Energia wewnętrzna ciała to energia wewnętrzna gazu doskonałego. Energia wewnętrzna gazu doskonałego - cechy, teoria i wzór

Widzisz startującą rakietę. Wykonuje pracę - podnosi astronautów i ładunek. Energia kinetyczna rakiety wzrasta, gdy rakieta nabiera coraz większej prędkości w miarę wznoszenia się. Zwiększa się również energia potencjalna rakiety, gdy wznosi się coraz wyżej nad Ziemią. Zatem suma tych energii, czyli wzrasta również energia mechaniczna rakiety.

Pamiętamy, że kiedy organizm pracuje, jego energia spada. Jednak rakieta działa, ale jej energia nie maleje, ale wzrasta! Jakie jest rozwiązanie sprzeczności? Okazuje się, że oprócz energii mechanicznej istnieje jeszcze inny rodzaj energii - energia wewnętrzna. To właśnie poprzez zmniejszenie energii wewnętrznej palącego się paliwa rakieta wykonuje pracę mechaniczną, a ponadto zwiększa swoją energię mechaniczną.

Nie tylko palny, ale również gorący ciała mają energię wewnętrzną, którą można łatwo przekształcić w pracę mechaniczną. Zróbmy eksperyment. Podgrzewamy odważnik we wrzącej wodzie i kładziemy go na blaszanym pudełku przymocowanym do manometru. Gdy powietrze w skrzynce nagrzewa się, płyn w manometrze zacznie się poruszać (patrz rysunek).

Rozprężające się powietrze działa na płyn. Z powodu jakiej energii to się dzieje? Oczywiście ze względu na wewnętrzną energię kettlebell. Dlatego w tym eksperymencie obserwujemy przekształcenie energii wewnętrznej ciała w pracę mechaniczną. Zauważ, że energia mechaniczna ciężarka w tym eksperymencie nie zmienia się - zawsze jest równa zeru.

Więc, energia wewnętrzna- jest to taka energia ciała, dzięki której można wykonywać pracę mechaniczną, nie powodując jednocześnie spadku energii mechanicznej tego ciała.

Energia wewnętrzna każdego ciała zależy od wielu powodów: rodzaju i stanu jego substancji, masy i temperatury ciała i innych. Wszystkie ciała mają energię wewnętrzną: duże i małe, gorące i zimne, stałe, płynne i gazowe.

Najłatwiej wykorzystać na potrzeby człowieka energię wewnętrzną tylko, mówiąc w przenośni, gorących i palnych substancji i ciał. Są to ropa, gaz, węgiel, źródła geotermalne w pobliżu wulkanów i tak dalej. Ponadto w XX wieku człowiek nauczył się wykorzystywać energię wewnętrzną tzw. substancji promieniotwórczych. Są to na przykład uran, pluton i inne.

Spójrz na prawą stronę diagramu. W literaturze popularnej często wymienia się energię cieplną, chemiczną, elektryczną, atomową (jądrową) i inne rodzaje energii. Wszystkie z reguły są odmianami energii wewnętrznej, ponieważ można je wykorzystać do wykonywania pracy mechanicznej bez powodowania utraty energii mechanicznej. Bardziej szczegółowo rozważymy pojęcie energii wewnętrznej w dalszych badaniach fizyki.

ich interakcje.

Energia wewnętrzna jest zawarta w bilans przemian energetycznych w przyrodzie. Po sformułowaniu odkrycia wewnętrznej energii prawo zachowania i transformacji energii. Rozważ wzajemną transformację energii mechanicznych i wewnętrznych. Niech ołowiana kula leży na ołowianej płycie. Podnieśmy to i puśćmy. Kiedy podnieśliśmy piłkę, poinformowaliśmy ją o energii potencjalnej. Kiedy piłka spada, spada, ponieważ piłka spada coraz niżej. Ale wraz ze wzrostem prędkości energia kinetyczna piłki stopniowo wzrasta. Energia potencjalna piłki jest zamieniana na energię kinetyczną. Ale wtedy piłka uderzyła w ołowianą płytę i zatrzymała się. Zarówno jego energia kinetyczna, jak i potencjalna względem płyty stały się równe zeru. Patrząc na kulę i płytę po uderzeniu, zobaczymy, że ich stan się zmienił: kula jest lekko spłaszczona, a na płycie utworzyło się małe wgniecenie; kiedy mierzymy ich temperaturę, stwierdzamy, że się rozgrzały.

Ogrzewanie oznacza wzrost średniej energii kinetycznej cząsteczek organizmu. Podczas deformacji zmienia się względne położenie cząstek ciała, a zatem zmienia się również ich energia potencjalna.

Można zatem argumentować, że w wyniku uderzenia kuli w płytkę energia mechaniczna, którą kulka posiadała na początku eksperymentu, zamienia się na energia wewnętrzna ciała.

Nietrudno zaobserwować odwrotne przejście energii wewnętrznej w energię mechaniczną.

Na przykład, jeśli weźmiesz grubościenne szklane naczynie i wpompujesz do niego powietrze przez otwór w korku, to po pewnym czasie korek wyleci z naczynia. W tym momencie w naczyniu tworzy się mgła. Pojawienie się mgły oznacza, że ​​powietrze w statku ochłodziło się, a co za tym idzie, zmniejszyła się jego energia wewnętrzna. Wyjaśnia to fakt, że sprężone powietrze w naczyniu, wypychając korek (tj. rozszerzając), wykonało pracę, zmniejszając jego energię wewnętrzną. Energia kinetyczna korka wzrosła dzięki energii wewnętrznej sprężonego powietrza.

Tak więc jednym ze sposobów zmiany wewnętrznej energii ciała jest praca wykonywana przez cząsteczki ciała (lub inne ciała) na danym ciele. Sposobem na zmianę wewnętrznej energii bez wykonywania pracy jest wymiana ciepła.

Energia wewnętrzna idealnego gazu jednoatomowego.

Ponieważ cząsteczki gazu doskonałego nie oddziałują ze sobą, ich energia potencjalna jest uważana za zero. Energia wewnętrzna gazu doskonałego jest określana jedynie przez energię kinetyczną losowego ruchu translacyjnego jego cząsteczek. Aby to obliczyć, musisz pomnożyć średnią energię kinetyczną jednego atomu przez liczbę atomów . Jeśli się uwzględni k N A = R otrzymujemy wartość energii wewnętrznej gazu doskonałego:

.

Energia wewnętrzna idealnego gazu jednoatomowego jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. Jeśli użyjemy równania Clapeyrona-Mendeleeva, to wyrażenie na energię wewnętrzną gazu doskonałego można przedstawić jako:

.

Należy zauważyć, że zgodnie z wyrażeniem na średnią energię kinetyczną jednego atomu oraz ze względu na losowość ruchu, dla każdego z trzech możliwych kierunków ruchu lub każdego stopień wolności, wzdłuż osi X, Tak oraz Z mają taką samą energię.

Liczba stopni swobody to liczba możliwych niezależnych kierunków ruchu cząsteczek.

Gaz, którego każda cząsteczka składa się z dwóch atomów, nazywa się dwuatomowym. Każdy atom może poruszać się w trzech kierunkach, więc łączna liczba możliwych kierunków ruchu wynosi 6. Ze względu na połączenie między cząsteczkami liczba stopni swobody zmniejsza się o jeden, zatem liczba stopni swobody dla cząsteczki dwuatomowej wynosi pięć.

Średnia energia kinetyczna cząsteczki dwuatomowej wynosi . W związku z tym energia wewnętrzna idealnego gazu dwuatomowego wynosi:

.

Wzory na energię wewnętrzną gazu doskonałego można uogólnić:

.

gdzie i to liczba stopni swobody cząsteczek gazu ( i= 3 dla jednoatomowych i i= 5 dla gazu dwuatomowego).

W przypadku gazów idealnych energia wewnętrzna zależy tylko od jednego parametru makroskopowego - temperatury i nie zależy od objętości, ponieważ energia potencjalna wynosi zero (objętość określa średnią odległość między cząsteczkami).

W przypadku gazów rzeczywistych energia potencjalna nie jest równa zeru. Dlatego energia wewnętrzna w termodynamice w ogólnym przypadku jest jednoznacznie określona przez parametry charakteryzujące stan tych ciał: objętość (V) i temperatura (T).

« Fizyka - klasa 10 "

Zjawiska cieplne można opisać za pomocą wielkości (parametrów makroskopowych) mierzonych przez przyrządy takie jak manometr i termometr. Urządzenia te nie reagują na wpływ pojedynczych cząsteczek. Nazywa się teorię procesów termicznych, która nie uwzględnia struktury molekularnej ciał termodynamika. W termodynamice procesy są rozpatrywane z punktu widzenia konwersji ciepła na inne formy energii.

Czym jest energia wewnętrzna.
Jakie znasz sposoby zmiany wewnętrznej energii?

Termodynamika powstała w połowie XIX wieku. po odkryciu prawa zachowania energii. Opiera się na koncepcji energia wewnętrzna. Sama nazwa „wewnętrzny” implikuje rozważenie systemu jako zespołu poruszających się i oddziałujących cząsteczek. Zastanówmy się nad pytaniem, jaki związek istnieje między termodynamiką a teorią kinetyki molekularnej.

Termodynamika i mechanika statystyczna.

Pierwszą naukową teorią procesów termicznych nie była teoria kinetyki molekularnej, ale termodynamika.

Termodynamika powstała w badaniu optymalnych warunków wykorzystania ciepła do pracy. Stało się to w połowie XIX wieku, na długo przed tym, zanim teoria kinetyki molekularnej zyskała powszechną akceptację. Jednocześnie udowodniono, że ciała makroskopowe oprócz energii mechanicznej posiadają również energię zawartą w samych ciałach.

Obecnie w nauce i technologii, w badaniu zjawisk termicznych, stosuje się zarówno termodynamikę, jak i teorię kinetyki molekularnej. W fizyce teoretycznej nazywa się teorię kinetyki molekularnej mechanika statystyczna

Termodynamika i mechanika statystyczna badają te same zjawiska różnymi metodami i wzajemnie się uzupełniają.

układ termodynamiczny nazwany zbiorem oddziałujących ze sobą ciał wymieniających energię i materię.

Energia wewnętrzna w teorii kinetyki molekularnej.

Podstawowym pojęciem termodynamiki jest pojęcie energii wewnętrznej.

Energia wewnętrzna ciała(systemy) to suma energii kinetycznej chaotycznego ruchu termicznego cząsteczek i energii potencjalnej ich oddziaływania.

Energia mechaniczna ciała (układu) jako całości nie jest zawarta w energii wewnętrznej. Na przykład energia wewnętrzna gazów w dwóch identycznych naczyniach w równych warunkach jest taka sama niezależnie od ruchu naczyń i ich położenia względem siebie.

Praktycznie niemożliwe jest obliczenie energii wewnętrznej ciała (lub jej zmiany), biorąc pod uwagę ruch poszczególnych cząsteczek i ich położenie względem siebie, ze względu na ogromną liczbę cząsteczek w ciałach makroskopowych. Dlatego konieczna jest możliwość wyznaczenia wartości energii wewnętrznej (lub jej zmiany) w zależności od parametrów makroskopowych, które można bezpośrednio zmierzyć.

Energia wewnętrzna idealnego gazu jednoatomowego.

Obliczmy energię wewnętrzną idealnego gazu jednoatomowego.

Zgodnie z modelem cząsteczki gazu doskonałego nie oddziałują ze sobą, dlatego energia potencjalna ich oddziaływania wynosi zero. Cała energia wewnętrzna gazu doskonałego jest określona przez energię kinetyczną przypadkowego ruchu jego cząsteczek.

Aby obliczyć energię wewnętrzną idealnego gazu jednoatomowego o masie m, należy pomnożyć średnią energię kinetyczną jednego atomu przez liczbę atomów. Biorąc pod uwagę, że kN A = R, otrzymujemy wzór na energię wewnętrzną gazu doskonałego:

Energia wewnętrzna idealnego gazu jednoatomowego jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej.

Nie zależy to od objętości i innych parametrów makroskopowych układu.

Zmiana energii wewnętrznej gazu doskonałego

tj. jest determinowany przez temperatury stanu początkowego i końcowego gazu i nie zależy od procesu.

Jeśli gaz doskonały składa się z bardziej złożonych cząsteczek niż gaz jednoatomowy, to jego energia wewnętrzna jest również proporcjonalna do temperatury bezwzględnej, ale współczynnik proporcjonalności między U i T jest inny. Wyjaśnia to fakt, że złożone cząsteczki nie tylko poruszają się do przodu, ale także obracają się i oscylują wokół swoich pozycji równowagi. Energia wewnętrzna takich gazów jest równa sumie energii ruchów translacyjnych, obrotowych i wibracyjnych cząsteczek. Dlatego energia wewnętrzna gazu wieloatomowego jest większa niż energia gazu jednoatomowego w tej samej temperaturze.

Zależność energii wewnętrznej od parametrów makroskopowych.

Ustaliliśmy, że energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy od jednego parametru - temperatury.

Dla rzeczywistych gazów, cieczy i ciał stałych średnia potencjalna energia oddziaływania cząsteczek nie równa zeru. Co prawda dla gazów jest to znacznie mniej niż średnia energia kinetyczna cząsteczek, ale dla ciał stałych i ciekłych jest z nią porównywalna.

Średnia energia potencjalna oddziaływania cząsteczek gazu zależy od objętości substancji, ponieważ wraz ze zmianą objętości zmienia się średnia odległość między cząsteczkami. W konsekwencji energia wewnętrzna gazu rzeczywistego w termodynamice ogólnie zależy, wraz z temperaturą T, od objętości V.

Czy można argumentować, że energia wewnętrzna gazu rzeczywistego zależy od ciśnienia, opartego na fakcie, że ciśnienie można wyrazić w postaci temperatury i objętości gazu.

Wartości parametrów makroskopowych (temperatury T objętości V itp.) jednoznacznie określają stan ciał. Dlatego określają również energię wewnętrzną ciał makroskopowych.

Energia wewnętrzna U ciał makroskopowych jest jednoznacznie określona przez parametry charakteryzujące stan tych ciał: temperaturę i objętość.

Według MKT wszystkie substancje składają się z cząstek, które są w ciągłym ruchu termicznym i oddziałują ze sobą. Dlatego nawet jeśli ciało jest nieruchome i ma zerową energię potencjalną, to posiada energię (energię wewnętrzną), która jest całkowitą energią ruchu i oddziaływania mikrocząstek tworzących ciało. Skład energii wewnętrznej obejmuje:

1. energia kinetyczna ruchu translacyjnego, obrotowego i oscylacyjnego cząsteczek;
2. energia potencjalna oddziaływania atomów i cząsteczek;
3. energia wewnątrzatomowa i wewnątrzjądrowa.

W termodynamice rozważa się procesy w temperaturach, w których ruch oscylacyjny atomów w cząsteczkach nie jest wzbudzony, tj. w temperaturach nieprzekraczających 1000 K. W tych procesach zmieniają się tylko dwa pierwsze składniki energii wewnętrznej. Dlatego

pod energia wewnętrzna w termodynamice rozumieją sumę energii kinetycznej wszystkich cząsteczek i atomów ciała oraz energię potencjalną ich interakcji.

Energia wewnętrzna ciała determinuje jego stan cieplny i zmienia się podczas przechodzenia z jednego stanu do drugiego. W danym stanie ciało ma dobrze określoną energię wewnętrzną, niezależną od procesu w wyniku którego przeszło w ten stan. Dlatego energia wewnętrzna jest bardzo często nazywana funkcja stanu ciała.

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

gdzie i- stopień wolności. Dla gazu jednoatomowego (na przykład gazów obojętnych) i= 3, dla dwuatomowej - i = 5.

Z tych wzorów widać, że energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury i liczby cząsteczek i nie zależy od objętości ani ciśnienia. Dlatego zmiana energii wewnętrznej gazu doskonałego jest determinowana jedynie zmianą jego temperatury i nie zależy od charakteru procesu, w którym gaz przechodzi z jednego stanu do drugiego:

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

gdzie T = T 2 - T 1 .

• Cząsteczki gazów rzeczywistych oddziałują ze sobą i dlatego mają energię potencjalną W p , który zależy od odległości między cząsteczkami, a w konsekwencji od objętości zajmowanej przez gaz. Tak więc energia wewnętrzna gazu rzeczywistego zależy od jego temperatury, objętości i struktury molekularnej.

*Pochodzenie wzoru

Średnia energia kinetyczna cząsteczki \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Liczba cząsteczek w gazie \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Dlatego energia wewnętrzna gazu doskonałego

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

Jeśli się uwzględni k⋅N A= R jest uniwersalną stałą gazową, którą mamy

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) to energia wewnętrzna gazu doskonałego.

Zmiana energii wewnętrznej

W rozwiązaniu praktycznych problemów to nie sama energia wewnętrzna odgrywa znaczącą rolę, ale jej zmiana Δ U = U 2 - U jeden . Zmiana energii wewnętrznej jest obliczana na podstawie zasad zachowania energii.

Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać na dwa sposoby:

1. Podczas robienia Praca mechaniczna. a) Jeżeli siła zewnętrzna powoduje deformację ciała, to zmieniają się odległości między cząstkami, z których się składa, a co za tym idzie, zmienia się energia potencjalna oddziaływania cząstek. Przy odkształceniach niesprężystych dodatkowo zmienia się temperatura ciała, tj. zmienia się energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek. Ale kiedy ciało jest zdeformowane, praca jest wykonywana, co jest miarą zmiany wewnętrznej energii ciała. b) Energia wewnętrzna ciała zmienia się również podczas jego niesprężystego zderzenia z innym ciałem. Jak widzieliśmy wcześniej, podczas niesprężystego zderzenia ciał, ich energia kinetyczna maleje, zamienia się w energię wewnętrzną (np. jeśli uderzysz młotkiem w drut leżący na kowadle, drut się nagrzeje). Miarą zmiany energii kinetycznej ciała jest, zgodnie z twierdzeniem o energii kinetycznej, praca działających sił. Praca ta może również służyć jako miara zmian energii wewnętrznej. c) Zmiana energii wewnętrznej ciała następuje pod działaniem siły tarcia, ponieważ, jak wiadomo z doświadczenia, tarciu zawsze towarzyszy zmiana temperatury ciał trących. Praca siły tarcia może służyć jako miara zmiany energii wewnętrznej.
2. Z pomocą wymiana ciepła. Na przykład, jeśli ciało zostanie umieszczone w płomieniu palnika, zmieni się jego temperatura, a zatem zmieni się również jego energia wewnętrzna. Jednak nie wykonano tu żadnej pracy, ponieważ nie było widocznego ruchu ani samego ciała, ani jego części.

Nazywa się zmianę energii wewnętrznej systemu bez wykonywania pracy wymiana ciepła(przenoszenie ciepła).

Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

a) przewodność cieplna to proces wymiany ciepła między ciałami (lub częściami ciała) w ich bezpośrednim kontakcie, spowodowany termicznym chaotycznym ruchem cząstek ciała. Amplituda oscylacji cząsteczek ciała stałego jest tym większa, im wyższa jest jego temperatura. Przewodność cieplna gazów wynika z wymiany energii między cząsteczkami gazu podczas ich zderzeń. W przypadku płynów działają oba mechanizmy. Przewodność cieplna substancji jest maksymalna w stanie stałym i minimalna w stanie gazowym.

b) Konwekcja to przenoszenie ciepła przez podgrzane przepływy cieczy lub gazu z jednej części zajmowanej przez nie objętości do drugiej.

c) Przenikanie ciepła przy promieniowanie przeprowadzane na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych.

Rozważmy bardziej szczegółowo, jak zmienić energię wewnętrzną.

Praca mechaniczna

Rozważając procesy termodynamiczne, nie bierze się pod uwagę mechanicznego ruchu makrociał jako całości. Pojęcie pracy tutaj wiąże się ze zmianą objętości ciała, tj. ruchome części makrociała względem siebie. Proces ten prowadzi do zmiany odległości między cząsteczkami, a także często do zmiany prędkości ich ruchu, a więc do zmiany energii wewnętrznej ciała.

proces izobaryczny

Rozważmy najpierw proces izobaryczny. Niech w butli z ruchomym tłokiem będzie gaz o temperaturze T 1 (rys. 1).

Powoli podgrzejemy gaz do temperatury T 2. Gaz rozszerzy się izobarycznie, a tłok przesunie się z pozycji 1 na pozycję 2 odległość Δ ja. W takim przypadku siła nacisku gazu zadziała na ciała zewnętrzne. Dlatego p= const, to siła nacisku F = p⋅S również stały. Dlatego pracę tej siły można obliczyć ze wzoru

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

gdzie V- zmiana objętości gazu.

• Jeżeli objętość gazu się nie zmienia (proces izochoryczny), to praca wykonana przez gaz wynosi zero.

• Gaz działa tylko w procesie zmiany swojej objętości.

Podczas rozwijania (Δ V> 0) na gazie wykonywana jest pozytywna praca ( ALE> 0); pod kompresją (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (ALE < 0).

• Jeśli weźmiemy pod uwagę działanie sił zewnętrznych A " (ALE " = –ALE), a następnie z rozszerzeniem (Δ V> 0) gaz ALE " < 0); при сжатии (ΔV < 0) ALE " > 0.

Napiszmy równanie Clapeyrona-Mendeleeva dla dwóch stanów gazu:

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

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

Dlatego kiedy proces izobaryczny

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

Jeśli ν = 1 mol, to przy Δ Τ = 1 K otrzymujemy to R jest liczbowo równa A.

Stąd wynika fizyczne znaczenie uniwersalnej stałej gazowej: jest liczbowo równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego, gdy jest on ogrzany izobarycznie o 1 K.

Nie proces izobaryczny

Na wykresie p (V) w procesie izobarycznym praca jest równa powierzchni prostokąta zacienionego na rysunku 2, a.

Jeśli proces nie izobaryczny(Rys. 2, b), następnie krzywa funkcji p = f(V) można przedstawić jako linię przerywaną składającą się z dużej liczby izochorów i izobar. Praca na przekrojach izochorycznych jest równa zeru, a sumaryczna praca na wszystkich przekrojach izobarycznych będzie równa

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

tych. będzie równy obszar cieniowanej figury.

Na proces izotermiczny (T= const) praca jest równa powierzchni zacienionej figury pokazanej na rysunku 2, c.

Możliwe jest określenie pracy za pomocą ostatniego wzoru tylko wtedy, gdy wiadomo, jak zmienia się ciśnienie gazu wraz ze zmianą jego objętości, tj. forma funkcji jest znana p = f(V).

Jest więc jasne, że nawet przy tej samej zmianie objętości gazu praca będzie zależeć od sposobu przejścia (tj. od procesu: izotermicznego, izobarycznego ...) ze stanu początkowego gazu do stanu końcowego. W związku z tym można stwierdzić, że

• Praca w termodynamice jest funkcją procesu, a nie funkcją stanu.

Ilość ciepła

Jak wiadomo, podczas różnych procesów mechanicznych następuje zmiana energii mechanicznej W. Miarą zmiany energii mechanicznej jest praca sił przyłożonych do układu:

\(~\DeltaW = A.\)

Podczas wymiany ciepła następuje zmiana energii wewnętrznej ciała. Miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła jest ilość ciepła.

Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła.

Tak więc zarówno praca, jak i ilość ciepła charakteryzują zmianę energii, ale nie są identyczne z energią wewnętrzną. Nie charakteryzują one stanu samego układu (jak energia wewnętrzna), ale określają proces przejścia energii z jednej postaci w drugą (z jednego ciała do drugiego), gdy stan się zmienia i zależy zasadniczo od charakteru tego procesu.

Główna różnica między pracą a ciepłem polega na tym

• praca charakteryzuje proces zmiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy transformacja energii z jednego typu na inny (z mechanicznej na wewnętrzną);
• ilość ciepła charakteryzuje proces przenoszenia energii wewnętrznej z jednego ciała do drugiego (od bardziej nagrzanego do mniej nagrzanego), któremu nie towarzyszą przemiany energetyczne.

Ogrzewanie (chłodzenie)

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o masie m temperatura T 1 do temperatury T 2 oblicza się według wzoru

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

gdzie c- ciepło właściwe substancji (wartość z tabeli);

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

Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest dżul na kilogram-kelwin (J/(kg·K)).

Ciepło właściwe c jest liczbowo równa ilości ciepła, które musi zostać przekazane ciału o masie 1 kg, aby ogrzać je o 1 K.

Oprócz właściwej pojemności cieplnej brana jest również pod uwagę taka ilość, jak pojemność cieplna ciała.

Pojemność cieplna ciało C liczbowo równa ilości ciepła potrzebnej do zmiany temperatury ciała o 1 K:

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

Jednostką pojemności cieplnej ciała w układzie SI jest dżul na kelwin (J/K).

Odparowanie (kondensacja)

Aby zamienić ciecz w parę o stałej temperaturze, wymagana ilość ciepła wynosi

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

gdzie L- ciepło właściwe parowania (wartość z tabeli). Kiedy para się skrapla, uwalniana jest ta sama ilość ciepła.

Jednostką SI dla ciepła właściwego parowania jest dżul na kilogram (J/kg).

Topienie (krystalizacja)

W celu stopienia ciała krystalicznego z masą m w temperaturze topnienia ciało musi zgłaszać ilość ciepła

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

gdzie λ - ciepło właściwe topnienia (wartość z tabeli). Podczas krystalizacji ciała uwalniana jest taka sama ilość ciepła.

Jednostką SI dla ciepła właściwego topnienia jest dżul na kilogram (J/kg).

Spalanie paliwa

Ilość ciepła uwalniana podczas całkowitego spalania masy paliwa m,

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

gdzie q- ciepło właściwe spalania (wartość z tabeli).

Jednostką SI dla ciepła właściwego spalania jest dżul na kilogram (J/kg).

Literatura

Aksenovich L. A. Fizyka w liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Tematy kodyfikatora USE Słowa kluczowe: energia wewnętrzna, wymiana ciepła, rodzaje wymiany ciepła.

Cząsteczki dowolnego ciała - atomy lub molekuły - wykonują chaotyczny nieustanny ruch (tzw ruch termiczny). Dlatego każda cząsteczka ma pewną energię kinetyczną.

Ponadto cząstki materii oddziałują na siebie siłami elektrycznego przyciągania i odpychania, a także siłami jądrowymi. Dlatego cały układ cząstek danego ciała ma również energię potencjalną.

Energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek i energia potencjalna ich wzajemnego oddziaływania tworzą nowy rodzaj energii, który nie jest zredukowany do energii mechanicznej ciała (tj. energia kinetyczna ruchu ciała jako całości i energia potencjalna jego interakcji z innymi ciałami). Ten rodzaj energii nazywa się energią wewnętrzną.

Energia wewnętrzna ciała to całkowita energia kinetyczna ruchu termicznego jego cząstek plus energia potencjalna ich wzajemnego oddziaływania.

Energia wewnętrzna układu termodynamicznego jest sumą energii wewnętrznych ciał wchodzących w skład układu.

Tak więc wewnętrzna energia ciała jest utworzona przez następujące terminy.

1. Energia kinetyczna ciągłego chaotycznego ruchu cząstek ciała.
2. Energia potencjalna cząsteczek (atomów) wynikająca z sił oddziaływania międzycząsteczkowego.
3. Energia elektronów w atomach.
4. Energia wewnątrzjądrowa.

W przypadku najprostszego modelu materii - gazu doskonałego - można otrzymać jednoznaczny wzór na energię wewnętrzną.

Energia wewnętrzna jednoatomowego gazu doskonałego

Energia potencjalna oddziaływania między cząstkami gazu doskonałego jest równa zeru (przypomnijmy, że w modelu gazu doskonałego pomijamy oddziaływanie cząstek na odległość). Dlatego energia wewnętrzna jednoatomowego gazu doskonałego sprowadza się do całkowitej energii kinetycznej translacyjnego (dla gazu wieloatomowego należy również uwzględnić rotację cząsteczek i drgania atomów w cząsteczkach) jego atomów. Energię tę można znaleźć mnożąc liczbę atomów gazu przez średnią energię kinetyczną jednego atomu:

Widzimy, że energia wewnętrzna gazu doskonałego (którego masa i skład chemiczny pozostają niezmienione) jest funkcją tylko jego temperatury. W przypadku gazu rzeczywistego, cieczy czy ciała stałego, energia wewnętrzna będzie zależeć również od objętości - w końcu wraz ze zmianą objętości zmienia się względne położenie cząstek, a w efekcie energia potencjalna ich oddziaływania.

Funkcja statusu

Najważniejszą właściwością energii wewnętrznej jest to, że jest funkcja stanu układ termodynamiczny. Mianowicie energia wewnętrzna jest jednoznacznie określona przez zestaw makroskopowych parametrów charakteryzujących system i nie zależy od „prehistorii” systemu, tj. od stanu, w jakim system był wcześniej i jak konkretnie w tym stanie znalazł się.

Tak więc, podczas przejścia systemu z jednego stanu do drugiego, zmiana jego energii wewnętrznej jest określana tylko przez stan początkowy i końcowy systemu i nie zależy od ścieżki przejścia od stanu początkowego do końcowego. Jeśli układ powróci do swojego pierwotnego stanu, to zmiana jego energii wewnętrznej wynosi zero.

Doświadczenie pokazuje, że istnieją tylko dwa sposoby na zmianę wewnętrznej energii ciała:

Wykonywanie prac mechanicznych;
wymiana ciepła.

Mówiąc najprościej, czajnik można podgrzać tylko na dwa zasadniczo różne sposoby: pocierać czymś lub podpalać :-) Rozważmy te metody bardziej szczegółowo.

Zmiana energii wewnętrznej: wykonywanie pracy

Jeśli praca jest skończona nad ciało, wzrasta wewnętrzna energia ciała.

Na przykład gwóźdź po uderzeniu młotkiem nagrzewa się i trochę odkształca. Ale temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek ciała. Nagrzewanie się gwoździa wskazuje na wzrost energii kinetycznej jego cząstek: w rzeczywistości cząstki są przyspieszane przez uderzenie młotkiem i tarcie gwoździa o płytę.

Deformacja to nic innego jak przemieszczanie się cząstek względem siebie; Po uderzeniu gwóźdź ulega deformacji kompresyjnej, jego cząstki zbliżają się do siebie, między nimi wzrastają siły odpychające, a to prowadzi do wzrostu energii potencjalnej cząstek gwoździa.

Tak więc wzrosła wewnętrzna energia paznokcia. Był to efekt wykonanej na nim pracy - pracę wykonał młotek i siła tarcia o deskę.

Jeśli praca jest skończona sami ciało, wtedy energia wewnętrzna ciała maleje.

Niech np. sprężone powietrze w zbiorniku izolowanym termicznie pod tłokiem rozpręża się i podnosi pewien ładunek, wykonując tym samym pracę (proces w zbiorniku izolowanym termicznie nazywa się adiabatyczny. Będziemy badać proces adiabatyczny, rozważając pierwszą zasadę termodynamiki). Podczas takiego procesu powietrze będzie schładzane – jego cząsteczki, uderzając za poruszającym się tłokiem, oddają mu część swojej energii kinetycznej. (W ten sam sposób piłkarz, zatrzymując stopą szybko lecącą piłkę, wykonuje ruch stopą z kula i wygasza jej prędkość.) Dlatego energia wewnętrzna powietrza maleje.

Powietrze zatem działa dzięki swojej wewnętrznej energii: ponieważ statek jest izolowany termicznie, nie ma dopływu energii do powietrza z jakichkolwiek zewnętrznych źródeł, a powietrze może pobierać energię do pracy tylko z własnych rezerw.

Zmiana energii wewnętrznej: wymiana ciepła

Przenoszenie ciepła to proces przenoszenia energii wewnętrznej z ciała cieplejszego do chłodniejszego, niezwiązany z wykonywaniem pracy mechanicznej.. Przenoszenie ciepła może odbywać się albo przez bezpośredni kontakt ciał, albo przez ośrodek pośredni (a nawet przez próżnię). Przenoszenie ciepła jest również nazywane wymiana ciepła.

Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie cieplne.

Teraz przyjrzymy się im bardziej szczegółowo.

Przewodność cieplna

Jeśli włożysz żelazny pręt jednym końcem do ognia, to, jak wiemy, nie możesz długo trzymać go w dłoni. Wchodząc w obszar wysokiej temperatury, atomy żelaza zaczynają intensywniej wibrować (tj. zdobywają dodatkową energię kinetyczną) i zadawać silniejsze ciosy sąsiadom.

Energia kinetyczna sąsiednich atomów również wzrasta, a teraz te atomy przekazują dodatkową energię kinetyczną swoim sąsiadom. Tak więc z odcinka na odcinek ciepło stopniowo rozprzestrzenia się wzdłuż pręta - od końca umieszczonego w ogniu do naszej ręki. To jest przewodność cieplna (ryc. 1) (zdjęcie ze strony educationelectronicsusa.com).

Ryż. 1. Przewodność cieplna

Przewodność cieplna to przenoszenie energii wewnętrznej z bardziej nagrzanych części ciała do mniej nagrzanych w wyniku ruchu termicznego i interakcji cząstek ciała..

Przewodność cieplna różnych substancji jest różna. Metale mają wysoką przewodność cieplną: srebro, miedź i złoto są najlepszymi przewodnikami ciepła. Przewodność cieplna cieczy jest znacznie mniejsza. Gazy tak źle przewodzą ciepło, że są już izolatorami ciepła: cząsteczki gazu słabo ze sobą oddziałują ze względu na duże odległości między nimi. Dlatego np. w oknach wykonuje się podwójne ramy: warstwa powietrza zapobiega ucieczce ciepła).

Dlatego ciała porowate, takie jak cegła, wełna czy futro, są słabymi przewodnikami ciepła. Zawierają powietrze w swoich porach. Nic dziwnego, że domy murowane są uważane za najcieplejsze, a w chłodne dni ludzie noszą futra i kurtki z warstwą puchu lub wyściełanego poliestru.

Ale jeśli powietrze tak słabo przewodzi ciepło, to dlaczego pomieszczenie nagrzewa się z akumulatora?

Dzieje się tak z powodu innego rodzaju wymiany ciepła - konwekcji.

Konwekcja

Konwekcja to transfer energii wewnętrznej w cieczach lub gazach w wyniku cyrkulacji przepływów i mieszania materii.

Powietrze w pobliżu akumulatora nagrzewa się i rozszerza. Siła grawitacji działająca na to powietrze pozostaje taka sama, ale siła wyporu z otaczającego powietrza wzrasta, tak że ogrzane powietrze zaczyna unosić się w kierunku sufitu. Na jego miejsce pojawia się zimne powietrze (ten sam proces, ale na znacznie większą skalę, stale zachodzi w przyrodzie: tak powstaje wiatr), z którym powtarza się to samo.

W rezultacie powstaje cyrkulacja powietrza, która służy jako przykład konwekcji - rozprowadzanie ciepła w pomieszczeniu odbywa się za pomocą prądów powietrza.

Zupełnie analogiczny proces można zaobserwować w cieczy. Gdy postawimy na kuchence czajnik lub garnek z wodą, woda jest podgrzewana przede wszystkim na zasadzie konwekcji (wkład przewodności cieplnej wody jest tu bardzo znikomy).

Prądy konwekcyjne w powietrzu i cieczy pokazano na ryc. 2 (zdjęcia z fizyki.arizona.edu).

Ryż. 2. Konwekcja

W ciałach stałych nie ma konwekcji: siły oddziaływania cząstek są duże, cząstki oscylują w pobliżu stałych punktów przestrzennych (węzłów sieci krystalicznej) i w takich warunkach nie mogą powstawać żadne przepływy materii.

Do cyrkulacji prądów konwekcyjnych podczas ogrzewania pomieszczenia konieczne jest, aby ogrzane powietrze było miejsce do pływania. Jeśli grzejnik jest zainstalowany pod sufitem, nie nastąpi cyrkulacja - ciepłe powietrze pozostanie pod sufitem. Dlatego umieszczane są urządzenia grzewcze na dnie pokoje. Z tego samego powodu postawili czajnik na ogień, w wyniku którego podgrzane warstwy wody, unoszące się, ustępują zimniejszym.

Wręcz przeciwnie, klimatyzator powinien być umieszczony jak najwyżej: wtedy schłodzone powietrze zacznie opadać, a na jego miejsce pojawi się cieplejsze powietrze. Cyrkulacja będzie przebiegać w kierunku przeciwnym do ruchu przepływów podczas ogrzewania pomieszczenia.

promieniowanie cieplne

Jak Ziemia czerpie energię ze Słońca? Przewodzenie ciepła i konwekcja są wykluczone: dzieli nas 150 milionów kilometrów bezpowietrznej przestrzeni.

Oto trzeci rodzaj wymiany ciepła - promieniowanie cieplne. Promieniowanie może rozprzestrzeniać się zarówno w materii, jak iw próżni. Jak to powstaje?

Okazuje się, że pola elektryczne i magnetyczne są ze sobą ściśle powiązane i mają jedną niezwykłą właściwość. Jeśli pole elektryczne zmienia się w czasie, to generuje ono pole magnetyczne, które ogólnie rzecz biorąc zmienia się również w czasie (więcej na ten temat w ulotce o indukcji elektromagnetycznej). Z kolei przemienne pole magnetyczne generuje przemienne pole elektryczne, które ponownie generuje przemienne pole magnetyczne, które ponownie generuje przemienne pole elektryczne ...

W wyniku rozwoju tego procesu, fala elektromagnetyczna- "zaczepiły" się nawzajem polami elektrycznymi i magnetycznymi. Podobnie jak dźwięk, fale elektromagnetyczne mają prędkość propagacji i częstotliwość - w tym przypadku jest to częstotliwość, z jaką zmieniają się wielkości i kierunki pól w fali. Światło widzialne to szczególny przypadek fal elektromagnetycznych.

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni jest ogromna: km/s. Tak więc światło przemieszcza się z Ziemi na Księżyc nieco dłużej niż sekundę.

Zakres częstotliwości fal elektromagnetycznych jest bardzo szeroki. O skali fal elektromagnetycznych powiemy więcej w odpowiednim arkuszu. Tutaj tylko zauważamy, że światło widzialne to maleńki zakres tej skali. Poniżej leżą częstotliwości promieniowania podczerwonego, powyżej częstotliwości promieniowania ultrafioletowego.

Przypomnijmy sobie, że atomy, generalnie obojętne elektrycznie, zawierają dodatnio naładowane protony i ujemnie naładowane elektrony. Te naładowane cząstki, wykonując chaotyczny ruch wraz z atomami, wytwarzają zmienne pola elektryczne, a tym samym emitują fale elektromagnetyczne. Te fale nazywają się promieniowanie cieplne- jako przypomnienie, że ich źródłem jest ruch termiczny cząstek materii.

Każde ciało jest źródłem promieniowania cieplnego. W tym przypadku promieniowanie zabiera część swojej energii wewnętrznej. Po spotkaniu z atomami innego ciała promieniowanie przyspiesza je swoim oscylującym polem elektrycznym, a energia wewnętrzna tego ciała wzrasta. Tak wygrzewamy się na słońcu.

W zwykłych temperaturach częstotliwości promieniowania cieplnego leżą w zakresie podczerwieni, przez co oko go nie dostrzega (nie widzimy, jak „świecimy”). Kiedy ciało jest ogrzewane, jego atomy zaczynają emitować fale o wyższych częstotliwościach. Żelazny gwóźdź może być rozgrzany do czerwoności - doprowadzony do takiej temperatury, że jego promieniowanie cieplne przejdzie w dolną (czerwoną) część zakresu widzialnego. A Słońce wydaje nam się żółto-białe: temperatura na powierzchni Słońca jest tak wysoka, że ​​w widmie jego promieniowania znajdują się wszystkie częstotliwości światła widzialnego, a nawet ultrafiolet, dzięki któremu się opalamy.

Przyjrzyjmy się jeszcze raz trzem rodzajom wymiany ciepła (rysunek 3) (zdjęcia z beodom.com).

Ryż. 3. Trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie