Vidinė kūno energija yra idealių dujų vidinė energija. Idealių dujų vidinė energija – savybės, teorija ir formulė

Matai kylančią raketą. Ji atlieka darbą – pakelia astronautus ir krovinius. Raketos kinetinė energija didėja, nes raketa kylant įgauna vis didesnį greitį. Taip pat didėja potenciali raketos energija, kylant vis aukščiau virš Žemės. Todėl šių energijų suma, tai yra didėja ir raketos mechaninė energija.

Prisimename, kad kai kūnas dirba, jo energija mažėja. Tačiau raketa veikia, bet jos energija ne mažėja, o didėja! Koks yra prieštaravimo sprendimas? Pasirodo, be mechaninės energijos yra ir kita energijos rūšis - vidinė energija. Būtent mažindama degančio kuro vidinę energiją raketa atlieka mechaninį darbą ir, be to, padidina savo mechaninę energiją.

Ne tik degios, bet ir karšta kūnai turi vidinę energiją, kurią galima lengvai paversti mechaniniu darbu. Padarykime eksperimentą. Pakaitiname svarelį verdančiame vandenyje ir dedame ant skardinės dėžutės, pritvirtintos prie manometro. Kai oras dėžutėje sušyla, manometre esantis skystis pradės judėti (žr. pav.).

Besiplečiantis oras veikia skystį. Dėl kokios energijos tai atsitinka? Žinoma, dėl vidinės virdulio energijos. Todėl šiame eksperimente stebime vidinės kūno energijos pavertimas mechaniniu darbu. Atkreipkite dėmesį, kad svorio mechaninė energija šiame eksperimente nesikeičia – ji visada lygi nuliui.

Taigi, vidinė energija- tai tokia kūno energija, dėl kurios galima atlikti mechaninį darbą, nesukeliant šio kūno mechaninės energijos sumažėjimo.

Bet kurio kūno vidinė energija priklauso nuo daugelio priežasčių: jo medžiagos tipo ir būsenos, kūno masės ir temperatūros ir kitų. Visi kūnai turi vidinę energiją: dideli ir maži, karšti ir šalti, kieti, skysti ir dujiniai.

Lengviausiai žmogaus reikmėms panaudojama tik, vaizdžiai tariant, karštų ir degių medžiagų bei kūnų vidinė energija. Tai nafta, dujos, anglis, geoterminiai šaltiniai prie ugnikalnių ir pan. Be to, XX amžiuje žmogus išmoko panaudoti vidinę vadinamųjų radioaktyviųjų medžiagų energiją. Tai, pavyzdžiui, uranas, plutonis ir kt.

Pažiūrėkite į dešinę diagramos pusę. Populiariojoje literatūroje dažnai minima šiluminė, cheminė, elektros, atominė (branduolinė) ir kitos energijos rūšys. Visi jie, kaip taisyklė, yra vidinės energijos atmainos, nes jas galima naudoti mechaniniams darbams atlikti neprarandant mechaninės energijos. Išsamiau vidinės energijos sampratą nagrinėsime toliau tirdami fiziką.

jų sąveika.

Įtraukiama vidinė energija energijos virsmų pusiausvyra gamtoje. Po vidinės energijos atradimo buvo suformuluotas energijos tvermės ir transformacijos dėsnis. Apsvarstykite abipusę mechaninės ir vidinės energijos transformaciją. Tegul švino rutulys guli ant švino plokštės. Pakelkime jį ir paleiskime. Kai pakėlėme kamuolį, informavome jį apie potencialią energiją. Kai kamuolys krenta, jis mažėja, nes kamuolys krenta vis žemiau. Tačiau didėjant greičiui, rutulio kinetinė energija palaipsniui didėja. Rutulio potenciali energija paverčiama kinetine energija. Bet tada kamuolys atsitrenkė į pagrindinę plokštę ir sustojo. Tiek jo kinetinė, tiek potenciali energija plokštės atžvilgiu tapo lygi nuliui. Patyrę rutulį ir plokštelę po smūgio, pamatysime, kad jų būklė pasikeitė: rutulys šiek tiek suplotas, ant plokštelės susidarė nedidelis įdubimas; kai pamatuojame jų temperatūrą, nustatome, kad jie sušilo.

Šildymas reiškia vidutinės kūno molekulių kinetinės energijos padidėjimą. Deformacijos metu keičiasi santykinė kūno dalelių padėtis, todėl kinta ir jų potenciali energija.

Taigi galima teigti, kad dėl kamuoliuko smūgio į plokštę mechaninė energija, kurią rutulys turėjo eksperimento pradžioje, paverčiama vidinė kūno energija.

Pastebėti atvirkštinį vidinės energijos perėjimą į mechaninę energiją nėra sunku.

Pavyzdžiui, jei paimsite storasienį stiklinį indą ir per kamščio angą į jį pumpuosite orą, po kurio laiko kamštis išskris iš indo. Šiuo metu laive susidaro rūkas. Rūko atsiradimas reiškia, kad oras laive atvėso ir dėl to sumažėjo jo vidinė energija. Tai paaiškinama tuo, kad suslėgtas oras inde, išstumdamas kamštį (t.y. išsiplėsdamas), atliko darbą sumažindamas jo vidinę energiją. Kamštienos kinetinė energija padidėjo dėl suspausto oro vidinės energijos.

Taigi vienas iš būdų pakeisti kūno vidinę energiją yra kūno (ar kitų kūnų) molekulių atliekamas darbas konkrečiame kūne. Būdas pakeisti vidinę energiją neatliekant darbo yra šilumos perdavimas.

Idealių monoatominių dujų vidinė energija.

Kadangi idealių dujų molekulės viena su kita nesąveikauja, laikoma, kad jų potenciali energija lygi nuliui. Idealių dujų vidinę energiją lemia tik jų molekulių atsitiktinio transliacinio judėjimo kinetinė energija. Norėdami jį apskaičiuoti, turite padauginti vidutinę vieno atomo kinetinę energiją iš atomų skaičiaus . Turint omenyje k N A = R, gauname idealių dujų vidinės energijos vertę:

.

Idealių vienatominių dujų vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga jų temperatūrai. Jei naudosime Clapeyrono-Mendelejevo lygtį, tada idealių dujų vidinės energijos išraiška gali būti pavaizduota taip:

.

Reikėtų pažymėti, kad pagal vieno atomo vidutinės kinetinės energijos išraišką ir dėl judėjimo atsitiktinumo kiekvienai iš trijų galimų judėjimo krypčių arba kiekvienai laisvės laipsnis, išilgai ašies X, Y ir Z turi tą pačią energiją.

Laisvės laipsnių skaičius yra galimų nepriklausomų molekulinio judėjimo krypčių skaičius.

Dujos, kurių kiekviena molekulė susideda iš dviejų atomų, vadinamos dviatomėmis. Kiekvienas atomas gali judėti trimis kryptimis, todėl bendras galimų judėjimo krypčių skaičius yra 6. Dėl jungties tarp molekulių laisvės laipsnių skaičius sumažėja vienu, todėl dviatominės molekulės laisvės laipsnių skaičius yra penki.

Vidutinė dviatomės molekulės kinetinė energija yra . Atitinkamai, idealių dviatomių dujų vidinė energija yra:

.

Idealiųjų dujų vidinės energijos formules galima apibendrinti:

.

kur i yra dujų molekulių laisvės laipsnių skaičius ( i= 3 monatominiam ir i= 5 dviatominėms dujoms).

Idealioms dujoms vidinė energija priklauso tik nuo vieno makroskopinio parametro – temperatūros ir nepriklauso nuo tūrio, nes potenciali energija lygi nuliui (tūris lemia vidutinį atstumą tarp molekulių).

Tikrų dujų potenciali energija nėra lygi nuliui. Todėl vidinę energiją termodinamikoje bendru atveju vienareikšmiškai lemia šių kūnų būseną apibūdinantys parametrai: tūris. (V) ir temperatūra (T).

« Fizika – 10 klasė

Šiluminius reiškinius galima apibūdinti naudojant dydžius (makroskopinius parametrus), išmatuotus tokiais instrumentais kaip manometras ir termometras. Šie prietaisai nereaguoja į atskirų molekulių poveikį. Šiluminių procesų teorija, kuri neatsižvelgia į kūnų molekulinę sandarą, vadinama termodinamika. Termodinamikoje procesai nagrinėjami šilumos pavertimo kitomis energijos formomis požiūriu.

Kas yra vidinė energija.
Kokius vidinės energijos keitimo būdus žinote?

Termodinamika buvo sukurta XIX amžiaus viduryje. atradus energijos tvermės dėsnį. Jis pagrįstas koncepcija vidinė energija. Pats pavadinimas „vidinis“ reiškia, kad sistema yra judančių ir sąveikaujančių molekulių visuma. Pabandykime išsiaiškinti, koks ryšys egzistuoja tarp termodinamikos ir molekulinės-kinetinės teorijos.

Termodinamika ir statistinė mechanika.

Pirmoji mokslinė terminių procesų teorija buvo ne molekulinė kinetinė, o termodinamika.

Termodinamika atsirado tiriant optimalias sąlygas naudoti šilumą darbui atlikti. Tai atsitiko XIX amžiaus viduryje, gerokai prieš tai, kai molekulinė-kinetinė teorija įgijo visuotinį pripažinimą. Tuo pačiu metu buvo įrodyta, kad kartu su mechanine energija makroskopiniai kūnai taip pat turi energiją pačiuose kūnuose.

Dabar moksle ir technikoje, tiriant šiluminius reiškinius, naudojama ir termodinamika, ir molekulinė-kinetinė teorija. Teorinėje fizikoje molekulinė kinetinė teorija vadinama statistinė mechanika

Termodinamika ir statistinė mechanika tiria tuos pačius reiškinius skirtingais metodais ir vienas kitą papildo.

termodinamine sistema vadinama sąveikaujančių kūnų, besikeičiančių energija ir medžiaga, visuma.

Vidinė energija molekulinėje-kinetinėje teorijoje.

Pagrindinė termodinamikos sąvoka yra vidinės energijos sąvoka.

Vidinė kūno energija(sistemos) – tai molekulių chaotiško šiluminio judėjimo kinetinės energijos ir jų sąveikos potencialios energijos suma.

Viso kūno (sistemos) mechaninė energija neįeina į vidinę energiją. Pavyzdžiui, dviejų vienodų indų dujų vidinė energija vienodomis sąlygomis yra vienoda, nepriklausomai nuo indų judėjimo ir jų padėties vienas kito atžvilgiu.

Apskaičiuoti kūno vidinę energiją (ar jos pokytį) beveik neįmanoma, atsižvelgiant į atskirų molekulių judėjimą ir jų padėtis viena kitos atžvilgiu, nes makroskopiniuose kūnuose yra daug molekulių. Todėl būtina mokėti nustatyti vidinės energijos reikšmę (arba jos pokytį), priklausomai nuo makroskopinių parametrų, kuriuos galima tiesiogiai išmatuoti.

Idealių monoatominių dujų vidinė energija.

Apskaičiuokime idealių monoatominių dujų vidinę energiją.

Pagal modelį idealių dujų molekulės nesąveikauja viena su kita, todėl jų sąveikos potenciali energija lygi nuliui. Visą idealių dujų vidinę energiją lemia jų molekulių atsitiktinio judėjimo kinetinė energija.

Norėdami apskaičiuoti idealių monoatominių dujų, kurių masė m, vidinę energiją, turite padauginti vidutinę vieno atomo kinetinę energiją iš atomų skaičiaus. Atsižvelgdami į tai, kad kN A = R, gauname idealių dujų vidinės energijos formulę:

Idealių monoatominių dujų vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga jų absoliučiai temperatūrai.

Tai nepriklauso nuo tūrio ir kitų makroskopinių sistemos parametrų.

Idealiųjų dujų vidinės energijos pokytis

y., jį lemia pradinės ir galutinės dujų būsenos temperatūra ir nepriklauso nuo proceso.

Jei idealios dujos susideda iš sudėtingesnių molekulių nei monoatominės, tai jų vidinė energija taip pat yra proporcinga absoliučiai temperatūrai, tačiau proporcingumo koeficientas tarp U ir T skiriasi. Tai paaiškinama tuo, kad sudėtingos molekulės ne tik juda į priekį, bet ir sukasi bei svyruoja apie savo pusiausvyros padėtis. Tokių dujų vidinė energija lygi molekulių transliacinių, sukimosi ir vibracinių judesių energijų sumai. Todėl daugiaatominių dujų vidinė energija yra didesnė už monoatominių dujų energiją toje pačioje temperatūroje.

Vidinės energijos priklausomybė nuo makroskopinių parametrų.

Nustatėme, kad idealių dujų vidinė energija priklauso nuo vieno parametro – temperatūros.

Tikroms dujoms, skysčiams ir kietoms medžiagoms – vidutinė potenciali molekulių sąveikos energija nelygu nuliui. Tiesa, dujoms ji yra daug mažesnė už vidutinę molekulių kinetinę energiją, tačiau kietiems ir skystiems kūnams ji prilygsta jai.

Vidutinė potenciali dujų molekulių sąveikos energija priklauso nuo medžiagos tūrio, nes keičiantis tūriui, pasikeičia vidutinis atstumas tarp molekulių. Vadinasi, realių dujų vidinė energija termodinamikoje paprastai kartu su temperatūra T priklauso nuo tūrio V.

Ar galima teigti, kad realių dujų vidinė energija priklauso nuo slėgio, remiantis tuo, kad slėgis gali būti išreikštas dujų temperatūra ir tūriu.

Makroskopinių parametrų reikšmės (tūrio V temperatūra T ir kt.) vienareikšmiškai nulemia kūnų būklę. Todėl jie lemia ir makroskopinių kūnų vidinę energiją.

Makroskopinių kūnų vidinę energiją U vienareikšmiškai lemia šių kūnų būklę apibūdinantys parametrai: temperatūra ir tūris.

MKT teigimu, visos medžiagos yra sudarytos iš dalelių, kurios yra nuolatiniame šiluminiame judėjime ir sąveikauja viena su kita. Todėl net jei kūnas yra nejudantis ir turi nulinę potencinę energiją, jis turi energiją (vidinę energiją), kuri yra visa kūną sudarančių mikrodalelių judėjimo ir sąveikos energija. Vidinės energijos sudėtis apima:

1. molekulių transliacinio, sukimosi ir vibracinio judėjimo kinetinė energija;
2. potenciali atomų ir molekulių sąveikos energija;
3. intraatominė ir intrabranduolinė energija.

Termodinamikoje procesai laikomi tokioje temperatūroje, kurioje svyruojantis atomų judėjimas molekulėse nėra sužadinamas, t.y. ne aukštesnėje kaip 1000 K temperatūroje. Šiuose procesuose keičiasi tik pirmieji du vidinės energijos komponentai. Štai kodėl

pagal vidinė energija termodinamikoje jie supranta visų kūno molekulių ir atomų kinetinės energijos sumą ir jų sąveikos potencialią energiją.

Kūno vidinė energija lemia jo šiluminę būseną ir kinta pereinant iš vienos būsenos į kitą. Tam tikroje būsenoje kūnas turi aiškiai apibrėžtą vidinę energiją, nepriklausomą nuo proceso, dėl kurio jis perėjo į šią būseną. Todėl labai dažnai vadinama vidine energija kūno būklės funkcija.

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

kur i- laisvės laipsnis. Vienatominėms dujoms (pavyzdžiui, inertinėms dujoms) i= 3, dviatomei - i = 5.

Iš šių formulių matyti, kad idealių dujų vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros ir molekulių skaičiaus ir nepriklauso nuo tūrio ar slėgio. Todėl idealių dujų vidinės energijos kitimą lemia tik jų temperatūros pokytis ir nepriklauso nuo proceso, kurio metu dujos pereina iš vienos būsenos į kitą, pobūdžio:

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

kur ∆ T = T 2 - T 1 .

• Tikrų dujų molekulės sąveikauja viena su kita ir todėl turi potencialią energiją W p , kuris priklauso nuo atstumo tarp molekulių ir, atitinkamai, nuo tūrio, kurį užima dujos. Taigi realių dujų vidinė energija priklauso nuo jų temperatūros, tūrio ir molekulinės sandaros.

*Formulės išvedimas

Vidutinė molekulės kinetinė energija \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Molekulių skaičius dujose \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Todėl idealių dujų vidinė energija

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

Turint omenyje k⋅N A= R yra universali dujų konstanta, mes turime

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) yra idealių dujų vidinė energija.

Vidinės energijos pasikeitimas

Sprendžiant praktinius klausimus, reikšmingą vaidmenį vaidina ne pati vidinė energija, o jos pokytis Δ U = U 2 - U vienas . Vidinės energijos pokytis apskaičiuojamas remiantis energijos tvermės dėsniais.

Vidinė kūno energija gali keistis dviem būdais:

1. Gaminant mechaninis darbas. a) Jei išorinė jėga sukelia kūno deformaciją, tai kinta atstumai tarp dalelių, iš kurių jis susideda, ir atitinkamai keičiasi dalelių sąveikos potenciali energija. Esant neelastinėms deformacijoms, be to, kinta kūno temperatūra, t.y. kinta dalelių šiluminio judėjimo kinetinė energija. Tačiau kai kūnas deformuojamas, dirbama, tai yra kūno vidinės energijos kitimo matas. b) Vidinė kūno energija taip pat pasikeičia neelastingai susidūrus su kitu kūnu. Kaip matėme anksčiau, neelastingo kūnų susidūrimo metu jų kinetinė energija mažėja, ji virsta vidine energija (pavyzdžiui, kelis kartus plaktuku smogus į ant priekalo gulintį vielą, viela įkais). Kūno kinetinės energijos kitimo matas pagal kinetinės energijos teoremą yra veikiančių jėgų darbas. Šis darbas taip pat gali būti vidinės energijos pokyčių matas. c) Kūno vidinės energijos pokytis vyksta veikiant trinties jėgai, nes, kaip žinoma iš patirties, trintį visada lydi besitrinančių kūnų temperatūros pokytis. Trinties jėgos darbas gali būti vidinės energijos kitimo matas.
2. Su pagalba šilumos perdavimas. Pavyzdžiui, jei kūnas dedamas į degiklio liepsną, jo temperatūra pasikeis, taigi, pasikeis ir jo vidinė energija. Tačiau čia nedirbta, nes nebuvo matomo nei paties kūno, nei jo dalių judėjimo.

Sistemos vidinės energijos pokytis neatlikus darbo vadinamas šilumos mainai(šilumos perdavimas).

Yra trys šilumos perdavimo tipai: laidumas, konvekcija ir spinduliuotė.

a) šilumos laidumas yra šilumos mainų tarp kūnų (ar kūno dalių) tiesioginio kontakto su jais procesas dėl šiluminio chaotiško kūno dalelių judėjimo. Kietojo kūno molekulių svyravimų amplitudė yra didesnė, tuo aukštesnė jo temperatūra. Dujų šilumos laidumas atsiranda dėl energijos mainų tarp dujų molekulių susidūrimo metu. Skysčių atveju veikia abu mechanizmai. Medžiagos šilumos laidumas yra didžiausias kietoje būsenoje ir mažiausias dujinėje būsenoje.

b) Konvekcija yra šilumos perdavimas šildomais skysčio ar dujų srautais iš vienos jų užimamo tūrio dalies į kitą.

c) Šilumos perdavimas esant radiacija atliekami per atstumą elektromagnetinių bangų pagalba.

Leiskite mums išsamiau apsvarstyti, kaip pakeisti vidinę energiją.

mechaninis darbas

Nagrinėjant termodinaminius procesus, neatsižvelgiama į mechaninį makrokūnų judėjimą kaip visumą. Darbo samprata čia siejama su kūno tūrio pasikeitimu, t.y. judančios makrokūno dalys viena kitos atžvilgiu. Dėl šio proceso pasikeičia atstumas tarp dalelių, taip pat dažnai keičiasi jų judėjimo greitis, taigi, keičiasi kūno vidinė energija.

izobarinis procesas

Pirmiausia apsvarstykite izobarinį procesą. Balione su judančiu stūmokliu turi būti dujų temperatūros T 1 (1 pav.).

Lėtai pašildysime dujas iki temperatūros T 2. Dujos išsiplės izobariškai ir stūmoklis pajudės iš padėties 1 į padėtį 2 atstumas Δ l. Tokiu atveju dujų slėgio jėga veiks išorinius kūnus. Nes p= const, tada slėgio jėga F = p⋅S taip pat pastovus. Todėl šios jėgos darbą galima apskaičiuoti pagal formulę

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

kur ∆ V- dujų kiekio pasikeitimas.

• Jeigu dujų tūris nekinta (izochorinis procesas), tai dujų atliktas darbas lygus nuliui.

• Dujos veikia tik keičiant savo tūrį.

Išplečiant (Δ V> 0) su dujomis atliktas teigiamas darbas ( BET> 0); esant suspaudimui (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (BET < 0).

• Jei atsižvelgsime į išorinių jėgų darbą A " (BET " = –BET), tada su plėtimu (Δ V> 0) dujos BET " < 0); при сжатии (ΔV < 0) BET " > 0.

Parašykime Clapeyrono-Mendelejevo lygtį dviem dujų būsenoms:

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

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

Todėl, val izobarinis procesas

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

Jei ν = 1 mol, tada esant Δ Τ = 1 K gauname tai R yra skaitine prasme lygus A.

Taigi seka fizinė visuotinės dujų konstantos reikšmė: skaičiais lygus darbui, kurį atlieka 1 molis idealių dujų, kai jas izobariškai kaitina 1 K.

Ne izobarinis procesas

Diagramoje p (V) izobariniame procese darbas lygus stačiakampio, užtamsinto 2 paveiksle, a, plotui.

Jei procesas ne izobarinis(2 pav., b), tada funkcijos kreivė p = f(V) gali būti pavaizduota kaip trūkinė linija, susidedanti iš daugybės izochorų ir izobarų. Izochorinių ruožų darbas lygus nuliui, o bendras darbas visose izobarinėse atkarpose bus lygus

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

tie. bus lygus užtamsintos figūros plotas.

At izoterminis procesas (T= const) darbas yra lygus tamsinto paveikslo plotui, parodytam 2 paveiksle, c.

Nustatyti darbą pagal paskutinę formulę galima tik tada, kai žinoma, kaip keičiasi dujų slėgis keičiantis jų tūriui, t.y. funkcijos forma yra žinoma p = f(V).

Taigi aišku, kad net ir esant tokiam pat dujų tūrio pokyčiui, darbas priklausys nuo perėjimo būdo (t.y. nuo proceso: izoterminio, izobarinio...) nuo pradinės dujų būsenos iki galutinės. Todėl galima daryti išvadą, kad

• Termodinamikos darbas yra proceso, o ne būsenos funkcija.

Šilumos kiekis

Kaip žinia, įvairių mechaninių procesų metu kinta mechaninė energija W. Mechaninės energijos kitimo matas yra sistemai veikiančių jėgų darbas:

\(~\DeltaW = A.\)

Šilumos perdavimo metu keičiasi kūno vidinė energija. Vidinės energijos kitimo matas šilumos perdavimo metu yra šilumos kiekis.

Šilumos kiekis yra vidinės energijos kitimo šilumos perdavimo metu matas.

Taigi ir darbas, ir šilumos kiekis charakterizuoja energijos kitimą, tačiau nėra tapatūs vidinei energijai. Jie charakterizuoja ne pačios sistemos būseną (kaip daro vidinė energija), o lemia energijos perėjimo iš vienos formos į kitą (iš vieno kūno į kitą) procesą, kai būsena keičiasi ir iš esmės priklauso nuo proceso pobūdžio.

Pagrindinis skirtumas tarp darbo ir šilumos yra tas

• kūrinys apibūdina sistemos vidinės energijos keitimo procesą, lydimą energijos virsmo iš vienos rūšies į kitą (iš mechaninės į vidinę);
• šilumos kiekis apibūdina vidinės energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą procesą (nuo labiau įkaitinto iki mažiau šildomo), nelydimą energijos virsmų.

Šildymas (vėsinimas)

Patirtis rodo, kad šilumos kiekis reikalingas kūnui su mase sušildyti m temperatūros T 1 iki temperatūros T 2 apskaičiuojamas pagal formulę

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

kur c- medžiagos savitoji šiluminė talpa (lentelės vertė);

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

Savitosios šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui kelvino (J/(kg K)).

Specifinė šiluma c yra skaitine prasme lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas 1 kg masės kūnui, kad jis įkaistų 1 K.

Be specifinės šiluminės talpos, atsižvelgiama ir į tokį kiekį kaip kūno šiluminė talpa.

Šilumos talpa kūnas C skaičiais lygus šilumos kiekiui, kurio reikia norint pakeisti kūno temperatūrą 1 K:

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

Kūno šiluminės talpos SI vienetas yra džaulis kelvinui (J/K).

Garinimas (kondensatas)

Norint pastovioje temperatūroje skystį paversti garais, reikalingas šilumos kiekis yra

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

kur L- savitoji garavimo šiluma (lentelės vertė). Kondensuojantis garams išsiskiria tiek pat šilumos.

Specifinės garavimo šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui (J/kg).

Lydymas (kristalizacija)

Tam, kad ištirptų kristalinis kūnas su mase m lydymosi taške būtina, kad organizmas praneštų apie šilumos kiekį

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

kur λ - savitoji lydymosi šiluma (lentelės vertė). Kūno kristalizacijos metu išsiskiria tiek pat šilumos.

Specifinės lydymosi šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui (J/kg).

kuro deginimas

Šilumos kiekis, kuris išsiskiria visiškai sudegus kuro masei m,

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

kur q- savitoji degimo šiluma (lentelės vertė).

Savitosios degimo šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui (J/kg).

Literatūra

Aksenovičius L. A. Fizika vidurinėje mokykloje: teorija. Užduotys. Testai: Proc. pašalpa įstaigoms, teikiančioms bendrąsias. aplinkos, ugdymas / L. A. Aksenovičius, N. N. Rakina, K. S. Farino; Red. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

USE kodifikatoriaus temos Raktažodžiai: vidinė energija, šilumos perdavimas, šilumos perdavimo rūšys.

Bet kurio kūno dalelės – atomai ar molekulės – atlieka chaotišką nenutrūkstamą judesį (vad. terminis judėjimas). Todėl kiekviena dalelė turi tam tikrą kinetinę energiją.

Be to, materijos dalelės sąveikauja viena su kita elektros traukos ir atstūmimo jėgomis, taip pat per branduolines jėgas. Todėl visa tam tikro kūno dalelių sistema taip pat turi potencialią energiją.

Dalelių šiluminio judėjimo kinetinė energija ir jų sąveikos potenciali energija kartu sudaro naują energijos rūšį, kuri nėra redukuota iki mechaninės kūno energijos (t. y. viso kūno judėjimo ir kinetinės energijos). jo sąveikos su kitais kūnais potencialią energiją). Ši energijos rūšis vadinama vidine energija.

Kūno vidinė energija yra bendra jo dalelių šiluminio judėjimo kinetinė energija ir jų sąveikos potenciali energija.

Termodinaminės sistemos vidinė energija yra į sistemą įtrauktų kūnų vidinių energijų suma.

Taigi kūno vidinė energija susidaro iš šių terminų.

1. Nepertraukiamo chaotiško kūno dalelių judėjimo kinetinė energija.
2. Molekulių (atomų) potenciali energija dėl tarpmolekulinės sąveikos jėgų.
3. Elektronų energija atomuose.
4. Intrabranduolinė energija.

Paprasčiausio materijos modelio – idealių dujų – atveju galima gauti aiškią vidinės energijos formulę.

Monatominių idealių dujų vidinė energija

Potenciali idealių dujų dalelių sąveikos energija yra lygi nuliui (prisiminkime, kad idealiųjų dujų modelyje nepaisome dalelių sąveikos atstumu). Todėl monatominių idealių dujų vidinė energija sumažinama iki jų atomų transliacijos (daugiaatomėms dujoms taip pat reikia atsižvelgti į molekulių sukimąsi ir atomų virpesius molekulėse) visos kinetinės energijos. Šią energiją galima rasti padauginus dujų atomų skaičių iš vieno atomo vidutinės kinetinės energijos:

Matome, kad idealių dujų (kurių masė ir cheminė sudėtis nesikeičia) vidinė energija priklauso tik nuo jų temperatūros. Tikram dujiniam, skystam ar kietam kūnui vidinė energija taip pat priklausys nuo tūrio – juk keičiantis tūriui, keičiasi santykinė dalelių padėtis ir dėl to jų sąveikos potenciali energija.

Būsenos funkcija

Svarbiausia vidinės energijos savybė yra ta, kad ji yra valstybinė funkcija termodinamine sistema. Būtent, vidinė energija yra vienareikšmiškai nulemta sistemą charakterizuojančių makroskopinių parametrų rinkinio ir nepriklauso nuo sistemos „priešistorės“, t.y. apie būseną, kurioje sistema buvo anksčiau ir kaip konkrečiai ji atsidūrė tokia būsena.

Taigi, sistemai pereinant iš vienos būsenos į kitą, jos vidinės energijos kitimą lemia tik pradinė ir galutinė sistemos būsenos ir nepriklauso nuo perėjimo iš pradinės būsenos į galutinį kelią. Jei sistema grįžta į pradinę būseną, tai jos vidinės energijos pokytis lygus nuliui.

Patirtis rodo, kad yra tik du būdai pakeisti vidinę kūno energiją:

Mechaninių darbų atlikimas;
šilumos perdavimas.

Paprasčiau tariant, virdulį galite pašildyti tik dviem iš esmės skirtingais būdais: kažkuo patrinkite arba padėkite ant ugnies :-) Panagrinėkime šiuos būdus plačiau.

Vidinės energijos pokytis: darbas

Jei darbas atliktas aukščiau kūno, didėja vidinė kūno energija.

Pavyzdžiui, vinis po smūgio plaktuku įkaista ir šiek tiek deformuojasi. Tačiau temperatūra yra kūno dalelių vidutinės kinetinės energijos matas. Nagų kaitinimas rodo jo dalelių kinetinės energijos padidėjimą: iš tikrųjų dalelės pagreitina plaktuko smūgį ir vinies trintį į lentą.

Deformacija yra ne kas kita, kaip dalelių pasislinkimas viena kitos atžvilgiu; Po smūgio nagas patiria kompresinę deformaciją, jo dalelės artėja viena prie kitos, tarp jų didėja atstumiančios jėgos, o tai lemia nago dalelių potencialios energijos padidėjimą.

Taigi, padidėjo vidinė nago energija. Tai buvo atlikto darbo rezultatas – darbą atliko plaktukas ir trinties jėga ant lentos.

Jei darbas atliktas patys kūno, tada mažėja vidinė kūno energija.

Pavyzdžiui, leiskite suslėgtam orui termiškai izoliuotame inde po stūmokliu išsiplėsti ir pakelti tam tikrą apkrovą, taip atlikdami darbą (procesas termiškai izoliuotame inde vadinamas adiabatinis. Adiabatinį procesą tirsime atsižvelgdami į pirmąjį termodinamikos dėsnį). Tokio proceso metu oras bus vėsinamas – jo molekulės, atsitrenkdamos po judančio stūmoklio, suteikia jam dalį savo kinetinės energijos. (Taip pat futbolininkas, stabdydamas greitai skriejantį kamuolį koja, daro judesį koja iš rutulį ir užgesina jo greitį.) Todėl oro vidinė energija mažėja.

Todėl oras veikia dėl savo vidinės energijos: kadangi indas yra termiškai izoliuotas, energija į orą nepatenka iš jokių išorinių šaltinių, o oras darbui energijos gali pasisemti tik iš savo rezervų.

Vidinės energijos pokytis: šilumos perdavimas

Šilumos perdavimas – tai vidinės energijos perdavimo iš karštesnio kūno į šaltesnį procesas, nesusijęs su mechaninio darbo atlikimu.. Šilumos perdavimas gali būti atliekamas arba tiesioginiu kūnų kontaktu, arba per tarpinę terpę (ir net per vakuumą). Šilumos perdavimas taip pat vadinamas šilumos mainai.

Yra trys šilumos perdavimo tipai: laidumas, konvekcija ir šiluminė spinduliuotė.

Dabar mes pažvelgsime į juos išsamiau.

Šilumos laidumas

Jei į ugnį įkišai geležinį strypą vienu galu, tai, kaip žinome, ilgai jo rankoje laikyti negali. Patekę į aukštos temperatūros sritį, geležies atomai pradeda intensyviau vibruoti (t. y. įgauna papildomos kinetinės energijos) ir daro stipresnius smūgius kaimynams.

Taip pat didėja kaimyninių atomų kinetinė energija, o dabar šie atomai suteikia papildomos kinetinės energijos savo kaimynams. Taigi iš sekcijos į sekciją šiluma pamažu sklinda išilgai strypo – nuo ​​įdėto į ugnį galo iki mūsų rankos. Tai šilumos laidumas (1 pav.) (Vaizdas iš educationelectronicsusa.com).

Ryžiai. 1. Šilumos laidumas

Šilumos laidumas – tai vidinės energijos perdavimas iš labiau šildomų kūno dalių į mažiau įkaitusias dėl šiluminio judėjimo ir kūno dalelių sąveikos..

Skirtingų medžiagų šilumos laidumas skiriasi. Metalai pasižymi dideliu šilumos laidumu: sidabras, varis ir auksas yra geriausi šilumos laidininkai. Skysčių šilumos laidumas yra daug mažesnis. Dujos praleidžia šilumą taip blogai, kad jau priklauso šilumos izoliatoriams: dėl didelių atstumų tarp jų dujų molekulės silpnai sąveikauja viena su kita. Štai kodėl, pavyzdžiui, languose daromi dvigubi rėmai: oro sluoksnis neleidžia šilumai išeiti).

Todėl porėti kūnai, tokie kaip plyta, vilna ar kailis, yra prastai laidūs šilumą. Jų porose yra oro. Nenuostabu, kad mūriniai namai laikomi šilčiausiais, o šaltu oru žmonės dėvi kailinius ir striukes su pūkų ar paminkštinimu poliesterio sluoksniu.

Bet jei oras taip prastai praleidžia šilumą, kodėl kambarys įšyla nuo akumuliatoriaus?

Taip nutinka dėl kitokio šilumos perdavimo – konvekcijos.

Konvekcija

Konvekcija yra vidinės energijos perdavimas skysčiuose ar dujose dėl srautų cirkuliacijos ir medžiagų maišymosi..

Šalia akumuliatoriaus esantis oras įkaista ir plečiasi. Šį orą veikianti gravitacijos jėga išlieka ta pati, tačiau supančio oro plūduriavimo jėga didėja, todėl įkaitęs oras pradeda plaukti link lubų. Vietoj jo ateina šaltas oras (tas pats procesas, tik daug didesniu mastu, nuolat vyksta gamtoje: taip kyla vėjas), su kuriuo kartojasi tas pats.

Dėl to susidaro oro cirkuliacija, kuri yra konvekcijos pavyzdys - šilumos paskirstymas patalpoje atliekamas oro srovėmis.

Visiškai analogiškas procesas gali būti stebimas skystyje. Kai ant viryklės pastatote virdulį ar puodą su vandeniu, vanduo pirmiausia įkaista dėl konvekcijos (vandens šilumos laidumo indėlis čia labai nežymus).

Konvekcinės srovės ore ir skystyje parodytos fig. 2 (vaizdai iš physics.arizona.edu).

Ryžiai. 2. Konvekcija

Kietosiose medžiagose konvekcijos nėra: dalelių sąveikos jėgos didelės, dalelės svyruoja šalia fiksuotų erdvinių taškų (kristalinės gardelės mazgų), tokiomis sąlygomis negali susidaryti jokie medžiagų srautai.

Konvekcinių srovių cirkuliacijai šildant patalpą būtina, kad šildomas oras buvo kur plaukti. Jei radiatorius sumontuotas po lubomis, tada cirkuliacija nebus - šiltas oras liks po lubomis. Štai kodėl dedami šildymo prietaisai apačioje kambariai. Dėl tos pačios priežasties jie uždėjo virdulį ant gaisras, dėl kurio kylantys įkaitę vandens sluoksniai užleidžia vietą šaltesniems.

Priešingai, kondicionierius turi būti pastatytas kuo aukščiau: tada atvėsęs oras pradės leistis žemyn, o į jo vietą ateis šiltesnis oras. Cirkuliacija vyks priešinga kryptimi, palyginti su srautų judėjimu šildant patalpą.

šiluminė spinduliuotė

Kaip Žemė gauna energiją iš Saulės? Šilumos laidumas ir konvekcija neįtraukiami: mus skiria 150 milijonų kilometrų beorės erdvės.

Čia yra trečiasis šilumos perdavimo tipas - šiluminė spinduliuotė. Spinduliuotė gali plisti tiek materijoje, tiek vakuume. Kaip tai atsiranda?

Pasirodo, elektrinis ir magnetinis laukai yra glaudžiai susiję vienas su kitu ir turi vieną nepaprastą savybę. Jei elektrinis laukas keičiasi laikui bėgant, jis sukuria magnetinį lauką, kuris, paprastai kalbant, taip pat keičiasi laikui bėgant (daugiau apie tai bus aptarta elektromagnetinės indukcijos lankstinuke). Savo ruožtu kintamasis magnetinis laukas sukuria kintamąjį elektrinį lauką, kuris vėl sukuria kintamąjį magnetinį lauką, kuris vėl sukuria kintamąjį elektrinį lauką ...

Dėl šio proceso vystymosi elektromagnetinė banga- "užsikabinę" vienas už kitą elektriniai ir magnetiniai laukai. Kaip ir garsas, elektromagnetinės bangos turi sklidimo greitį ir dažnį – šiuo atveju tai yra dažnis, kuriuo bangoje svyruoja laukų dydžiai ir kryptys. Matoma šviesa yra ypatingas elektromagnetinių bangų atvejis.

Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis vakuume milžiniškas: km/s. Taigi, nuo Žemės iki Mėnulio šviesa keliauja šiek tiek daugiau nei sekundę.

Elektromagnetinių bangų dažnių diapazonas yra labai platus. Apie elektromagnetinių bangų skalę plačiau pakalbėsime atitinkamame lape. Atkreipiame dėmesį tik į tai, kad matoma šviesa yra nedidelis šios skalės diapazonas. Po juo slypi infraraudonosios spinduliuotės dažniai, aukščiau – ultravioletinės spinduliuotės dažniai.

Prisiminkite, kad atomai, paprastai būdami elektriškai neutralūs, turi teigiamai įkrautų protonų ir neigiamo krūvio elektronų. Šios įkrautos dalelės, chaotiškai judėdamos kartu su atomais, sukuria kintamus elektrinius laukus ir taip spinduliuoja elektromagnetines bangas. Šios bangos vadinamos šiluminė spinduliuotė- kaip priminimą, kad jų šaltinis yra šiluminis medžiagos dalelių judėjimas.

Bet koks kūnas yra šiluminės spinduliuotės šaltinis. Šiuo atveju spinduliuotė neša dalį savo vidinės energijos. Susitikusi su kito kūno atomais, spinduliuotė juos pagreitina savo svyruojančiu elektriniu lauku, o šio kūno vidinė energija didėja. Taip lepinamės saulėje.

Esant įprastoms temperatūroms, šiluminės spinduliuotės dažniai yra infraraudonųjų spindulių diapazone, todėl akis to nesuvokia (nematome, kaip „šviečiame“). Kai kūnas įkaista, jo atomai pradeda skleisti aukštesnio dažnio bangas. Geležinė vinis gali būti įkaitusi – pašildyta iki tokios temperatūros, kad jos šiluminė spinduliuotė patektų į apatinę (raudoną) matomo diapazono dalį. O Saulė mums atrodo geltonai balta: temperatūra Saulės paviršiuje tokia aukšta, kad jos spinduliavimo spektre yra visi matomos šviesos dažniai ir net ultravioletiniai, kurių dėka mes deginamės.

Dar kartą pažvelkime į tris šilumos perdavimo tipus (3 pav.) (vaizdai iš beodom.com).

Ryžiai. 3. Trys šilumos perdavimo tipai: laidumas, konvekcija ir spinduliuotė