друга енергия. Тази енергия е вътрешната енергия на въздуха в буркана.

Вътрешна енергиятяло е сумата от кинетичната енергия на движението на неговите молекули и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. кинетична енергия ( Ек) молекулите имат, тъй като са в движение, и потенциална енергия ( еп), докато си взаимодействат. Вътрешната енергия се обозначава с буквата U. Единицата за вътрешна енергия е 1 джаул. (1 Дж). U = Ek + En.

Начини за промяна на вътрешната енергия

Колкото по-голяма е скоростта на движение на молекулите, толкова по-висока е температурата на тялото, следователно вътрешната енергия зависи от телесната температура . За да прехвърлите вещество от твърдо състояние в течно състояние, например, за да превърнете лед във вода, трябва да му донесете енергия. Следователно водата ще има повече вътрешна енергия от леда със същата маса и, следователно, вътрешната енергия зависи от агрегатното състояние на тялото .

Вътрешната енергия може да бъде променена при извършване на работа . Ако парче олово се удари няколко пъти с чук, тогава дори с допир може да се определи, че парчето олово ще се нагрее. Следователно неговата вътрешна енергия, както и вътрешната енергия на чука, се увеличиха. Това се случи, защото беше извършена работа върху парче олово.

Ако самото тяло върши работа, то вътрешната му енергия намалява, а ако върху него се извършва работа, то вътрешната му енергия нараства.

Ако се налее гореща вода в чаша със студена вода, температурата на горещата вода ще намалее, а тази на студената ще се повиши. В разглеждания пример не се извършва механична работа, вътрешната енергия на телата се променя с пренос на топлина, както се вижда от намаляването на температурата му.

Молекулите на гореща вода имат повече кинетична енергия от молекулите на студената вода. Тази енергия се прехвърля от молекулите на гореща вода към молекули на студена вода по време на сблъсъци и кинетичната енергия на молекулите на студената вода се увеличава. В този случай кинетичната енергия на молекулите на горещата вода намалява.

Пренос на топлина- това е начин за промяна на вътрешната енергия на тялото, когато енергията се прехвърля от една част на тялото към друга или от едно тяло към друго, без да се извършва работа.

Вътрешна енергия на тялотоне може да бъде константа. Може да се промени във всяко тяло. Ако повишите температурата на тялото, тогава вътрешната му енергия ще се увеличи, т.к. средната скорост на молекулите ще се увеличи. По този начин кинетичната енергия на молекулите на тялото се увеличава. Обратно, с намаляването на температурата вътрешната енергия на тялото намалява.

Можем да заключим: вътрешната енергия на тялото се променя, ако се промени скоростта на молекулите.Нека се опитаме да определим по какъв метод е възможно да се увеличи или намали скоростта на движение на молекулите. Помислете за следния опит. На стойката фиксираме тънкостенна месингова тръба. Напълнете епруветката с етер и я затворете с тапа. След това го завързваме с въже и започваме интензивно да движим въжето в различни посоки. След определено време етерът ще заври и силата на парата ще изтласка тапата. Опитът показва, че вътрешната енергия на дадено вещество (етер) се е увеличила: в крайна сметка то е променило температурата си, докато кипи.

Увеличаването на вътрешната енергия се дължи на работата, извършена при триене на тръбата с въже.

Както знаем, нагряването на телата може да се получи и при удари, флексия или екстензия, с други думи, при деформация. Във всички дадени примери вътрешната енергия на тялото нараства.

Така вътрешната енергия на тялото може да се увеличи чрез извършване на работа върху тялото.

Ако работата се извършва от самото тяло, вътрешната му енергия намалява.

Нека разгледаме друг опит.

В стъклен съд, който е с дебели стени и се затваря с тапа, изпомпваме въздух през специално направен отвор в него.

След известно време тапата ще излети от съда. В момента, когато тапата излети от съда, можем да видим образуването на мъгла. Следователно образуването му означава, че въздухът в съда е станал студен. Сгъстеният въздух, който се намира в съда, при изтласкване на корковата тапа извършва определена работа. Той извършва тази работа за сметка на вътрешната си енергия, която същевременно намалява. Въз основа на охлаждането на въздуха в съда е възможно да се направят изводи за намаляването на вътрешната енергия. По този начин, вътрешната енергия на тялото може да се промени чрез извършване на определено количество работа.

Вътрешната енергия обаче може да се промени по друг начин, без да се извършва работа. Помислете за пример, водата в чайник, който е на печката, кипи. Въздухът, както и останалите предмети в помещението се затоплят от централен радиатор. В такива случаи вътрешната енергия се увеличава, т.к. телесната температура се повишава. Но работата не е свършена. Така че заключаваме промяна във вътрешната енергия може да настъпи не поради извършването на определена работа.

Нека разгледаме още един пример.

Потопете метална игла в чаша вода. Кинетичната енергия на молекулите на гореща вода е по-голяма от кинетичната енергия на студените метални частици. Молекулите на гореща вода ще предадат част от кинетичната си енергия на студени метални частици. Така енергията на водните молекули ще намалее по определен начин, докато енергията на металните частици ще се увеличи. Температурата на водата ще спадне и температурата на спиците бавно, ще нарастне. В бъдеще разликата между температурата на иглата и водата ще изчезне. Благодарение на това преживяване видяхме промяна във вътрешната енергия на различни тела. Заключаваме: вътрешната енергия на различни тела се променя поради пренос на топлина.

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

Имате ли някакви въпроси? Не знаете как да си направите домашното?
За да получите помощта на преподавател - регистрирайте се.
Първият урок е безплатен!

сайт, с пълно или частично копиране на материала, връзката към източника е задължителна.

Енергията е обща мярка за различните форми на движение на материята. Според формите на движение на материята има и видове енергия - механична, електрическа, химична и др. Всяка термодинамична система във всяко състояние има определен енергиен резерв, чието съществуване е доказано от Р. Клаузиус (1850) и се нарича вътрешна енергия.

Вътрешна енергия (U) е енергията на всички видове движение на микрочастиците, които съставляват системата, и енергията на тяхното взаимодействие помежду си.

Вътрешната енергия се състои от енергията на транслационното, ротационното и вибрационното движение на частиците, енергията на междумолекулните и вътрешномолекулните, вътрешноатомните и вътрешноядрените взаимодействия и др.

Енергията на вътрешномолекулно взаимодействие, т.е. често се нарича енергия на взаимодействие на атомите в молекулата химична енергия . Промяна в тази енергия се извършва по време на химични трансформации.

За термодинамичния анализ не е необходимо да се знае от какви форми на движение на материята се образува вътрешната енергия.

Запасът от вътрешна енергия зависи само от състоянието на системата. Следователно вътрешната енергия може да се разглежда като една от характеристиките на това състояние заедно с такива величини като налягане, температура.

Всяко състояние на системата отговаря на строго определена стойност на всяко нейно свойство.

Ако една хомогенна система в начално състояние има обем V 1, налягане P 1, температура T 1, вътрешна енергия U 1, електропроводимост æ 1 и т.н., а в крайното състояние тези свойства са съответно V 2 , P 2 , T 2 , U 2, æ 2 и т.н., тогава промяната във всяко свойство по време на прехода на системата от начално състояние към крайно състояние ще бъде една и съща, независимо от начина, по който системата преминава от едно състояние в друго: първо , втори или трети (фиг. .1.4).

Ориз. 1.4 Независимост на свойствата на системата от пътя на нейния преход

от нормално състояние в друго

Тези. (U 2 - U 1) I \u003d (U 2 - U 1) II \u003d (U 2 - U 1) III (1.4)

Къде са числата I, II, III и т.н. посочете пътища на процеса. Следователно, ако системата се движи от началното състояние (1) към крайното състояние (2) по един път, а от крайното състояние в началото, по друг път, т.е. е завършен кръгов процес (цикъл), тогава промяната във всяко свойство на системата ще бъде равна на нула.

По този начин промяната на функцията на състоянието на системата не зависи от пътя на процеса, а зависи само от началното и крайното състояние на системата. Безкрайно малка промяна в свойствата на системата обикновено се означава със знака на диференциала d. Например dU е безкрайно малка промяна във вътрешната енергия и т.н.

Форми на енергиен обмен

В съответствие с различните форми на движение на материята и различните видове енергия, съществуват различни форми на обмен на енергия (пренос на енергия) - форми на взаимодействие. В термодинамиката се разглеждат две форми на обмен на енергия между системата и околната среда. Това е работа и топлина.

работа.Най-очевидната форма на обмен на енергия е механичната работа, съответстваща на механичната форма на движение на материята. Получава се чрез движение на тялото под действието на механична сила. В съответствие с други форми на движение на материята се разграничават и други видове работа: електрическа, химическа и др. Работата е форма на предаване на подредено, организирано движение, тъй като когато се извършва работа, частиците на тялото се движат по организиран начин в една посока. Например извършване на работа, когато газ се разширява. Молекулите на газа в цилиндъра под буталото са в хаотично, безпорядъчно движение. Когато газът започне да движи буталото, тоест да извършва механична работа, организираното движение ще бъде насложено върху произволното движение на газовите молекули: всички молекули получават известно изместване в посоката на буталото. Електрическата работа също е свързана с организираното движение на заредени частици материя в определена посока.

Тъй като работата е мярка за прехвърлената енергия, нейното количество се измерва в същите единици като енергията.

Топлина. Формата на обмен на енергия, съответстваща на хаотичното движение на микрочастиците, изграждащи системата, се нарича топлообмен, а количеството енергия, пренесено по време на топлообмен, се нарича топлина.

Преносът на топлина не е свързан с промяна в положението на телата, които съставляват термодинамичната система, и се състои в директното прехвърляне на енергия от молекулите на едно тяло към молекулите на друго при техния контакт.

П представете си изолиран съд (система), разделен на две части от топлопроводима преграда ab (фиг. 1.5). Да приемем, че и в двете части на съда има газ.

Ориз. 1.5. Към концепцията за топлина

В лявата половина на съда температурата на газа е T1, а в дясната половина T2. Ако T 1 > T 2, тогава средната кинетична енергия ( ) газовите молекули от лявата страна на съда ще бъдат по-големи от средната кинетична енергия ( ) в дясната половина на съда.

В резултат на непрекъснати сблъсъци на молекули срещу преградата в лявата половина на съда, част от тяхната енергия се прехвърля към молекулите на преградата. Молекулите на газа, разположени в дясната половина на съда, сблъсквайки се с преградата, ще придобият част от енергията от своите молекули.

В резултат на тези сблъсъци кинетичната енергия на молекулите в лявата половина на съда ще намалее, а в дясната половина ще се увеличи; температурите T 1 и T 2 ще се изравнят.

Тъй като топлината е метафора за енергия, нейното количество се измерва в същите единици като енергията. По този начин преносът на топлина и работата са форми на обмен на енергия, а количеството топлина и количеството работа са мерки за пренесената енергия. Разликата между тях е, че топлината е форма на пренасяне на микрофизичното, безпорядъчно движение на частиците (и съответно енергията на това движение), а работата е форма на пренасяне на енергията на подредено, организирано движение на материята.

Понякога казват: топлината (или работата) се доставя или отстранява от системата, докато трябва да се разбира, че не топлината и работата се доставят и отстраняват, а енергията, следователно, такива изрази като „топлинен резерв“ или „топлина съдържащи се” не трябва да се използват.

Като форми на обмен на енергия (форми на взаимодействие) на система с околната среда, топлината и работата не могат да бъдат свързани с конкретно състояние на системата, не могат да бъдат нейни свойства и следователно функции на нейното състояние. Това означава, че ако системата преминава от първоначалното състояние (1) към крайното състояние (2) по различни начини, тогава топлината и работата ще имат различни стойности за различни преходни пътища (фиг. 1.6)

Крайното количество топлина и работа се означават с Q и A, а безкрайно малките стойности съответно с δQ и δA. Величините δQ и δA, за разлика от dU, не са пълен диференциал, тъй като Q и A не са функции на състоянието.

Когато пътят на процеса е предварително определен, работата и топлината ще придобият свойствата на функциите на състоянието на системата, т.е. техните числени стойности ще се определят само от началното и крайното състояние на системата.