L'energia interna di un corpo è l'energia interna di un gas ideale. Energia interna di un gas ideale: caratteristiche, teoria e formula

Vedi un razzo decollare. Lei fa il lavoro - solleva gli astronauti e il carico. L'energia cinetica del razzo aumenta, man mano che il razzo guadagna sempre più velocità man mano che sale. Anche l'energia potenziale del razzo aumenta, mentre sale sempre più in alto sopra la Terra. Pertanto, la somma di queste energie, cioè aumenta anche l'energia meccanica del razzo.

Ricordiamo che quando il corpo funziona, la sua energia diminuisce. Tuttavia, il razzo funziona, ma la sua energia non diminuisce, ma aumenta! Qual è la soluzione alla contraddizione? Si scopre che oltre all'energia meccanica, c'è un altro tipo di energia - Energia interna.È riducendo l'energia interna del combustibile che brucia che il razzo esegue il lavoro meccanico e, inoltre, aumenta la sua energia meccanica.

Non solo combustibile, ma anche piccante i corpi hanno energia interna che può essere facilmente convertita in lavoro meccanico. Facciamo un esperimento. Scaldiamo un peso in acqua bollente e lo mettiamo su una scatola di latta attaccata a un manometro. Quando l'aria nella scatola si riscalda, il fluido nel manometro inizierà a muoversi (vedi figura).

L'aria in espansione funziona sul fluido. A causa di quale energia questo accade? Naturalmente, a causa dell'energia interna del kettlebell. Pertanto, in questo esperimento osserviamo la conversione dell'energia interna del corpo in lavoro meccanico. Si noti che l'energia meccanica del peso in questo esperimento non cambia: è sempre uguale a zero.

Così, Energia interna- questa è una tale energia del corpo, grazie alla quale è possibile eseguire il lavoro meccanico, senza causare una diminuzione dell'energia meccanica di questo corpo.

L'energia interna di qualsiasi corpo dipende da molte ragioni: il tipo e lo stato della sua sostanza, la massa e la temperatura del corpo e altri. Tutti i corpi hanno energia interna: grande e piccola, calda e fredda, solida, liquida e gassosa.

La più facilmente utilizzabile per i bisogni umani è l'energia interna di sole sostanze e corpi, in senso figurato, caldi e combustibili. Si tratta di petrolio, gas, carbone, fonti geotermiche vicino ai vulcani e così via. Inoltre, nel 20° secolo, l'uomo ha imparato a utilizzare l'energia interna delle cosiddette sostanze radioattive. Questi sono, ad esempio, uranio, plutonio e altri.

Guarda il lato destro del diagramma. La letteratura popolare cita spesso energia termica, chimica, elettrica, atomica (nucleare) e di altro tipo. Tutti loro, di regola, sono varietà di energia interna, poiché possono essere utilizzati per eseguire lavori meccanici senza causare una perdita di energia meccanica. Considereremo il concetto di energia interna in modo più dettagliato nell'ulteriore studio della fisica.

le loro interazioni.

L'energia interna è inclusa equilibrio delle trasformazioni energetiche in natura. Dopo la scoperta dell'energia interna è stata formulata legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Considera la mutua trasformazione delle energie meccaniche ed interne. Lascia che una palla di piombo si trovi su una piastra di piombo. Solleviamolo e lasciamolo andare. Quando abbiamo alzato la palla, l'abbiamo informata dell'energia potenziale. Quando la palla cade, diminuisce, perché la palla cade sempre più in basso. Ma con l'aumentare della velocità, l'energia cinetica della palla aumenta gradualmente. L'energia potenziale della palla viene convertita in energia cinetica. Ma poi la palla ha colpito la piastra di testa e si è fermata. Sia le sue energie cinetiche che potenziali relative alla piastra sono diventate uguali a zero. Esaminando la palla e la piastra dopo l'impatto, vedremo che il loro stato è cambiato: la palla è leggermente appiattita e sulla piastra si è formata una piccola ammaccatura; quando misuriamo la loro temperatura, scopriamo che si sono riscaldati.

Il riscaldamento significa un aumento dell'energia cinetica media delle molecole del corpo. Durante la deformazione cambia la posizione relativa delle particelle del corpo e quindi cambia anche la loro energia potenziale.

Pertanto, si può sostenere che a seguito dell'impatto della palla sul piatto, l'energia meccanica che la palla possedeva all'inizio dell'esperimento viene convertita in energia interna del corpo.

Non è difficile osservare la transizione inversa dell'energia interna in energia meccanica.

Ad esempio, se prendi un recipiente di vetro dalle pareti spesse e vi pompate aria attraverso un foro nel sughero, dopo un po' il tappo volerà fuori dal recipiente. A questo punto si forma della nebbia nella nave. La comparsa della nebbia significa che l'aria all'interno della nave è diventata più fredda e, di conseguenza, la sua energia interna è diminuita. Ciò è spiegato dal fatto che l'aria compressa nel recipiente, spingendo fuori il tappo (cioè espandendosi), ha svolto il lavoro riducendo la sua energia interna. L'energia cinetica del sughero è aumentata a causa dell'energia interna dell'aria compressa.

Quindi, uno dei modi per cambiare l'energia interna di un corpo è il lavoro svolto dalle molecole del corpo (o di altri corpi) sul corpo dato. Il modo per cambiare l'energia interna senza fare lavoro è trasferimento di calore.

Energia interna di un gas monoatomico ideale.

Poiché le molecole di un gas ideale non interagiscono tra loro, la loro energia potenziale è considerata zero. L'energia interna di un gas ideale è determinata solo dall'energia cinetica del moto traslatorio casuale delle sue molecole. Per calcolarlo, devi moltiplicare l'energia cinetica media di un atomo per il numero di atomi . Dato che K NA = R, otteniamo il valore dell'energia interna di un gas ideale:

.

L'energia interna di un gas monoatomico ideale è direttamente proporzionale alla sua temperatura. Se utilizziamo l'equazione di Clapeyron-Mendeleev, l'espressione per l'energia interna di un gas ideale può essere rappresentata come:

.

Va notato che, secondo l'espressione per l'energia cinetica media di un atomo e per la casualità del movimento, per ciascuna delle tre possibili direzioni di movimento, o ciascuna grado di libertà, lungo l'asse X, Y e Z hanno la stessa energia.

Numero di gradi di libertàè il numero di possibili direzioni indipendenti del moto molecolare.

Un gas, ogni molecola di cui è composta da due atomi, è detto biatomico. Ogni atomo può muoversi in tre direzioni, quindi il numero totale di possibili direzioni di movimento è 6. A causa della connessione tra le molecole, il numero di gradi di libertà diminuisce di uno, quindi il numero di gradi di libertà per una molecola biatomica è cinque.

L'energia cinetica media di una molecola biatomica è . Di conseguenza, l'energia interna di un gas biatomico ideale è:

.

Le formule per l'energia interna di un gas ideale possono essere generalizzate:

.

dove ioè il numero di gradi di libertà delle molecole di gas ( io= 3 per monoatomico e io= 5 per un gas biatomico).

Per i gas ideali, l'energia interna dipende solo da un parametro macroscopico: la temperatura e non dipende dal volume, poiché l'energia potenziale è zero (il volume determina la distanza media tra le molecole).

Per i gas reali, l'energia potenziale non è zero. Pertanto, l'energia interna in termodinamica nel caso generale è determinata in modo univoco dai parametri che caratterizzano lo stato di questi corpi: il volume (V) e temperatura (T).

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I fenomeni termici possono essere descritti utilizzando grandezze (parametri macroscopici) misurate da strumenti quali un manometro e un termometro. Questi dispositivi non rispondono all'impatto delle singole molecole. Viene chiamata la teoria dei processi termici, che non tiene conto della struttura molecolare dei corpi termodinamica. In termodinamica i processi sono considerati dal punto di vista della conversione del calore in altre forme di energia.

Cos'è l'energia interna.
Quali modi per cambiare l'energia interna conosci?

La termodinamica è stata creata a metà del 19° secolo. dopo la scoperta della legge di conservazione dell'energia. Si basa sul concetto Energia interna. Il nome stesso "interno" implica la considerazione del sistema come un insieme di molecole in movimento e interagenti. Soffermiamoci sulla questione di quale relazione esista tra termodinamica e teoria cinetica molecolare.

Termodinamica e meccanica statistica.

La prima teoria scientifica dei processi termici non era la teoria cinetica molecolare, ma la termodinamica.

La termodinamica è nata nello studio delle condizioni ottimali per l'uso del calore per svolgere il lavoro. Ciò accadde a metà del 19° secolo, molto prima che la teoria cinetica molecolare ottenesse il riconoscimento generale. Allo stesso tempo, è stato dimostrato che, insieme all'energia meccanica, i corpi macroscopici hanno anche energia contenuta all'interno dei corpi stessi.

Ora nella scienza e nella tecnologia, nello studio dei fenomeni termici, vengono utilizzate sia la termodinamica che la teoria cinetico-molecolare. In fisica teorica si chiama teoria cinetica molecolare meccanica statistica

La termodinamica e la meccanica statistica studiano gli stessi fenomeni con metodi diversi e si completano a vicenda.

sistema termodinamico chiamato insieme di corpi interagenti che si scambiano energia e materia.

L'energia interna nella teoria cinetica molecolare.

Il concetto di base in termodinamica è il concetto di energia interna.

Energia interna del corpo(sistemi) è la somma dell'energia cinetica del moto caotico termico delle molecole e dell'energia potenziale della loro interazione.

L'energia meccanica del corpo (sistema) nel suo insieme non è inclusa nell'energia interna. Ad esempio, l'energia interna dei gas in due recipienti identici in condizioni uguali è la stessa indipendentemente dal movimento dei recipienti e dalla loro posizione l'uno rispetto all'altro.

È praticamente impossibile calcolare l'energia interna di un corpo (o il suo cambiamento), tenendo conto del movimento delle singole molecole e delle loro posizioni l'una rispetto all'altra, a causa dell'enorme numero di molecole nei corpi macroscopici. Pertanto, è necessario poter determinare il valore dell'energia interna (o la sua variazione) in funzione di parametri macroscopici che possono essere misurati direttamente.

Energia interna di un gas monoatomico ideale.

Calcoliamo l'energia interna di un gas monoatomico ideale.

Secondo il modello, le molecole di un gas ideale non interagiscono tra loro, quindi l'energia potenziale della loro interazione è zero. L'intera energia interna di un gas ideale è determinata dall'energia cinetica del movimento casuale delle sue molecole.

Per calcolare l'energia interna di un gas monoatomico ideale con massa m, devi moltiplicare l'energia cinetica media di un atomo per il numero di atomi. Considerando che kN A = R, otteniamo la formula per l'energia interna di un gas ideale:

L'energia interna di un gas monoatomico ideale è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta.

Non dipende dal volume e da altri parametri macroscopici del sistema.

Modifica dell'energia interna di un gas ideale

cioè è determinato dalle temperature degli stati iniziali e finali del gas e non dipende dal processo.

Se un gas ideale è costituito da molecole più complesse di uno monoatomico, anche la sua energia interna è proporzionale alla temperatura assoluta, ma il coefficiente di proporzionalità tra U e T è diverso. Ciò è spiegato dal fatto che le molecole complesse non solo si muovono in avanti, ma ruotano e oscillano anche attorno alle loro posizioni di equilibrio. L'energia interna di tali gas è uguale alla somma delle energie dei moti traslazionali, rotazionali e vibrazionali delle molecole. Pertanto, l'energia interna di un gas poliatomico è maggiore dell'energia di un gas monoatomico alla stessa temperatura.

Dipendenza dell'energia interna da parametri macroscopici.

Abbiamo stabilito che l'energia interna di un gas ideale dipende da un parametro: la temperatura.

Per gas, liquidi e solidi reali, l'energia potenziale media di interazione delle molecole non uguale a zero. È vero, per i gas è molto inferiore all'energia cinetica media delle molecole, ma per i corpi solidi e liquidi è paragonabile ad essa.

L'energia potenziale media di interazione delle molecole di gas dipende dal volume della sostanza, poiché quando il volume cambia, cambia la distanza media tra le molecole. Di conseguenza, l'energia interna di un gas reale in termodinamica dipende generalmente, insieme alla temperatura T, dal volume V.

Si può sostenere che l'energia interna di un gas reale dipende dalla pressione, in base al fatto che la pressione può essere espressa in termini di temperatura e volume del gas.

I valori dei parametri macroscopici (temperature T del volume V, ecc.) Determinano in modo inequivocabile lo stato dei corpi. Pertanto, determinano anche l'energia interna dei corpi macroscopici.

L'energia interna U dei corpi macroscopici è determinata in modo univoco dai parametri che caratterizzano lo stato di questi corpi: temperatura e volume.

Secondo MKT, tutte le sostanze sono composte da particelle che sono in continuo movimento termico e interagiscono tra loro. Pertanto, anche se il corpo è immobile e ha energia potenziale zero, ha energia (energia interna), che è l'energia totale del movimento e dell'interazione delle microparticelle che compongono il corpo. La composizione dell'energia interna comprende:

1. energia cinetica del moto traslatorio, rotatorio e vibrazionale delle molecole;
2. energia potenziale di interazione di atomi e molecole;
3. energia intraatomica e intranucleare.

In termodinamica, i processi sono considerati a temperature alle quali il movimento oscillatorio degli atomi nelle molecole non è eccitato, ad es. a temperature non superiori a 1000 K. Solo le prime due componenti dell'energia interna cambiano in questi processi. Ecco perchè

sotto Energia interna in termodinamica, comprendono la somma dell'energia cinetica di tutte le molecole e gli atomi di un corpo e l'energia potenziale della loro interazione.

L'energia interna di un corpo determina il suo stato termico e cambia durante il passaggio da uno stato all'altro. In un dato stato, il corpo ha un'energia interna ben definita, indipendente dal processo a seguito del quale è passato in questo stato. Pertanto, l'energia interna è molto spesso chiamata funzione dello stato corporeo.

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

dove io- grado di libertà. Per un gas monoatomico (ad esempio gas inerti) io= 3, per biatomica - io = 5.

Da queste formule si può vedere che l'energia interna di un gas ideale dipende solo dalla temperatura e dal numero di molecole e non dipende dal volume o dalla pressione. Pertanto, la variazione dell'energia interna di un gas ideale è determinata solo da una variazione della sua temperatura e non dipende dalla natura del processo in cui il gas passa da uno stato all'altro:

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

dove ∆ T = T 2 - T 1 .

• Le molecole di gas reali interagiscono tra loro e quindi hanno energia potenziale w p , che dipende dalla distanza tra le molecole e, di conseguenza, dal volume occupato dal gas. Pertanto, l'energia interna di un gas reale dipende dalla sua temperatura, volume e struttura molecolare.

*Derivazione della formula

Energia cinetica media di una molecola \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Il numero di molecole nel gas \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Pertanto, l'energia interna di un gas ideale

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

Dato che k⋅N A= Rè la costante gassosa universale che abbiamo

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) è l'energia interna di un gas ideale.

Cambiamento di energia interna

Per risolvere problemi pratici, non è l'energia interna stessa che gioca un ruolo significativo, ma il suo cambiamento Δ u = u 2 - u uno . La variazione dell'energia interna è calcolata in base alle leggi di conservazione dell'energia.

L'energia interna di un corpo può cambiare in due modi:

1. Quando si fa lavoro meccanico. a) Se una forza esterna provoca la deformazione del corpo, le distanze tra le particelle di cui è costituito cambiano e, quindi, cambia l'energia potenziale dell'interazione delle particelle. Con deformazioni anelastiche, inoltre, la temperatura del corpo cambia, ad es. l'energia cinetica del moto termico delle particelle cambia. Ma quando il corpo è deformato, il lavoro è fatto, che è una misura del cambiamento nell'energia interna del corpo. b) L'energia interna di un corpo cambia anche durante la sua collisione anelastica con un altro corpo. Come abbiamo visto in precedenza, durante la collisione anelastica dei corpi, la loro energia cinetica diminuisce, si trasforma in energia interna (ad esempio, se colpisci più volte un filo che giace su un'incudine con un martello, il filo si riscalda). La misura della variazione dell'energia cinetica di un corpo è, secondo il teorema dell'energia cinetica, il lavoro delle forze agenti. Questo lavoro può anche servire come misura dei cambiamenti nell'energia interna. c) La variazione dell'energia interna del corpo avviene sotto l'azione della forza di attrito, poiché, come è noto dall'esperienza, l'attrito è sempre accompagnato da una variazione della temperatura dei corpi di sfregamento. Il lavoro della forza di attrito può servire come misura del cambiamento nell'energia interna.
2. Con aiuto trasferimento di calore. Ad esempio, se un corpo viene posto nella fiamma di un bruciatore, la sua temperatura cambierà e quindi cambierà anche la sua energia interna. Tuttavia, qui non è stato eseguito alcun lavoro, perché non c'era movimento visibile né del corpo stesso né delle sue parti.

Viene chiamato il cambiamento nell'energia interna di un sistema senza fare lavoro scambio di calore(trasferimento di calore).

Esistono tre tipi di trasferimento di calore: conduzione, convezione e irraggiamento.

un) conduttività termicaè il processo di scambio termico tra corpi (o parti del corpo) durante il loro contatto diretto, dovuto al movimento caotico termico delle particelle corporee. L'ampiezza delle oscillazioni delle molecole di un corpo solido è maggiore, maggiore è la sua temperatura. La conducibilità termica dei gas è dovuta allo scambio di energia tra le molecole di gas durante le loro collisioni. Nel caso dei liquidi funzionano entrambi i meccanismi. La conducibilità termica di una sostanza è massima allo stato solido e minima allo stato gassoso.

b) Convezioneè il trasferimento di calore da flussi riscaldati di liquido o gas da una parte del volume che occupano all'altra.

c) Trasferimento di calore a radiazione effettuata a distanza per mezzo di onde elettromagnetiche.

Consideriamo più in dettaglio come modificare l'energia interna.

lavoro meccanico

Quando si considerano i processi termodinamici, il movimento meccanico dei macrocorpi nel suo insieme non viene considerato. Il concetto di lavoro qui è associato a un cambiamento nel volume del corpo, ad es. parti mobili del macrocorpo l'una rispetto all'altra. Questo processo porta ad una variazione della distanza tra le particelle, e spesso anche ad una variazione della velocità del loro movimento, quindi ad una variazione dell'energia interna del corpo.

processo isobarico

Consideriamo prima il processo isobarico. Lascia che ci sia del gas in un cilindro con un pistone mobile a una temperatura T 1 (Fig. 1).

Riscaldiamo lentamente il gas a una temperatura T 2. Il gas si espanderà isobaricamente e il pistone si sposterà dalla posizione 1 in posizione 2 distanza Δ l. In questo caso, la forza di pressione del gas lavorerà sui corpi esterni. Perché p= cost, quindi la forza di pressione F = p⋅S anche costante. Pertanto, il lavoro di questa forza può essere calcolato dalla formula

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

dove ∆ V- variazione del volume del gas.

• Se il volume del gas non cambia (processo isocoro), il lavoro svolto dal gas è zero.

• Il gas funziona solo nel processo di modifica del suo volume.

Quando si espande (Δ V> 0) lavoro positivo sul gas ( MA> 0); in compressione (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (MA < 0).

• Se consideriamo il lavoro delle forze esterne UN " (MA " = –MA), quindi con l'espansione (Δ V> 0) gas MA " < 0); при сжатии (ΔV < 0) MA " > 0.

Scriviamo l'equazione di Clapeyron-Mendeleev per due stati gassosi:

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

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

Pertanto, quando processo isobarico

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

Se ν = 1 mol, allora a Δ Τ = 1 K lo otteniamo Rè numericamente uguale a UN.

Quindi segue significato fisico della costante gassosa universale: è numericamente uguale al lavoro svolto da 1 mole di un gas ideale riscaldato isobaricamente di 1 K.

Non un processo isobarico

Sul grafico p (V) in un processo isobarico, il lavoro è uguale all'area del rettangolo ombreggiato nella Figura 2, a.

Se il processo non isobarico(Fig. 2, b), quindi la curva di funzione p = f(V) può essere rappresentato come una linea spezzata costituita da un gran numero di isocore e isobare. Il lavoro sulle sezioni isocoriche è uguale a zero e il lavoro totale su tutte le sezioni isobariche sarà uguale a

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

quelli. sarà uguale a area della figura ombreggiata.

In processo isotermico (T= const) il lavoro è uguale all'area della figura ombreggiata mostrata in Figura 2, c.

È possibile determinare il lavoro utilizzando l'ultima formula solo se è noto come cambia la pressione del gas al variare del suo volume, ad es. la forma della funzione è nota p = f(V).

Pertanto, è chiaro che anche a parità di variazione del volume del gas, il lavoro dipenderà dal metodo di transizione (cioè dal processo: isotermico, isobarico...) dallo stato iniziale del gas a quello finale. Pertanto, si può concludere che

• Il lavoro in termodinamica è una funzione di processo e non una funzione di stato.

Quantità di calore

Come sapete, durante vari processi meccanici, c'è un cambiamento nell'energia meccanica w. La misura della variazione dell'energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:

\(~\DeltaW = A.\)

Durante il trasferimento di calore, si verifica un cambiamento nell'energia interna del corpo. La misura della variazione dell'energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.

Quantità di caloreè una misura della variazione dell'energia interna durante il trasferimento di calore.

Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano il cambiamento di energia, ma non sono identici all'energia interna. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso (come fa l'energia interna), ma determinano il processo di transizione energetica da una forma all'altra (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono essenzialmente dalla natura del processo.

La principale differenza tra lavoro e calore è quella

• l'opera caratterizza il processo di cambiamento dell'energia interna del sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanico a interno);
• la quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento di energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.

Riscaldamento (raffreddamento)

L'esperienza mostra che la quantità di calore richiesta per riscaldare un corpo con una massa m temperatura T 1 alla temperatura T 2 è calcolato dalla formula

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

dove c- capacità termica specifica di una sostanza (valore di tabella);

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

L'unità SI del calore specifico è il joule per chilogrammo-Kelvin (J/(kg K)).

Calore specifico cè numericamente uguale alla quantità di calore che deve essere impartita a un corpo di massa 1 kg per riscaldarlo di 1 K.

Oltre alla capacità termica specifica, viene considerata anche una quantità come la capacità termica del corpo.

Capacità termica corpo C numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per modificare la temperatura corporea di 1 K:

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

L'unità SI della capacità termica di un corpo è il joule per Kelvin (J/K).

Vaporizzazione (condensazione)

Per trasformare un liquido in un vapore a temperatura costante, la quantità di calore richiesta è

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

dove l- calore specifico di vaporizzazione (valore di tabella). Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore.

L'unità SI per il calore specifico di vaporizzazione è il joule per chilogrammo (J/kg).

Fusione (cristallizzazione)

Per fondere un corpo cristallino con una massa m al punto di fusione, è necessario che l'organismo riporti la quantità di calore

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

dove λ - calore specifico di fusione (valore di tabella). Durante la cristallizzazione di un corpo viene rilasciata la stessa quantità di calore.

L'unità SI per il calore specifico di fusione è il joule per chilogrammo (J/kg).

combustione del carburante

La quantità di calore che viene rilasciata durante la combustione completa della massa di combustibile m,

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

dove q- calore specifico di combustione (valore di tabella).

L'unità SI per il calore specifico di combustione è il joule per chilogrammo (J/kg).

Letteratura

Aksenovich LA Fisica al liceo: teoria. Compiti. Prove: Proc. indennità per gli enti erogatori di carattere generale. ambienti, istruzione / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Argomenti del codificatore USE Parole chiave: energia interna, trasferimento di calore, tipi di trasferimento di calore.

Le particelle di qualsiasi corpo - atomi o molecole - compiono un movimento caotico incessante (il cosiddetto moto termico). Pertanto, ogni particella ha una certa energia cinetica.

Inoltre, le particelle di materia interagiscono tra loro mediante le forze di attrazione e repulsione elettrica, nonché attraverso le forze nucleari. Pertanto, anche l'intero sistema di particelle di un dato corpo ha energia potenziale.

L'energia cinetica del movimento termico delle particelle e l'energia potenziale della loro interazione insieme formano un nuovo tipo di energia che non si riduce all'energia meccanica del corpo (cioè l'energia cinetica del movimento del corpo nel suo insieme e l'energia potenziale della sua interazione con altri corpi). Questo tipo di energia è chiamata energia interna.

L'energia interna di un corpo è l'energia cinetica totale del movimento termico delle sue particelle più l'energia potenziale della loro interazione tra loro.

L'energia interna di un sistema termodinamico è la somma delle energie interne dei corpi inclusi nel sistema.

Pertanto, l'energia interna del corpo è formata dai seguenti termini.

1. Energia cinetica del movimento caotico continuo delle particelle corporee.
2. Energia potenziale delle molecole (atomi), dovuta alle forze di interazione intermolecolare.
3. Energia degli elettroni negli atomi.
4. Energia intranucleare.

Nel caso del modello più semplice della materia - un gas ideale - si può ottenere una formula esplicita per l'energia interna.

Energia interna di un gas ideale monoatomico

L'energia potenziale di interazione tra le particelle di un gas ideale è zero (ricordiamo che nel modello dei gas ideali trascuriamo l'interazione delle particelle a distanza). Pertanto, l'energia interna di un gas ideale monoatomico si riduce all'energia cinetica totale della traslazione (per un gas poliatomico bisogna tenere conto anche della rotazione delle molecole e delle vibrazioni degli atomi all'interno delle molecole) dei suoi atomi. Questa energia può essere trovata moltiplicando il numero di atomi di gas per l'energia cinetica media di un atomo:

Vediamo che l'energia interna di un gas ideale (la cui massa e composizione chimica sono invariate) è funzione solo della sua temperatura. Per un gas reale, liquido o solido, l'energia interna dipenderà anche dal volume - dopotutto, quando il volume cambia, cambia la posizione relativa delle particelle e, di conseguenza, l'energia potenziale della loro interazione.

Funzione di stato

La proprietà più importante dell'energia interna è che lo è funzione di stato sistema termodinamico. Vale a dire, l'energia interna è determinata in modo univoco da un insieme di parametri macroscopici che caratterizzano il sistema e non dipende dalla "preistoria" del sistema, cioè sullo stato in cui si trovava prima il sistema e come specificamente è finito in questo stato.

Quindi, durante il passaggio di un sistema da uno stato all'altro, il cambiamento nella sua energia interna è determinato solo dagli stati iniziale e finale del sistema e non dipende dal percorso di transizione dallo stato iniziale a quello finale. Se il sistema ritorna al suo stato originale, la variazione della sua energia interna è zero.

L'esperienza mostra che ci sono solo due modi per cambiare l'energia interna del corpo:

Esecuzione di lavori meccanici;
trasferimento di calore.

In poche parole, puoi riscaldare il bollitore solo in due modi fondamentalmente diversi: strofinalo con qualcosa o dai fuoco :-) Consideriamo questi metodi in modo più dettagliato.

Cambiamento di energia interna: fare il lavoro

Se il lavoro è fatto sopra corpo, l'energia interna del corpo aumenta.

Ad esempio, un chiodo dopo essere stato colpito con un martello si riscalda e si deforma leggermente. Ma la temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle particelle di un corpo. Riscaldare un chiodo indica un aumento dell'energia cinetica delle sue particelle: le particelle, infatti, vengono accelerate da un colpo di martello e dall'attrito del chiodo contro la tavola.

La deformazione non è altro che lo spostamento di particelle l'una rispetto all'altra; Dopo l'impatto, l'unghia subisce una deformazione da compressione, le sue particelle si avvicinano l'una all'altra, le forze repulsive tra di loro aumentano e questo porta ad un aumento dell'energia potenziale delle particelle dell'unghia.

Quindi, l'energia interna dell'unghia è aumentata. Questo è stato il risultato del lavoro svolto su di esso: il lavoro è stato svolto dal martello e dalla forza di attrito sulla tavola.

Se il lavoro è fatto da soli corpo, quindi l'energia interna del corpo diminuisce.

Lascia che, ad esempio, l'aria compressa in un recipiente termicamente isolato sotto un pistone si espanda e sollevi un determinato carico, svolgendo così il lavoro (il processo in un recipiente termicamente isolato è chiamato adiabatico. Studieremo il processo adiabatico considerando il primo principio della termodinamica). Durante tale processo, l'aria verrà raffreddata: le sue molecole, colpendo il pistone in movimento, gli conferiscono parte della loro energia cinetica. (Allo stesso modo, un giocatore di football, fermando con il piede una palla in rapido volo, fa un movimento con il piede da palla ed estingue la sua velocità.) Pertanto, l'energia interna dell'aria diminuisce.

L'aria, quindi, funziona grazie alla sua energia interna: poiché la nave è isolata termicamente, non vi è alcun afflusso di energia all'aria da alcuna fonte esterna e l'aria può attingere energia per svolgere il lavoro solo dalle proprie riserve.

Variazione dell'energia interna: trasferimento di calore

Il trasferimento di calore è il processo di trasferimento di energia interna da un corpo più caldo a uno più freddo, non associato all'esecuzione di lavori meccanici.. Il trasferimento di calore può essere effettuato sia per contatto diretto dei corpi, sia attraverso un mezzo intermedio (e anche attraverso il vuoto). Viene anche chiamato trasferimento di calore scambio di calore.

Esistono tre tipi di trasferimento di calore: conduzione, convezione e irraggiamento termico.

Ora li esamineremo più in dettaglio.

Conduttività termica

Se metti nel fuoco una verga di ferro con un'estremità, allora, come sappiamo, non puoi tenerla in mano per molto tempo. Entrando nella regione dell'alta temperatura, gli atomi di ferro iniziano a vibrare più intensamente (cioè acquisiscono energia cinetica aggiuntiva) e infliggono colpi più forti ai loro vicini.

Anche l'energia cinetica degli atomi vicini aumenta e ora questi atomi conferiscono energia cinetica aggiuntiva ai loro vicini. Quindi, da una sezione all'altra, il calore si diffonde gradualmente lungo l'asta, dall'estremità posta nel fuoco alla nostra mano. Questa è la conduttività termica (Fig. 1) (immagine da educationalelectronicsusa.com).

Riso. 1. Conducibilità termica

La conduttività termica è il trasferimento di energia interna dalle parti più riscaldate del corpo a quelle meno riscaldate a causa del movimento termico e dell'interazione delle particelle del corpo..

La conduttività termica di diverse sostanze è diversa. I metalli hanno un'elevata conducibilità termica: argento, rame e oro sono i migliori conduttori di calore. La conducibilità termica dei liquidi è molto inferiore. I gas conducono il calore così male che appartengono già agli isolanti termici: a causa delle grandi distanze tra loro, le molecole di gas interagiscono debolmente tra loro. Ecco perché, ad esempio, nelle finestre vengono realizzati doppi telai: uno strato d'aria impedisce al calore di fuoriuscire).

Pertanto, i corpi porosi, come mattoni, lana o pelliccia, sono cattivi conduttori di calore. Contengono aria nei loro pori. Non c'è da stupirsi che le case di mattoni siano considerate le più calde e quando fa freddo le persone indossano pellicce e giacche con uno strato di piumino o imbottitura in poliestere.

Ma se l'aria conduce il calore così male, allora perché la stanza si riscalda a causa della batteria?

Ciò accade a causa di un altro tipo di trasferimento di calore: la convezione.

Convezione

La convezione è il trasferimento di energia interna in liquidi o gas come risultato della circolazione dei flussi e della miscelazione della materia.

L'aria vicino alla batteria si riscalda e si espande. La forza di gravità che agisce su quest'aria rimane la stessa, ma la forza di galleggiamento dell'aria circostante aumenta, così che l'aria riscaldata inizia a fluttuare verso il soffitto. Al suo posto arriva l'aria fredda (lo stesso processo, ma su scala molto più grande, si verifica costantemente in natura: è così che sorge il vento), con cui si ripete la stessa cosa.

Di conseguenza, viene stabilita la circolazione dell'aria, che funge da esempio di convezione: la distribuzione del calore nella stanza viene effettuata dalle correnti d'aria.

Un processo del tutto analogo può essere osservato in un liquido. Quando metti un bollitore o una pentola d'acqua sul fornello, l'acqua viene riscaldata principalmente per convezione (il contributo della conducibilità termica dell'acqua è qui molto insignificante).

Le correnti di convezione nell'aria e nel liquido sono mostrate in fig. 2 (immagini da physics.arizona.edu).

Riso. 2. Convezione

Non c'è convezione nei solidi: le forze di interazione delle particelle sono grandi, le particelle oscillano vicino a punti spaziali fissi (i nodi del reticolo cristallino) e in tali condizioni non si possono formare flussi di materia.

Per la circolazione delle correnti di convezione durante il riscaldamento di una stanza, è necessario che l'aria riscaldata c'era spazio per galleggiare. Se il radiatore è installato sotto il soffitto, non si verificherà alcuna circolazione: l'aria calda rimarrà sotto il soffitto. Ecco perché sono posizionati gli apparecchi di riscaldamento in fondo camere. Per lo stesso motivo, hanno acceso il bollitore sul fuoco, a seguito del quale gli strati d'acqua riscaldati, salendo, lasciano il posto a quelli più freddi.

Al contrario, il condizionatore dovrebbe essere posizionato il più in alto possibile: quindi l'aria raffreddata inizierà ad affondare e al suo posto arriverà aria più calda. La circolazione andrà nella direzione opposta rispetto al movimento dei flussi durante il riscaldamento dell'ambiente.

radiazione termica

In che modo la Terra riceve energia dal Sole? Sono escluse la conduzione del calore e la convezione: siamo separati da 150 milioni di chilometri di spazio airless.

Ecco il terzo tipo di trasferimento di calore - radiazione termica. Le radiazioni possono propagarsi sia nella materia che nel vuoto. Come nasce?

Si scopre che i campi elettrico e magnetico sono strettamente correlati tra loro e hanno una proprietà notevole. Se il campo elettrico cambia nel tempo, genera un campo magnetico, che, in generale, cambia anche nel tempo (ne parleremo più a fondo nel foglio illustrativo sull'induzione elettromagnetica). A sua volta, un campo magnetico alternato genera un campo elettrico alternato, che genera nuovamente un campo magnetico alternato, che genera nuovamente un campo elettrico alternato ...

Come risultato dello sviluppo di questo processo, Onda elettromagnetica- "agganciati" tra loro campi elettrici e magnetici. Come il suono, le onde elettromagnetiche hanno una velocità e una frequenza di propagazione: in questo caso, questa è la frequenza con cui le grandezze e le direzioni dei campi fluttuano nell'onda. La luce visibile è un caso speciale di onde elettromagnetiche.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto è enorme: km/s. Quindi, dalla Terra alla Luna, la luce viaggia per poco più di un secondo.

La gamma di frequenza delle onde elettromagnetiche è molto ampia. Parleremo di più della scala delle onde elettromagnetiche nel foglio corrispondente. Qui notiamo solo che la luce visibile è un piccolo intervallo di questa scala. Sotto si trovano le frequenze della radiazione infrarossa, sopra - le frequenze della radiazione ultravioletta.

Ricordiamo ora che gli atomi, essendo generalmente elettricamente neutri, contengono protoni caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente. Queste particelle cariche, facendo movimento caotico insieme agli atomi, creano campi elettrici alternati e quindi irradiano onde elettromagnetiche. Queste onde sono chiamate radiazione termica- per ricordare che la loro fonte è il movimento termico delle particelle di materia.

Qualsiasi corpo è una fonte di radiazione termica. In questo caso, la radiazione porta via parte della sua energia interna. Dopo aver incontrato gli atomi di un altro corpo, la radiazione li accelera con il suo campo elettrico oscillante e l'energia interna di questo corpo aumenta. Ecco come ci crogioliamo al sole.

A temperature normali, le frequenze della radiazione termica si trovano nella gamma dell'infrarosso, in modo che l'occhio non la percepisca (non vediamo come "brillamo"). Quando un corpo viene riscaldato, i suoi atomi iniziano ad emettere onde di frequenze più alte. Un chiodo di ferro può essere rovente - portato a una temperatura tale che la sua radiazione termica andrà nella parte inferiore (rossa) dell'intervallo visibile. E il Sole ci sembra giallo-bianco: la temperatura sulla superficie del Sole è così alta che nello spettro della sua radiazione ci sono tutte le frequenze della luce visibile, e persino l'ultravioletto, grazie alle quali prendiamo il sole.

Diamo un'altra occhiata ai tre tipi di trasferimento di calore (Figura 3) (immagini da beodom.com).

Riso. 3. Tre tipi di trasferimento di calore: conduzione, convezione e irraggiamento