Вътрешната енергия на тялото е вътрешната енергия на идеален газ. Вътрешна енергия на идеален газ - характеристики, теория и формула

Виждате излитаща ракета. Тя върши работата - вдига астронавтите и товара. Кинетичната енергия на ракетата се увеличава,тъй като ракетата набира все по-голяма скорост, докато се издига. Потенциалната енергия на ракетата също се увеличава,като се издига все по-високо над Земята. Следователно сумата от тези енергии, т.е нараства и механичната енергия на ракетата.

Спомняме си, че когато тялото работи, енергията му намалява. Все пак ракетата работи, но енергията й не намалява, а се увеличава! Какво е решението на противоречието? Оказва се, че освен механичната енергия има и друг вид енергия - вътрешна енергия.Именно чрез намаляване на вътрешната енергия на горящото гориво ракетата извършва механична работа и освен това увеличава своята механична енергия.

Не само горими, но също горещтелата имат вътрешна енергия, която лесно може да се преобразува в механична работа. Нека направим експеримент. Загряваме тежест във вряща вода и я поставяме върху тенекиена кутия, прикрепена към манометър. Когато въздухът в кутията се затопли, течността в манометъра ще започне да се движи (вижте фигурата).

Разширяващият се въздух работи върху течността. Благодарение на каква енергия се случва това? Разбира се, поради вътрешната енергия на гирята. Следователно в този експеримент наблюдаваме превръщането на вътрешната енергия на тялото в механична работа.Имайте предвид, че механичната енергия на тежестта в този експеримент не се променя - тя винаги е равна на нула.

Така, вътрешна енергия- това е такава енергия на тялото, поради която може да се извърши механична работа, без да причинява намаляване на механичната енергия на това тяло.

Вътрешната енергия на всяко тяло зависи от много причини: вида и състоянието на веществото му, масата и температурата на тялото и др. Всички тела имат вътрешна енергия: големи и малки, горещи и студени, твърди, течни и газообразни.

Най-лесно за нуждите на човека се използва вътрешната енергия само на, образно казано, горещи и горими вещества и тела. Това са нефт, газ, въглища, геотермални източници в близост до вулкани и т.н. Освен това през 20 век човекът се е научил да използва вътрешната енергия на така наречените радиоактивни вещества. Това са например уранът, плутоният и др.

Погледнете дясната страна на диаграмата. В популярната литература често се споменават топлинна, химическа, електрическа, атомна (ядрена) и други видове енергия. Всички те, като правило, са разновидности на вътрешна енергия, тъй като могат да се използват за извършване на механична работа, без да причиняват загуба на механична енергия. Ще разгледаме по-подробно понятието вътрешна енергия в по-нататъшното изучаване на физиката.

техните взаимодействия.

Вътрешната енергия е включена в баланс на енергийните трансформации в природата.След откриването на вътрешната енергия беше формулирано закон за запазване и преобразуване на енергията.Помислете за взаимното преобразуване на механична и вътрешна енергия. Оставете оловна топка да лежи върху оловна плоча. Нека го вдигнем и го пуснем. Когато вдигнахме топката, ние я информирахме за потенциалната енергия. Когато топката падне, тя намалява, защото топката пада все по-ниско и по-ниско. Но с увеличаване на скоростта кинетичната енергия на топката постепенно се увеличава. Потенциалната енергия на топката се преобразува в кинетична. Но тогава топката удари оловната плоча и спря. Неговата кинетична и потенциална енергия спрямо плочата станаха равни на нула. Разглеждайки топката и плочата след удара, ще видим, че състоянието им се е променило: топката е леко сплескана и върху плочата се е образувала малка вдлъбнатина; когато измерваме температурата им, установяваме, че са се затоплили.

Нагряването означава увеличаване на средната кинетична енергия на молекулите на тялото. По време на деформация се променя относителното положение на частиците на тялото и следователно се променя и тяхната потенциална енергия.

По този начин може да се твърди, че в резултат на удара на топката върху плочата механичната енергия, която топката притежава в началото на експеримента, се превръща в вътрешната енергия на тялото.

Не е трудно да се наблюдава обратният преход на вътрешна енергия в механична.

Например, ако вземете стъклен съд с дебели стени и изпомпвате въздух в него през дупка в тапата, тогава след известно време коркът ще излети от съда. В този момент в съда се образува мъгла. Появата на мъгла означава, че въздухът в съда е станал по-студен и съответно вътрешната му енергия е намаляла. Това се обяснява с факта, че сгъстеният въздух в съда, изтласквайки тапата (т.е. разширявайки се), свърши работата, като намали вътрешната си енергия. Кинетичната енергия на тапата се е увеличила поради вътрешната енергия на сгъстения въздух.

Така един от начините за промяна на вътрешната енергия на тялото е работата, извършена от молекулите на тялото (или други тела) върху дадено тяло. Начинът за промяна на вътрешната енергия без извършване на работа е пренос на топлина.

Вътрешна енергия на идеален едноатомен газ.

Тъй като молекулите на идеалния газ не взаимодействат една с друга, тяхната потенциална енергия се счита за нула. Вътрешната енергия на идеален газ се определя само от кинетичната енергия на произволното транслационно движение на неговите молекули. За да го изчислите, трябва да умножите средната кинетична енергия на един атом по броя на атомите . Като се има предвид това к N A = R, получаваме стойността на вътрешната енергия на идеален газ:

.

Вътрешната енергия на идеален едноатомен газ е право пропорционална на неговата температура. Ако използваме уравнението на Клапейрон-Менделеев, тогава изразът за вътрешната енергия на идеален газ може да бъде представен като:

.

Трябва да се отбележи, че според израза за средната кинетична енергия на един атом и поради произволността на движение, за всяка от трите възможни посоки на движение, или всяка степен на свобода, по оста х, Yи Зимат същата енергия.

Брой степени на свободае броят на възможните независими посоки на молекулярно движение.

Газ, всяка молекула на който се състои от два атома, се нарича двуатомен. Всеки атом може да се движи в три посоки, така че общият брой възможни посоки на движение е 6. Поради връзката между молекулите броят на степените на свобода намалява с една, следователно броят на степените на свобода за двуатомна молекула е пет.

Средната кинетична енергия на двуатомна молекула е. Съответно вътрешната енергия на идеален двуатомен газ е:

.

Формулите за вътрешната енергия на идеален газ могат да бъдат обобщени:

.

където азе броят на степените на свобода на газовите молекули ( аз= 3 за едноатомни и аз= 5 за двуатомен газ).

За идеалните газове вътрешната енергия зависи само от един макроскопичен параметър - температура и не зависи от обема, тъй като потенциалната енергия е нула (обемът определя средното разстояние между молекулите).

За реалните газове потенциалната енергия не е нула. Следователно вътрешната енергия в термодинамиката в общия случай се определя еднозначно от параметрите, характеризиращи състоянието на тези тела: обемът (V)и температура (T).

« Физика - 10 клас"

Топлинните явления могат да бъдат описани с помощта на количества (макроскопични параметри), измерени с инструменти като манометър и термометър. Тези устройства не реагират на въздействието на отделни молекули. Теорията на топлинните процеси, която не отчита молекулярната структура на телата, се нарича термодинамика. В термодинамиката процесите се разглеждат от гледна точка на превръщането на топлината в други форми на енергия.

Какво е вътрешна енергия.
Какви начини за промяна на вътрешната енергия знаете?

Термодинамиката е създадена в средата на 19 век. след откриването на закона за запазване на енергията. Тя се основава на концепцията вътрешна енергия. Самото наименование "вътрешен" предполага разглеждане на системата като ансамбъл от движещи се и взаимодействащи молекули. Нека се спрем на въпроса каква е връзката между термодинамиката и молекулярно-кинетичната теория.

Термодинамика и статистическа механика.

Първата научна теория за топлинните процеси не е молекулярно-кинетична теория, а термодинамика.

Термодинамиката възниква при изучаването на оптималните условия за използване на топлината за извършване на работа. Това се случва в средата на 19 век, много преди молекулярно-кинетичната теория да получи всеобщо признание. В същото време беше доказано, че наред с механичната енергия, макроскопичните тела имат и енергия, съдържаща се в самите тела.

Сега в науката и технологиите, при изучаването на топлинните явления, се използват както термодинамиката, така и молекулярно-кинетичната теория. В теоретичната физика се нарича молекулярно-кинетична теория статистическа механика

Термодинамиката и статистическата механика изучават едни и същи явления с различни методи и се допълват взаимно.

термодинамична системанаречен набор от взаимодействащи тела, които обменят енергия и материя.

Вътрешна енергия в молекулярно-кинетичната теория.

Основното понятие в термодинамиката е понятието вътрешна енергия.

Вътрешна енергия на тялото(системи) е сумата от кинетичната енергия на хаотичното топлинно движение на молекулите и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Механичната енергия на тялото (системата) като цяло не се включва във вътрешната енергия. Например вътрешната енергия на газовете в два еднакви съда при еднакви условия е еднаква независимо от движението на съдовете и разположението им един спрямо друг.

Почти невъзможно е да се изчисли вътрешната енергия на тялото (или нейната промяна), като се вземе предвид движението на отделните молекули и техните позиции една спрямо друга, поради огромния брой молекули в макроскопичните тела. Следователно е необходимо да може да се определи стойността на вътрешната енергия (или нейната промяна) в зависимост от макроскопични параметри, които могат да бъдат директно измерени.

Вътрешна енергия на идеален едноатомен газ.

Нека изчислим вътрешната енергия на идеален едноатомен газ.

Според модела молекулите на идеален газ не взаимодействат помежду си, следователно потенциалната енергия на тяхното взаимодействие е нула. Цялата вътрешна енергия на идеалния газ се определя от кинетичната енергия на произволното движение на неговите молекули.

За да изчислите вътрешната енергия на идеален едноатомен газ с маса m, трябва да умножите средната кинетична енергия на един атом по броя на атомите. Като се има предвид, че kN A = R, получаваме формулата за вътрешната енергия на идеален газ:

Вътрешната енергия на идеален едноатомен газ е право пропорционална на неговата абсолютна температура.

Не зависи от обема и други макроскопични параметри на системата.

Промяна във вътрешната енергия на идеален газ

т.е. определя се от температурите на началното и крайното състояние на газа и не зависи от процеса.

Ако идеалният газ се състои от по-сложни молекули от едноатомния, тогава неговата вътрешна енергия също е пропорционална на абсолютната температура, но коефициентът на пропорционалност между U и T е различен. Това се обяснява с факта, че сложните молекули не само се движат напред, но също така се въртят и осцилират около своите равновесни позиции. Вътрешната енергия на такива газове е равна на сумата от енергиите на транслационните, ротационните и вибрационните движения на молекулите. Следователно вътрешната енергия на многоатомен газ е по-голяма от енергията на едноатомен газ при същата температура.

Зависимост на вътрешната енергия от макроскопични параметри.

Установихме, че вътрешната енергия на идеалния газ зависи от един параметър – температурата.

За реални газове, течности и твърди тела, средната потенциална енергия на взаимодействие на молекулите не е равно на нула. Вярно, че за газовете тя е много по-малка от средната кинетична енергия на молекулите, но за твърди и течни тела е сравнима с нея.

Средната потенциална енергия на взаимодействие на газовите молекули зависи от обема на веществото, тъй като когато обемът се промени, средното разстояние между молекулите се променя. Следователно, вътрешната енергия на реален газ в термодинамиката обикновено зависи, заедно с температурата T, от обема V.

Може ли да се твърди, че вътрешната енергия на истински газ зависи от налягането, въз основа на факта, че налягането може да бъде изразено чрез температурата и обема на газа.

Стойностите на макроскопичните параметри (температури T на обема V и т.н.) недвусмислено определят състоянието на телата. Следователно те определят и вътрешната енергия на макроскопичните тела.

Вътрешната енергия U на макроскопичните тела се определя еднозначно от параметрите, характеризиращи състоянието на тези тела: температура и обем.

Според MKT всички вещества са съставени от частици, които са в непрекъснато топлинно движение и взаимодействат помежду си. Следователно, дори ако тялото е неподвижно и има нулева потенциална енергия, то има енергия (вътрешна енергия), която е общата енергия на движение и взаимодействие на микрочастиците, които изграждат тялото. Съставът на вътрешната енергия включва:

1. кинетична енергия на транслационно, ротационно и вибрационно движение на молекули;
2. потенциална енергия на взаимодействие на атоми и молекули;
3. вътрешноатомна и вътрешноядрена енергия.

В термодинамиката процесите се разглеждат при температури, при които не се възбужда колебателното движение на атомите в молекулите, т.е. при температури не по-високи от 1000 К. При тези процеси се променят само първите два компонента на вътрешната енергия. Ето защо

под вътрешна енергияв термодинамиката те разбират сумата от кинетичната енергия на всички молекули и атоми на едно тяло и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Вътрешната енергия на тялото определя топлинното му състояние и се променя при прехода от едно състояние в друго. В дадено състояние тялото има точно определена вътрешна енергия, независеща от процеса, в резултат на който е преминало в това състояние. Следователно вътрешната енергия много често се нарича функция на състоянието на тялото.

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

където аз- степен на свобода. За едноатомен газ (например инертни газове) аз= 3, за двуатомни - аз = 5.

От тези формули се вижда, че вътрешната енергия на идеален газ зависи само от температурата и броя на молекулитеи не зависи от обема или налягането. Следователно промяната във вътрешната енергия на идеалния газ се определя само от промяната в неговата температура и не зависи от естеството на процеса, при който газът преминава от едно състояние в друго:

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

където ∆ T = T 2 - T 1 .

• Молекулите на реалните газове взаимодействат една с друга и следователно имат потенциална енергия У p , което зависи от разстоянието между молекулите и, следователно, от обема, зает от газа. Така вътрешната енергия на реалния газ зависи от неговата температура, обем и молекулна структура.

*Извеждане на формулата

Средна кинетична енергия на молекула \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Броят на молекулите в газа \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Следователно вътрешната енергия на идеален газ

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

Като се има предвид това k⋅NА= Ре универсалната газова константа, която имаме

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) е вътрешната енергия на идеален газ.

Промяна във вътрешната енергия

За решаването на практически проблеми важна роля играе не самата вътрешна енергия, а нейната промяна Δ U = U 2 - Uедин . Промяната във вътрешната енергия се изчислява въз основа на законите за запазване на енергията.

Вътрешната енергия на тялото може да се промени по два начина:

1. При направата механична работа. а) Ако външна сила причини деформация на тялото, тогава разстоянията между частиците, от които се състои, се променят и следователно се променя потенциалната енергия на взаимодействието на частиците. При нееластични деформации освен това се променя температурата на тялото, т.е. кинетичната енергия на топлинното движение на частиците се променя. Но когато тялото се деформира, се извършва работа, която е мярка за изменението на вътрешната енергия на тялото. б) Вътрешната енергия на едно тяло се променя и при нееластичен сблъсък с друго тяло. Както видяхме по-рано, по време на нееластичен сблъсък на тела тяхната кинетична енергия намалява, превръща се във вътрешна енергия (например, ако ударите няколко пъти с чук върху тел, разположена върху наковалня, телта ще се нагрее). Мярката за промяна на кинетичната енергия на тялото, според теоремата за кинетичната енергия, е работата на действащите сили. Тази работа може да служи и като мярка за промени във вътрешната енергия. в) Промяната във вътрешната енергия на тялото става под действието на силата на триене, тъй като, както е известно от опита, триенето винаги е придружено от промяна в температурата на триещите се тела. Работата на силата на триене може да служи като мярка за изменението на вътрешната енергия.
2. С помощ пренос на топлина. Например, ако тяло се постави в пламък на горелка, температурата му ще се промени и следователно вътрешната му енергия също ще се промени. Тук обаче не се работеше, защото нямаше видимо движение нито на самото тяло, нито на неговите части.

Промяната във вътрешната енергия на система без извършване на работа се нарича топлообмен(пренос на топлина).

Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване.

а) топлопроводимосте процесът на топлообмен между тела (или части на тялото) при техния пряк контакт, дължащ се на термичното хаотично движение на частиците на тялото. Амплитудата на трептенията на молекулите на твърдото тяло е толкова по-голяма, колкото по-висока е температурата му. Топлинната проводимост на газовете се дължи на обмена на енергия между газовите молекули по време на техния сблъсък. При течностите работят и двата механизма. Топлинната проводимост на веществото е максимална в твърдо състояние и минимална в газообразно състояние.

б) Конвекцияе пренос на топлина чрез нагрети потоци течност или газ от една част от обема, който те заемат, към друга.

в) Пренос на топлина при радиацияизвършва се от разстояние с помощта на електромагнитни вълни.

Нека разгледаме по-подробно как да променим вътрешната енергия.

механична работа

При разглеждането на термодинамичните процеси не се взема предвид механичното движение на макротелата като цяло. Понятието работа тук се свързва с изменение на обема на тялото, т.е. движещи се части на макротялото една спрямо друга. Този процес води до промяна на разстоянието между частиците, а също често и до промяна в скоростта на тяхното движение, следователно до промяна във вътрешната енергия на тялото.

изобарен процес

Разгледайте първо изобарния процес. Нека има газ в цилиндър с подвижно бутало при температура T 1 (фиг. 1).

Бавно ще загреем газа до температура T 2. Газът ще се разшири изобарно и буталото ще се премести от позиция 1 в позиция 2 разстояние Δ л. В този случай силата на натиск на газа ще върши работа върху външни тела. защото стр= const, тогава силата на натиск Е = p⋅Sсъщо постоянен. Следователно работата на тази сила може да се изчисли по формулата

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

където ∆ V- промяна в обема на газа.

• Ако обемът на газа не се променя (изохорен процес), тогава извършената от газа работа е нула.

• Газът работи само в процеса на промяна на обема си.

При разширяване (Δ V> 0) върху газа се извършва положителна работа ( НО> 0); под компресия (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (НО < 0).

• Ако разгледаме работата на външните сили А " (НО " = –НО), след това с разширението (Δ V> 0) газ НО " < 0); при сжатии (ΔV < 0) НО " > 0.

Нека напишем уравнението на Клапейрон-Менделеев за две газови състояния:

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

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

Следователно при изобарен процес

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

Ако ν = 1 mol, тогава при Δ Τ = 1 K получаваме това Ре числено равно на А.

Оттук следва физичен смисъл на универсалната газова константа: числено е равна на работата, извършена от 1 мол идеален газ, когато той се нагрява изобарно с 1 K.

Не е изобарен процес

На графиката стр (V) в изобарен процес работата е равна на площта на правоъгълника, оцветен на фигура 2, a.

Ако процесът не е изобарен(фиг. 2, b), след това функционалната крива стр = f(V) може да бъде представена като прекъсната линия, състояща се от голям брой изохори и изобари. Работата върху изохорните сечения е равна на нула, а общата работа върху всички изобарни сечения ще бъде равна на

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

тези. ще бъде равно на площ на защрихованата фигура.

При изотермичен процес (T= const) работата е равна на площта на защрихованата фигура, показана на фигура 2, c.

Възможно е да се определи работата с помощта на последната формула само ако е известно как се променя налягането на газа с промяна в неговия обем, т.е. формата на функцията е известна стр = f(V).

По този начин е ясно, че дори при същата промяна в обема на газа, работата ще зависи от метода на преход (т.е. от процеса: изотермичен, изобарен ...) от първоначалното състояние на газа към крайното. Следователно може да се заключи, че

• Работата в термодинамиката е функция на процес, а не функция на състояние.

Количество топлина

Както знаете, по време на различни механични процеси има промяна в механичната енергия У. Мярката за промяна на механичната енергия е работата на силите, приложени към системата:

\(~\DeltaW = A.\)

По време на пренос на топлина настъпва промяна във вътрешната енергия на тялото. Мярката за промяна на вътрешната енергия по време на пренос на топлина е количеството топлина.

Количество топлинае мярка за промяната във вътрешната енергия по време на пренос на топлина.

По този начин работата и количеството топлина характеризират промяната в енергията, но не са идентични с вътрешната енергия. Те не характеризират състоянието на самата система (както вътрешната енергия), но определят процеса на преминаване на енергия от една форма в друга (от едно тяло в друго), когато състоянието се променя и по същество зависят от естеството на процеса.

Основната разлика между работа и топлина е, че

• работата характеризира процеса на промяна на вътрешната енергия на системата, придружен от трансформация на енергия от един вид в друг (от механична към вътрешна);
• количеството топлина характеризира процеса на прехвърляне на вътрешна енергия от едно тяло към друго (от по-нагрято към по-малко нагрято), което не е придружено от енергийни трансформации.

Отопление (охлаждане)

Опитът показва, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тяло с маса мтемпература T 1 до температура T 2 се изчислява по формулата

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

където ° С- специфичен топлинен капацитет на веществото (таблична стойност);

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

Единицата SI за специфична топлина е джаул на килограм-Келвин (J/(kg K)).

Специфична топлина ° Се числено равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с маса 1 kg, за да се нагрее с 1 K.

В допълнение към специфичния топлинен капацитет се взема предвид и такова количество като топлинния капацитет на тялото.

Топлинен капацитеттяло ° Счислено равно на количеството топлина, необходимо за промяна на телесната температура с 1 K:

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

Единицата SI за топлинен капацитет на тялото е джаул на келвин (J/K).

Изпаряване (кондензация)

За да се превърне течността в пара при постоянна температура, необходимото количество топлина е

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

където Л- специфична топлина на изпарение (таблична стойност). Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на изпарение е джаул на килограм (J/kg).

Топене (кристализация)

За да се стопи кристално тяло с маса мпри точката на топене е необходимо тялото да отчете количеството топлина

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

където λ - специфична топлина на топене (таблична стойност). При кристализацията на едно тяло се отделя същото количество топлина.

Единицата SI за специфична топлина на топене е джаул на килограм (J/kg).

изгаряне на гориво

Количеството топлина, което се отделя по време на пълното изгаряне на горивната маса м,

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

където р- специфична топлина на изгаряне (таблична стойност).

Единицата SI за специфична топлина на изгаряне е джаул на килограм (J/kg).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в гимназията: теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, осигуряващи общ. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и възпитание, 2004. - С. 129-133, 152-161.

Теми на USE кодификатораКлючови думи: вътрешна енергия, топлообмен, видове топлообмен.

Частиците на всяко тяло - атоми или молекули - извършват хаотично непрекъснато движение (т.нар. топлинно движение). Следователно всяка частица има известна кинетична енергия.

В допълнение, частиците на материята взаимодействат помежду си чрез силите на електрическо привличане и отблъскване, както и чрез ядрени сили. Следователно цялата система от частици на дадено тяло също има потенциална енергия.

Кинетичната енергия на топлинното движение на частиците и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие заедно образуват нов вид енергия, която не се свежда до механичната енергия на тялото (т.е. кинетичната енергия на движението на тялото като цяло и потенциалната енергия на взаимодействието му с други тела). Този вид енергия се нарича вътрешна енергия.

Вътрешната енергия на тялото е общата кинетична енергия на топлинното движение на неговите частици плюс потенциалната енергия на тяхното взаимодействие една с друга.

Вътрешната енергия на термодинамичната система е сумата от вътрешните енергии на телата, включени в системата.

Така вътрешната енергия на тялото се формира от следните термини.

1. Кинетична енергия на непрекъснато хаотично движение на частици от тялото.
2. Потенциална енергия на молекулите (атомите), дължаща се на силите на междумолекулно взаимодействие.
3. Енергия на електроните в атомите.
4. Вътрешноядрена енергия.

В случая на най-простия модел на материята - идеален газ - може да се получи ясна формула за вътрешната енергия.

Вътрешна енергия на едноатомен идеален газ

Потенциалната енергия на взаимодействие между частиците на идеалния газ е нула (припомнете си, че в модела на идеалния газ пренебрегваме взаимодействието на частиците на разстояние). Следователно вътрешната енергия на моноатомен идеален газ се свежда до общата кинетична енергия на транслационния (за многоатомен газ трябва също да се вземе предвид въртенето на молекулите и вибрациите на атомите в молекулите) на неговите атоми. Тази енергия може да се намери чрез умножаване на броя на газовите атоми по средната кинетична енергия на един атом:

Виждаме, че вътрешната енергия на идеален газ (чиито маса и химичен състав са непроменени) е функция само на неговата температура. За истински газ, течност или твърдо вещество, вътрешната енергия също ще зависи от обема - в края на краищата, когато обемът се промени, относителната позиция на частиците се променя и в резултат на това потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.

Статусна функция

Най-важното свойство на вътрешната енергия е, че тя е държавна функциятермодинамична система. А именно вътрешната енергия се определя еднозначно от набор от макроскопични параметри, характеризиращи системата и не зависи от "предисторията" на системата, т.е. върху състоянието, в което системата е била преди това и как точно се е озовала в това състояние.

И така, по време на прехода на система от едно състояние в друго, промяната на нейната вътрешна енергия се определя само от началното и крайното състояние на системата и не зависиот пътя на прехода от първоначалното състояние към крайното. Ако системата се върне в първоначалното си състояние, тогава промяната в нейната вътрешна енергия е нула.

Опитът показва, че има само два начина за промяна на вътрешната енергия на тялото:

Извършване на механична работа;
пренос на топлина.

Просто казано, можете да затоплите чайника само по два фундаментално различни начина: да го разтриете с нещо или да го запалите :-) Нека разгледаме тези методи по-подробно.

Промяна във вътрешната енергия: извършване на работа

Ако се свърши работа по-горетяло, вътрешната енергия на тялото се увеличава.

Например, пирон след удар с чук се нагрява и малко се деформира. Но температурата е мярка за средната кинетична енергия на частиците на тялото. Нагряването на пирон показва увеличаване на кинетичната енергия на неговите частици: всъщност частиците се ускоряват от удар с чук и от триене на пирон срещу дъската.

Деформацията не е нищо друго освен изместване на частици една спрямо друга; След удара нокътят претърпява компресионна деформация, частиците му се приближават една към друга, нарастват силите на отблъскване между тях и това води до увеличаване на потенциалната енергия на частиците на ноктите.

И така, вътрешната енергия на нокътя се е увеличила. Това беше резултат от работата, извършена върху него - работата беше извършена от чука и силата на триене върху дъската.

Ако работата е свършена самитяло, тогава вътрешната енергия на тялото намалява.

Нека, например, сгъстен въздух в термично изолиран съд под бутало се разширява и повдига определен товар, като по този начин извършва работа (процесът в термично изолиран съд се нарича адиабатен. Ще изучаваме адиабатичния процес, като вземем предвид първия закон на термодинамиката). По време на такъв процес въздухът ще се охлади - неговите молекули, удряйки се след движещото се бутало, му дават част от своята кинетична енергия. (По същия начин футболист, спирайки бързо летяща топка с крак, прави движение с крак оттопка и изгасва нейната скорост.) Следователно вътрешната енергия на въздуха намалява.

По този начин въздухът извършва работа благодарение на вътрешната си енергия: тъй като съдът е термично изолиран, няма приток на енергия към въздуха от външни източници и въздухът може да черпи енергия за извършване на работа само от собствените си резерви.

Промяна във вътрешната енергия: пренос на топлина

Преносът на топлина е процесът на предаване на вътрешна енергия от по-горещо тяло към по-студено, което не е свързано с извършването на механична работа.. Преносът на топлина може да се извърши или чрез директен контакт на телата, или чрез междинна среда (и дори чрез вакуум). Топлообменът също се нарича топлообмен.

Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и топлинно излъчване.

Сега ще ги разгледаме по-подробно.

Топлопроводимост

Ако поставите железен прът с единия край в огъня, тогава, както знаем, не можете да го държите в ръката си дълго време. Попадайки в зоната на висока температура, атомите на желязото започват да вибрират по-интензивно (т.е. придобиват допълнителна кинетична енергия) и нанасят по-силни удари на своите съседи.

Кинетичната енергия на съседните атоми също се увеличава и сега тези атоми предават допълнителна кинетична енергия на своите съседи. И така, от секция на секция, топлината постепенно се разпространява по пръта - от края, поставен в огъня, до ръката ни. Това е топлопроводимост (Фиг. 1) (Изображение от educationelectronicsusa.com).

Ориз. 1. Топлопроводимост

Топлинната проводимост е преносът на вътрешна енергия от по-нагретите части на тялото към по-малко нагрятите поради топлинното движение и взаимодействието на частиците на тялото..

Топлопроводимостта на различните вещества е различна. Металите имат висока топлопроводимост: среброто, медта и златото са най-добрите проводници на топлина. Топлопроводимостта на течностите е много по-малка. Газовете провеждат топлина толкова зле, че вече принадлежат към топлоизолаторите: поради големите разстояния между тях газовите молекули взаимодействат слабо една с друга. Ето защо например се правят двойни рамки в прозорците: въздушен слой предотвратява изтичането на топлина).

Следователно порестите тела, като тухли, вълна или козина, са лоши проводници на топлина. Те съдържат въздух в порите си. Нищо чудно, че тухлените къщи се считат за най-топлите, а в студено време хората носят кожени палта и якета със слой от пух или полиестер.

Но ако въздухът провежда топлина толкова лошо, тогава защо стаята се затопля от батерията?

Това се случва поради друг вид топлообмен - конвекция.

Конвекция

Конвекцията е пренос на вътрешна енергия в течности или газове в резултат на циркулация на потоци и смесване на материята.

Въздухът в близост до батерията се нагрява и разширява. Силата на гравитацията, действаща върху този въздух, остава същата, но подемната сила от околния въздух се увеличава, така че нагрятият въздух започва да се носи към тавана. На негово място идва студен въздух (същият процес, но в много по-големи мащаби, постоянно се случва в природата: така възниква вятърът), с който се повтаря същото.

В резултат на това се установява циркулация на въздуха, която служи като пример за конвекция - разпределението на топлината в помещението се осъществява от въздушни течения.

Напълно аналогичен процес може да се наблюдава в течност. Когато поставите чайник или тенджера с вода на котлона, водата се нагрява предимно поради конвекция (тук приносът на топлопроводимостта на водата е много незначителен).

Конвекционните токове във въздуха и течността са показани на фиг. 2 (изображения от physics.arizona.edu).

Ориз. 2. Конвекция

В твърдите тела няма конвекция: силите на взаимодействие на частиците са големи, частиците осцилират близо до фиксирани пространствени точки (възлите на кристалната решетка) и при такива условия не могат да се образуват потоци от материя.

За циркулацията на конвекционни течения при отопление на стая е необходимо нагрятият въздух имаше място за плаване. Ако радиаторът е монтиран под тавана, тогава няма да има циркулация - топъл въздух ще остане под тавана. Затова се поставят отоплителни уреди на дънотостаи. По същата причина сложиха и чайника наогън, в резултат на което нагрятите слоеве вода, издигайки се, отстъпват място на по-студени.

Напротив, климатикът трябва да бъде поставен възможно най-високо: тогава охладеният въздух ще започне да потъва и на негово място ще дойде по-топъл въздух. Циркулацията ще върви в обратна посока в сравнение с движението на потоците при отопление на помещението.

топлинно излъчване

Как Земята получава енергия от Слънцето? Топлопроводимостта и конвекцията са изключени: делят ни 150 милиона километра безвъздушно пространство.

Ето третия вид топлопредаване - топлинно излъчване. Радиацията може да се разпространява както в материя, така и във вакуум. Как възниква?

Оказва се, че електрическите и магнитните полета са тясно свързани помежду си и имат едно забележително свойство. Ако електрическото поле се променя с времето, то генерира магнитно поле, което, най-общо казано, също се променя с времето (повече за това ще бъде обсъдено в листовката за електромагнитната индукция). На свой ред променливото магнитно поле генерира променливо електрическо поле, което отново генерира променливо магнитно поле, което отново генерира променливо електрическо поле...

В резултат на развитието на този процес, електромагнитна вълна- "закачени" едно за друго електрически и магнитни полета. Подобно на звука, електромагнитните вълни имат скорост и честота на разпространение - в този случай това е честотата, с която величините и посоките на полетата се колебаят във вълната. Видимата светлина е частен случай на електромагнитните вълни.

Скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум е огромна: km/s. И така, от Земята до Луната светлината пътува малко повече от секунда.

Честотният диапазон на електромагнитните вълни е много широк. Ще говорим повече за мащаба на електромагнитните вълни в съответния лист. Тук само отбелязваме, че видимата светлина е малък диапазон от този мащаб. Под него се намират честотите на инфрачервеното лъчение, отгоре - честотите на ултравиолетовото лъчение.

Спомнете си сега, че атомите, като цяло са електрически неутрални, съдържат положително заредени протони и отрицателно заредени електрони. Тези заредени частици, извършвайки хаотично движение заедно с атомите, създават променливи електрически полета и по този начин излъчват електромагнитни вълни. Тези вълни се наричат топлинно излъчване- като напомняне, че техният източник е топлинното движение на частиците на материята.

Всяко тяло е източник на топлинно излъчване. В този случай радиацията отнема част от вътрешната му енергия. Срещайки атомите на друго тяло, радиацията ги ускорява с осцилиращото си електрическо поле и вътрешната енергия на това тяло се увеличава. Така се припичаме на слънце.

При обикновени температури честотите на топлинното излъчване са в инфрачервения диапазон, така че окото не го възприема (ние не виждаме как „светим“). Когато едно тяло се нагрее, неговите атоми започват да излъчват вълни с по-високи честоти. Железният пирон може да бъде нажежен до червено - доведен до такава температура, че топлинното му излъчване ще премине в долната (червена) част на видимия диапазон. И Слънцето ни се струва жълто-бяло: температурата на повърхността на Слънцето е толкова висока, че в спектъра на излъчването му има всички честоти на видимата светлина и дори ултравиолетовата, благодарение на която правим слънчеви бани.

Нека да разгледаме още веднъж трите вида пренос на топлина (Фигура 3) (изображения от beodom.com).

Ориз. 3. Три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване