Formula za unutarnju energiju. Unutarnja energija i načini njezine promjene

Pogodno je razmatrati jedan ili drugi fizikalni fenomen ili klasu fenomena koristeći modele različitih stupnjeva aproksimacije. Primjerice, pri opisu ponašanja plina koristi se fizikalni model – idealni plin.

Svaki model ima granice primjenjivosti, izvan kojih ga je potrebno doraditi ili primijeniti složenije opcije. Ovdje razmatramo jednostavan slučaj opisivanja unutarnje energije fizičkog sustava na temelju najbitnijih svojstava plinova unutar određenih granica.

Idealan plin

Ovaj fizički model, radi lakšeg opisa nekih temeljnih procesa, pojednostavljuje stvarni plin na sljedeći način:

• Zanemaruje veličinu molekula plina. To znači da postoje pojave za koje ovaj parametar nije bitan za adekvatan opis.
• Zanemaruje međumolekularne interakcije, odnosno prihvaća da se one u procesima koji ga zanimaju pojavljuju u zanemarivim vremenskim intervalima i ne utječu na stanje sustava. U tom slučaju međudjelovanja imaju karakter apsolutno elastičnog udara, pri čemu nema gubitka energije zbog deformacija.
• Zanemaruje interakciju molekula sa stijenkama spremnika.
• Prihvaća da je sustav "plin-rezervoar" karakteriziran termodinamičkom ravnotežom.

Takav je model prikladan za opisivanje stvarnih plinova ako su tlakovi i temperature relativno niski.

Energetsko stanje fizičkog sustava

Svaki makroskopski fizički sustav (tijelo, plin ili tekućina u posudi) ima, osim vlastite kinetičke i potencijalne, još jednu vrstu energije - unutarnju. Ta se vrijednost dobiva zbrajanjem energija svih podsustava koji čine fizički sustav – molekula.

Svaka molekula u sastavu plina također ima svoju potencijalnu i kinetičku energiju. Potonji je posljedica kontinuiranog kaotičnog toplinskog gibanja molekula. Razne interakcije među njima (električno privlačenje, odbijanje) određene su potencijalnom energijom.

Mora se imati na umu da ako energetsko stanje bilo kojeg dijela fizičkog sustava nema nikakvog utjecaja na makroskopsko stanje sustava, onda se ono ne uzima u obzir. Na primjer, u normalnim uvjetima nuklearna energija se ne očituje u promjenama stanja fizičkog objekta, pa je ne treba uzimati u obzir. Ali pri visokim temperaturama i pritiscima to već treba učiniti.

Dakle, unutarnja energija tijela odražava prirodu kretanja i interakcije njegovih čestica. To znači da je ovaj pojam sinonim za često korišteni pojam "toplinska energija".

Jednoatomski plinovi, odnosno oni čiji atomi nisu spojeni u molekule, postoje u prirodi - to su inertni plinovi. Plinovi poput kisika, dušika ili vodika mogu postojati u takvom stanju samo u uvjetima kada se izvana troši energija za stalno obnavljanje tog stanja, budući da su njihovi atomi kemijski aktivni i nastoje se spojiti u molekulu.

Razmotrimo energetsko stanje monatomskog idealnog plina smještenog u posudu nekog volumena. Ovo je najjednostavniji slučaj. Sjetimo se da je elektromagnetska interakcija atoma između sebe i sa stijenkama posude, a time i njihova potencijalna energija, zanemariva. Dakle, unutarnja energija plina uključuje samo zbroj kinetičkih energija njegovih atoma.

Može se izračunati množenjem prosječne kinetičke energije atoma u plinu s njihovim brojem. Prosječna energija jednaka je E \u003d 3/2 x R / N A x T, gdje je R univerzalna plinska konstanta, N A Avogadrov broj, T apsolutna temperatura plina. Broj atoma izračunava se množenjem količine materije s Avogadrovom konstantom. Unutarnja energija monoatomskog plina bit će jednaka U \u003d N A x m / M x 3/2 x R / N A x T \u003d 3/2 x m / M x RT. Ovdje je m masa, a M je molarna masa plina.

Pretpostavimo da kemijski sastav plina i njegova masa uvijek ostaju isti. U ovom slučaju, kao što se vidi iz formule koju smo dobili, unutarnja energija ovisi samo o temperaturi plina. Za pravi plin, osim temperature, potrebno je uzeti u obzir i promjenu volumena, jer ona utječe na potencijalnu energiju atoma.

Molekularni plinovi

U gornjoj formuli broj 3 karakterizira broj stupnjeva slobode gibanja monoatomske čestice - određen je brojem koordinata u prostoru: x, y, z. Za stanje jednoatomskog plina općenito je svejedno rotiraju li njegovi atomi.

Molekule su, s druge strane, sferno asimetrične, pa se pri određivanju energetskog stanja molekularnih plinova mora uzeti u obzir kinetička energija njihove rotacije. Dvoatomne molekule, osim navedenih stupnjeva slobode povezanih s translatornim gibanjem, imaju još dva povezana s rotacijom oko dviju međusobno okomitih osi; višeatomne molekule imaju tri takve neovisne osi rotacije. Posljedično, čestice dvoatomnih plinova karakterizira broj stupnjeva slobode f=5, dok je za višeatomne molekule f=6.

Zbog nasumičnosti svojstvene toplinskom gibanju, svi smjerovi i rotacijskog i translatornog gibanja apsolutno su jednako vjerojatni. Prosječna kinetička energija koju pridonosi svaka vrsta gibanja je ista. Stoga možemo zamijeniti vrijednost f u formulu, koja nam omogućuje izračunavanje unutarnje energije idealnog plina bilo kojeg molekularnog sastava: U = f / 2 x m / M x RT.

Naravno, iz formule vidimo da ta vrijednost ovisi o količini tvari, odnosno o tome koliko smo i kakav plin uzeli, kao i o strukturi molekula tog plina. No, kako smo se dogovorili da ne mijenjamo masu i kemijski sastav, trebamo voditi računa samo o temperaturi.

Sada razmislite kako je vrijednost U povezana s drugim karakteristikama plina - volumenom, kao i tlakom.

Unutarnja energija i termodinamičko stanje

Temperatura je, kao što znate, jedno od stanja sustava (u ovom slučaju plina). U idealnom plinu, povezan je s tlakom i volumenom relacijom PV = m / M x RT (tzv. Clapeyron-Mendeleev jednadžba). Temperatura određuje toplinsku energiju. Dakle, potonje se može izraziti u smislu skupa drugih parametara stanja. Ono je ravnodušno prema prethodnom stanju, kao i prema načinu na koji se ono mijenja.

Pogledajmo kako se unutarnja energija mijenja kada sustav prelazi iz jednog termodinamičkog stanja u drugo. Njegova promjena u svakom takvom prijelazu određena je razlikom između početne i konačne vrijednosti. Ako se sustav nakon nekog međustanja vratio u prvobitno stanje, tada će ta razlika biti jednaka nuli.

Pretpostavimo da smo zagrijali plin u spremniku (odnosno, doveli smo mu dodatnu energiju). Termodinamičko stanje plina se promijenilo: porasli su mu temperatura i tlak. Ovaj proces ide bez promjene glasnoće. Povećala se unutarnja energija našeg plina. Nakon toga je naš plin predao dovedenu energiju, hladeći se u prvobitno stanje. Čimbenik kao što je, na primjer, brzina ovih procesa, neće biti važan. Rezultirajuća promjena unutarnje energije plina pri bilo kojoj brzini zagrijavanja i hlađenja jednaka je nuli.

Važna stvar je da ista vrijednost toplinske energije može odgovarati ne jednom, već nekoliko termodinamičkih stanja.

Priroda promjene toplinske energije

Da bi se promijenila energija, mora se raditi. Rad može izvršiti sam plin ili vanjska sila.

U prvom slučaju, utrošak energije za obavljanje rada je posljedica unutarnje energije plina. Na primjer, imali smo komprimirani plin u spremniku s klipom. Ako se klip otpusti, ekspandirajući plin će ga početi podizati vršeći rad (da bi bio koristan, pustite klip da podigne neku vrstu tereta). Unutarnja energija plina smanjit će se za količinu potrošenu na rad protiv gravitacije i sila trenja: U 2 = U 1 - A. U ovom slučaju, rad plina je pozitivan, budući da je smjer sile koja djeluje na klip poklapa se sa smjerom kretanja klipa.

Počnimo spuštati klip, radeći protiv sile tlaka plina i opet protiv sile trenja. Tako ćemo plinu priopćiti određenu količinu energije. Ovdje se rad vanjskih sila već smatra pozitivnim.

Osim mehaničkog rada, postoji i takav način da se plinu oduzme energija ili da mu se energija preda, kao što smo to već susreli na primjeru zagrijavanja plina. Energija koja se prenosi na plin tijekom procesa prijenosa topline naziva se količina topline. Postoje tri vrste prijenosa topline: kondukcija, konvekcija i prijenos zračenjem. Razmotrimo ih malo detaljnije.

Toplinska vodljivost

Sposobnost tvari za izmjenu topline koju provode njezine čestice međusobnim prijenosom kinetičke energije tijekom međusobnih sudara tijekom toplinskog gibanja je toplinska vodljivost. Ako se određeno područje tvari zagrije, odnosno preda mu se određena količina topline, unutarnja energija će se nakon nekog vremena, kroz sudar atoma ili molekula, u prosjeku ravnomjerno rasporediti na sve čestice.

Jasno je da toplinska vodljivost jako ovisi o učestalosti sudara, a ona pak o prosječnoj udaljenosti između čestica. Stoga se plin, osobito idealni plin, odlikuje vrlo niskom toplinskom vodljivošću, pa se to svojstvo često koristi za toplinsku izolaciju.

Od pravih plinova, toplinska vodljivost je veća za one čije su molekule najlakše i ujedno višeatomne. Taj uvjet u najvećoj mjeri ispunjava molekularni vodik, a u najmanjoj mjeri radon kao najteži jednoatomski plin. Što je plin rjeđi, lošiji je vodič topline.

Općenito, prijenos energije toplinskom vodljivošću za idealan plin vrlo je neučinkovit proces.

Konvekcija

Mnogo učinkovitiji za plin kao što je konvekcija, u kojoj se unutarnja energija distribuira kroz protok materije koja cirkulira u gravitacijskom polju. vrući plin nastaje zbog Arhimedove sile, jer je manje gustoće zbog vrućeg plina koji se kreće prema gore stalno zamjenjuje hladnijim - uspostavlja se kruženje plinskih tokova. Stoga, kako bi se osiguralo učinkovito, odnosno najbrže zagrijavanje putem konvekcije, potrebno je plinski spremnik zagrijati odozdo - kao kuhalo za vodu s vodom.

Ako je plinu potrebno oduzeti određenu količinu topline, tada je učinkovitije postaviti hladnjak na vrh, jer će plin koji je dao energiju hladnjaku jurnuti prema dolje pod utjecajem gravitacije.

Primjer konvekcije u plinu je zagrijavanje unutarnjeg zraka pomoću sustava grijanja (smještaju se u prostoriji što je moguće niže) ili hlađenje pomoću klima uređaja, au prirodnim uvjetima pojava toplinske konvekcije uzrokuje kretanje zraka mase i utječe na vrijeme i klimu.

U nedostatku gravitacije (s bestežinskim stanjem u svemirskoj letjelici) ne uspostavlja se konvekcija, odnosno kruženje strujanja zraka. Stoga nema smisla paliti plinske plamenike ili šibice u svemirskoj letjelici: vrući proizvodi izgaranja neće se ispuštati prema gore, a kisik će se dovoditi u izvor vatre, a plamen će ugasiti.

prijenos zračenja

Tvar se može zagrijati i pod djelovanjem toplinskog zračenja, kada atomi i molekule dobivaju energiju apsorbirajući elektromagnetske kvante - fotone. Na niskim frekvencijama fotona ovaj proces nije vrlo učinkovit. Podsjetimo se da kada otvorimo mikrovalnu pećnicu unutra nalazimo vruću hranu, ali ne i vrući zrak. S povećanjem frekvencije zračenja povećava se i učinak grijanja zračenjem, na primjer, u gornjoj atmosferi Zemlje, vrlo razrijeđeni plin se intenzivno zagrijava i ionizira sunčevim ultraljubičastim zračenjem.

Različiti plinovi apsorbiraju toplinsko zračenje u različitim stupnjevima. Dakle, voda, metan, ugljični dioksid apsorbiraju ga prilično snažno. Na ovom se svojstvu temelji fenomen efekta staklenika.

Prvi zakon termodinamike

Općenito govoreći, promjena unutarnje energije zagrijavanjem plina (prijenos topline) također se svodi na vršenje rada bilo nad molekulama plina bilo nad njima pomoću vanjske sile (koja se označava na isti način, ali sa suprotnim predznakom ). Kakav se rad obavlja na ovaj način prijelaza iz jednog stanja u drugo? Odgovor na to pitanje pomoći će nam zakon održanja energije, točnije njegova konkretizacija u odnosu na ponašanje termodinamičkih sustava – prvi zakon termodinamike.

Zakon, odnosno univerzalni princip održanja energije, u svom najopćenitijem obliku kaže da se energija ne rađa ni iz čega i ne nestaje bez traga, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi. U odnosu na termodinamički sustav, ovo treba shvatiti na način da se rad koji obavlja sustav izražava u smislu razlike između količine topline koja je privedena sustavu (idealni plin) i promjene njegove unutarnje energije. Drugim riječima, količina topline koja se prenosi plinu troši se za ovu promjenu i za rad sustava.

U obliku formula, to je napisano mnogo jednostavnije: dA = dQ - dU, i, prema tome, dQ = dU + dA.

Već znamo da te količine ne ovise o načinu na koji se vrši prijelaz između stanja. Brzina ovog prijelaza i, kao rezultat toga, učinkovitost ovisi o metodi.

Što se tiče drugog zakona termodinamike, on određuje smjer promjene: toplina se ne može prenijeti s hladnijeg (i stoga manje energičnog) plina na topliji bez dodatnog unosa energije izvana. Drugi zakon također ukazuje da se dio energije koju sustav troši za obavljanje rada neizbježno rasipa, gubi (ne nestaje, već se pretvara u neupotrebljiv oblik).

Termodinamički procesi

Prijelazi između energetskih stanja idealnog plina mogu imati različite obrasce promjene jednog ili drugog njegovog parametra. Unutarnja energija u procesima prijelaza različitih vrsta također će se ponašati različito. Ukratko razmotrimo nekoliko vrsta takvih procesa.

• Izohorni proces se odvija bez promjene volumena, stoga plin ne radi. Unutarnja energija plina mijenja se ovisno o razlici između konačne i početne temperature.
• Izobarni proces odvija se pri konstantnom tlaku. Plin radi, a njegova se toplinska energija izračunava na isti način kao u prethodnom slučaju.
• Izotermni proces karakterizira konstantna temperatura, pa se toplinska energija ne mijenja. Količina topline koju plin primi u potpunosti se troši na obavljanje rada.
• U plinu bez prijenosa topline, u toplinski izoliranom spremniku, odvija se adijabatski, ili adijabatski proces. Rad se vrši samo na račun toplinske energije: dA = - dU. Kod adijabatske kompresije toplinska energija raste, a kod ekspanzije se odgovarajuće smanjuje.

U osnovi rada toplinskih strojeva nalaze se različiti izoprocesi. Dakle, izohorni proces se kod benzinskog motora odvija na krajnjim položajima klipa u cilindru, a drugi i treći takt motora su primjeri adijabatskog procesa. Kod dobivanja ukapljenih plinova važnu ulogu ima adijabatsko širenje - zahvaljujući njemu postaje moguća kondenzacija plina. Izoprocesi u plinovima, u čijem proučavanju ne možemo bez pojma unutarnje energije idealnog plina, karakteristični su za mnoge prirodne pojave i koriste se u raznim granama tehnike.

Unutarnja energija tijelo (naziva se kao E ili U) je zbroj energija međudjelovanja molekula i toplinskih gibanja molekule. Unutarnja energija je jednoznačna funkcija stanja sustava. To znači da kad god se sustav nađe u određenom stanju, njegova unutarnja energija poprima vrijednost svojstvenu tom stanju, bez obzira na povijest sustava. Posljedično, promjena unutarnje energije tijekom prijelaza iz jednog stanja u drugo uvijek će biti jednaka razlici između njezinih vrijednosti u konačnom i početnom stanju, bez obzira na put kojim je prijelaz napravljen.

Unutarnja energija tijela ne može se izravno mjeriti. Može se odrediti samo promjena unutarnje energije:

Ova formula je matematički izraz prvog zakona termodinamike

Za kvazistatičke procese vrijedi sljedeći odnos:

Idealni plinovi

Prema Jouleovom zakonu, izvedenom empirijski, unutarnja energija idealnog plina ne ovisi o tlaku ili volumenu. Na temelju te činjenice može se dobiti izraz za promjenu unutarnje energije idealnog plina. Prema definiciji molarnog toplinskog kapaciteta pri konstantnom volumenu, . Budući da je unutarnja energija idealnog plina samo funkcija temperature, dakle

Ista formula vrijedi i za izračunavanje promjene unutarnje energije bilo kojeg tijela, ali samo u procesima s konstantnim volumenom (izohorni procesi); općenito je funkcija i temperature i volumena.

Ako zanemarimo promjenu molarnog toplinskog kapaciteta s promjenom temperature, dobivamo:

gdje je količina tvari, je promjena temperature.

Književnost

• Sivukhin D.V. Opći tečaj fizike. - 5. izdanje, dopunjeno. - M .: Fizmatlit, 2006. - T. II. Termodinamika i molekularna fizika. - 544 str. - ISBN 5-9221-0601-5

Bilješke

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Pogledajte što je "unutarnja energija" u drugim rječnicima:

unutarnja energija- Funkcija stanja zatvorenog termodinamičkog sustava, određena činjenicom da je njezin prirast u bilo kojem procesu koji se odvija u ovom sustavu jednak zbroju topline dodijeljene sustavu i rada obavljenog na njemu. Napomena Unutarnja energija…… Tehnički prevoditeljski priručnik

Fizička energija. sustava, ovisno o njegovoj unutarnjoj Države. V. e. uključuje energiju kaotičnog (toplinskog) gibanja svih mikročestica sustava (molekula, atoma, iona itd.) i energiju udara tih čestica. Kinetička energija kretanja sustava u cjelini i ... Fizička enciklopedija

UNUTARNJA ENERGIJA- energija tijela ili sustava, ovisno o njihovom unutarnjem stanju; sastoji se od kinetičke energije tjelesnih molekula i njihovih strukturnih jedinica (atoma, elektrona, jezgri), energije međudjelovanja atoma u molekulama, energije međudjelovanja elektroničkih ... ... Velika politehnička enciklopedija

Tijelo se sastoji od kinetičke energije molekula tijela i njihovih strukturnih jedinica (atoma, elektrona, jezgri), energije međudjelovanja atoma u molekulama itd. Unutarnju energiju ne uključuje energija gibanja tijelo u cjelini i potencijalna energija ... Veliki enciklopedijski rječnik

unutarnja energija- ▲ energija materijalno tijelo, prema stanju, unutrašnjoj temperaturi unutarnja en … Ideografski rječnik ruskog jezika

unutarnja energija- je ukupna energija sustava umanjena za potencijalnu energiju, uslijed utjecaja na sustav polja vanjskih sila (u gravitacijskom polju), i kinetičku energiju gibajućeg sustava. Opća kemija: udžbenik / A. V. Zholnin ... Kemijski pojmovi

Moderna enciklopedija

Unutarnja energija- tijela, uključuje kinetičku energiju molekula, atoma, elektrona, jezgri koje čine tijelo, kao i energiju međusobnog djelovanja tih čestica. Promjena unutarnje energije brojčano je jednaka radu koji se izvrši na tijelu (npr. kada ono ... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik

unutarnja energija- termodinamička veličina koja karakterizira broj svih vrsta unutarnjih kretanja koja se izvode u sustavu. Nemoguće je izmjeriti apsolutnu unutarnju energiju tijela. U praksi se mjeri samo promjena unutarnje energije ... ... Enciklopedijski rječnik metalurgije

Tijelo se sastoji od kinetičke energije molekula tijela i njihovih strukturnih jedinica (atoma, elektrona, jezgri), energije međudjelovanja atoma u molekulama itd. Unutarnju energiju ne uključuje energija gibanja tijela. u cjelini i potencijalna energija ... enciklopedijski rječnik

knjige

• Energija za buđenje. Postoji li sreća? Sreća prisutnosti (broj tomova: 3), Khusnetdinova Aigul. "Buđenje energije. Kako sve zapravo funkcionira i kako živjeti sretno". Svakodnevno se u svojoj praksi susrećem s mističnim slučajevima, ali u isto vrijeme živim običan moderan život, ...

Ako pumpate u staklenku debelih stijenki zatvorenu čepom, čije je dno prekriveno vodom, tada će čep nakon nekog vremena izletjeti iz staklenke i u staklenci će se stvoriti magla. Čep je izletio iz limenke jer je zrak u njemu djelovao na njega određenom silinom. Zrak na izlazu iz čepa obavio je posao. Poznato je da tijelo može izvršiti rad ako ima energiju. Stoga zrak u staklenci ima energiju.

Kad je zrak djelovao, temperatura mu je pala, a stanje se promijenilo. Pritom se mehanička energija zraka nije promijenila: nije se promijenila ni njegova brzina ni položaj u odnosu na Zemlju. Dakle, rad nije izvršen zbog mehaničke, već zbog druge energije. Ova energija je unutarnja energija zraka u staklenci.

Unutarnja energija tijelo je zbroj kinetičke energije gibanja njegovih molekula i potencijalne energije njihove interakcije. kinetička energija ( Ek) molekule imaju, budući da su u kretanju, i potencijalnu energiju ( En) dok međusobno djeluju. Unutarnja energija je označena slovom U. Jedinica unutarnje energije je 1 džul. (1 J). U = Ek + En.

Načini promjene unutarnje energije

Što je veća brzina gibanja molekula, veća je temperatura tijela, dakle i unutarnja energija ovisi o tjelesnoj temperaturi . Da biste neku tvar prebacili iz krutog stanja u tekuće stanje, na primjer, da biste pretvorili led u vodu, morate joj dovesti energiju. Stoga će voda imati veću unutarnju energiju od leda iste mase, a samim tim i unutarnju energiju ovisi o agregatnom stanju tijela .

Unutarnja energija se može promijeniti prilikom obavljanja posla . Ako se komad olova nekoliko puta udari čekićem, tada se i na dodir može utvrditi da će se komad olova zagrijati. Posljedično se povećala njegova unutarnja energija, kao i unutarnja energija čekića. To se dogodilo jer se radilo na komadu olova.

Ako samo tijelo obavlja rad, tada mu se smanjuje unutarnja energija, a ako se nad njim vrši rad, povećava mu se unutarnja energija.

Ako se vruća voda ulije u čašu hladne vode, temperatura tople vode će se smanjiti, a temperatura hladne vode će se povećati. U razmatranom primjeru ne vrši se mehanički rad, unutarnja energija tijela se mijenja za prijenos topline, što dokazuje smanjenje njegove temperature.

Molekule tople vode imaju veću kinetičku energiju od molekula hladne vode. Tu energiju molekule tople vode prenose na molekule hladne vode tijekom sudara, a kinetička energija molekula hladne vode raste. Kinetička energija molekula vruće vode u tom se slučaju smanjuje.

Prijenos topline- ovo je način promjene unutarnje energije tijela kada se energija prenosi s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo bez vršenja rada.

Unutarnja energija tijela ne može biti konstanta. Može se promijeniti u bilo kojem tijelu. Ako povećate temperaturu tijela, tada će se njegova unutarnja energija povećati, jer. prosječna brzina molekula će se povećati. Tako se povećava kinetička energija molekula tijela. Obrnuto, smanjenjem temperature unutarnja energija tijela opada.

Možemo zaključiti: unutarnja energija tijela mijenja se ako se mijenja brzina molekula. Pokušajmo utvrditi kojom metodom je moguće povećati ili smanjiti brzinu kretanja molekula. Razmotrite sljedeće iskustvo. Na postolje pričvršćujemo mjedenu cijev s tankim stijenkama. Napunite epruvetu eterom i zatvorite čepom. Zatim ga vežemo užetom i počinjemo intenzivno pomicati uže u različitim smjerovima. Nakon određenog vremena eter će prokuhati, a snaga pare izgurat će čep. Iskustvo pokazuje da se unutarnja energija tvari (etera) povećala: na kraju krajeva, promijenila je svoju temperaturu tijekom vrenja.

Do povećanja unutarnje energije došlo je zbog rada pri trljanju cijevi užetom.

Kao što znamo, do zagrijavanja tijela može doći i prilikom udaraca, fleksije ili ekstenzije, odnosno deformacije. U svim navedenim primjerima unutarnja energija tijela raste.

Dakle, unutarnja energija tijela može se povećati radom na tijelu.

Ako rad vrši samo tijelo, njegova unutarnja energija se smanjuje.

Razmotrimo još jedno iskustvo.

U staklenu posudu, koja ima debele stijenke i zatvorena je čepom, pumpamo zrak kroz posebno napravljen otvor.

Nakon nekog vremena čep će izletjeti iz posude. U trenutku kada čep izleti iz posude vidimo stvaranje magle. Stoga njegovo stvaranje znači da je zrak u posudi postao hladan. Komprimirani zrak, koji se nalazi u posudi, prilikom istiskivanja plutenog čepa vrši određeni rad. Taj rad obavlja na račun svoje unutarnje energije, koja se pritom smanjuje. O smanjenju unutarnje energije moguće je zaključiti na temelju hlađenja zraka u posudi. Na ovaj način, unutarnja energija tijela može se promijeniti obavljanjem određene količine rada.

Međutim, unutarnja energija se može promijeniti na drugi način, bez obavljanja rada. Razmotrite primjer, voda u kotlu koji je na štednjaku ključa. Zrak, kao i ostali objekti u prostoriji, griju se centralnim radijatorom. U takvim slučajevima povećava se unutarnja energija, jer. povećava se tjelesna temperatura. Ali posao nije završen. Tako zaključujemo promjena unutarnje energije može nastati ne zbog obavljanja određenog rada.

Razmotrimo još jedan primjer.

Umočite metalnu iglu u čašu vode. Kinetička energija molekula tople vode veća je od kinetičke energije hladnih metalnih čestica. Molekule vruće vode prenijet će dio svoje kinetičke energije na čestice hladnog metala. Tako će se energija molekula vode na određeni način smanjiti, dok će se energija čestica metala povećati. Temperatura vode će pasti, a temperatura žbica polako, će se povećati. U budućnosti će razlika između temperature igle i vode nestati. Zbog ovog iskustva vidjeli smo promjenu unutarnje energije raznih tijela. Zaključujemo: mijenja se unutarnja energija raznih tijela zbog prijenosa topline.

Proces pretvorbe unutarnje energije bez obavljanja određenog rada na tijelu ili samom tijelu naziva se prijenos topline.

Imate li kakvih pitanja? Ne znate kako napraviti domaću zadaću?
Za pomoć mentora - prijavite se.
Prvi sat je besplatan!

stranica, uz potpuno ili djelomično kopiranje materijala, potrebna je veza na izvor.

Energija je opća mjera različitih oblika gibanja materije. Prema oblicima gibanja materije postoje i vrste energije - mehanička, električna, kemijska itd. Svaki termodinamički sustav u bilo kojem stanju ima određenu rezervu energije, čije je postojanje dokazao R. Clausius (1850.) i nazvano je unutarnja energija.

Unutarnja energija (U) je energija svih vrsta gibanja mikročestica koje čine sustav, te energija njihove međusobne interakcije.

Unutarnju energiju čine energija translatornog, rotacijskog i vibracijskog gibanja čestica, energija međumolekulskih i intramolekulskih, intraatomskih i intranuklearnih interakcija itd.

Energija intramolekularne interakcije, tj. često se naziva energija međudjelovanja atoma u molekuli kemijska energija . Promjena te energije događa se tijekom kemijskih transformacija.

Za termodinamičku analizu nije potrebno znati iz kojih oblika gibanja materije nastaje unutarnja energija.

Zaliha unutarnje energije ovisi samo o stanju sustava. Posljedično, unutarnja energija se može smatrati jednom od karakteristika ovog stanja zajedno s takvim veličinama kao što su tlak, temperatura.

Svako stanje sustava odgovara strogo definiranoj vrijednosti svakog njegovog svojstva.

Ako homogeni sustav u početnom stanju ima volumen V 1, tlak P 1, temperaturu T 1, unutarnju energiju U 1, električnu vodljivost æ 1 itd., au konačnom stanju ta svojstva su redom V 2 , P 2 , T 2 , U 2, æ 2 itd., tada će promjena svakog svojstva tijekom prijelaza sustava iz početnog stanja u konačno stanje biti ista, bez obzira na koji način sustav prelazi iz jednog stanja u drugo: prvo , drugi ili treći (Sl. .1.4).

Riža. 1.4 Neovisnost svojstava sustava o putu njegovog prijelaza

iz normalnog stanja u drugo

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

Gdje su brojevi I, II, III itd. označavaju procesne staze. Dakle, ako se sustav iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) kreće jednim putem, a iz konačnog stanja na početku, drugim putem, tj. završi kružni proces (ciklus), tada će promjena svakog svojstva sustava biti jednaka nuli.

Dakle, promjena funkcije stanja sustava ne ovisi o putu procesa, već ovisi samo o početnom i završnom stanju sustava. Infinitezimalna promjena svojstava sustava obično se označava predznakom diferencijala d. Na primjer, dU je infinitezimalna promjena unutarnje energije, itd.

Oblici izmjene energije

Sukladno različitim oblicima gibanja tvari i različitim vrstama energije, postoje i različiti oblici izmjene energije (prijenosa energije) – oblici međudjelovanja. U termodinamici se razmatraju dva oblika izmjene energije između sustava i okoline. To je rad i toplina.

Posao. Najočitiji oblik izmjene energije je mehanički rad, koji odgovara mehaničkom obliku gibanja materije. Nastaje pomicanjem tijela pod djelovanjem mehaničke sile. Sukladno drugim oblicima gibanja tvari razlikuju se i drugi oblici rada: električni, kemijski itd. Rad je oblik prijenosa uređenog, organiziranog kretanja, budući da se prilikom rada čestice tijela kreću organizirano u jednom smjeru. Na primjer, obavljanje rada kada se plin širi. Molekule plina u cilindru ispod klipa su u kaotičnom, neurednom gibanju. Kada plin počne pomicati klip, to jest obavljati mehanički rad, organizirano kretanje će se superponirati na slučajno kretanje molekula plina: sve molekule dobiju određeni pomak u smjeru klipa. Električni rad također je povezan s organiziranim kretanjem nabijenih čestica tvari u određenom smjeru.

Budući da je rad mjera prenesene energije, njegova količina se mjeri u istim jedinicama kao i energija.

Toplina. Oblik izmjene energije koji odgovara kaotičnom gibanju mikročestica koje čine sustav naziva se izmjena topline, a naziva se količina energije koja se prenese tijekom izmjene topline toplina.

Prijenos topline nije povezan s promjenom položaja tijela koja čine termodinamički sustav, a sastoji se u izravnom prijenosu energije molekulama jednog tijela na molekule drugog nakon njihovog kontakta.

P zamislimo izoliranu posudu (sustav) podijeljenu na dva dijela toplovodnom pregradom ab (sl. 1.5). Pretpostavimo da u oba dijela posude ima plina.

Riža. 1.5. Na pojam topline

U lijevoj polovici posude temperatura plina je T1, au desnoj T2. Ako je T 1 > T 2, tada je prosječna kinetička energija ( ) molekula plina na lijevoj strani posude bit će veća od prosječne kinetičke energije ( ) u desnoj polovici posude.

Kao rezultat kontinuiranog sudaranja molekula o pregradu u lijevoj polovici posude, dio njihove energije prenosi se na molekule pregrade. Molekule plina koje se nalaze u desnoj polovici posude, sudarajući se s pregradom, dobit će dio energije od njegovih molekula.

Uslijed tih sudara kinetička energija molekula u lijevoj polovici posude će se smanjiti, a u desnoj polovici će se povećati; temperature T 1 i T 2 će se izjednačiti.

Budući da je toplina metafora za energiju, njezina količina se mjeri u istim jedinicama kao i energija. Dakle, prijenos topline i rad su oblici izmjene energije, a količina topline i količina rada su mjere prenesene energije. Razlika između njih je u tome što je toplina oblik prijenosa mikrofizičkog, neuređenog gibanja čestica (a time i energije tog gibanja), a rad je oblik prijenosa energije uređenog, organiziranog gibanja tvari.

Ponekad kažu: toplina (ili rad) se dovodi ili oduzima iz sustava, dok treba razumjeti da se ne dovodi i odvodi toplina i rad, već energija, stoga takvi izrazi kao što su "rezerva topline" ili "toplina" sadržani” ne bi se trebali koristiti.

Kao oblici izmjene energije (oblici interakcije) sustava s okolinom, toplina i rad ne mogu se povezati s bilo kojim određenim stanjem sustava, ne mogu biti njegova svojstva, a time ni funkcije njegovog stanja. To znači da ako sustav prelazi iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) na različite načine, tada će toplina i rad imati različite vrijednosti za različite prijelazne staze (Sl. 1.6)

Konačna količina topline i rada označavaju se s Q i A, a infinitezimalne vrijednosti, redom, s δQ i δA. Veličine δQ i δA, za razliku od dU, nisu totalni diferencijal, jer Q i A nisu funkcije stanja.

Kada je putanja procesa unaprijed određena, rad i toplina će dobiti svojstva funkcija stanja sustava, tj. njihove numeričke vrijednosti bit će određene samo početnim i završnim stanjem sustava.