Energia internă a unui corp este energia internă a unui gaz ideal. Energia internă a unui gaz ideal - caracteristici, teorie și formulă

Vezi o rachetă decolând. Ea face treaba - ridică astronauții și încărcătura. Energia cinetică a rachetei crește, pe măsură ce racheta capătă din ce în ce mai multă viteză pe măsură ce se ridică. De asemenea, energia potențială a rachetei crește, pe măsură ce se ridică din ce în ce mai sus deasupra Pământului. Prin urmare, suma acestor energii, adică creste si energia mecanica a rachetei.

Ne amintim că atunci când corpul lucrează, energia acestuia scade. Cu toate acestea, racheta funcționează, dar energia ei nu scade, ci crește! Care este soluția la contradicție? Se pare că, pe lângă energia mecanică, există un alt tip de energie - energie interna. Prin reducerea energiei interne a combustibilului care arde, racheta efectuează un lucru mecanic și, în plus, își mărește energia mecanică.

Nu numai combustibil, dar deasemenea Fierbinte corpurile au energie internă care poate fi ușor transformată în lucru mecanic. Să facem un experiment. Încălzim o greutate în apă clocotită și o punem pe o cutie de tablă atașată la un manometru. Pe măsură ce aerul din cutie se încălzește, fluidul din manometru va începe să se miște (vezi figura).

Aerul în expansiune lucrează asupra fluidului. Din cauza ce energie se întâmplă asta? Desigur, datorită energiei interne a kettlebell-ului. Prin urmare, în acest experiment observăm conversia energiei interne a corpului în lucru mecanic. Rețineți că energia mecanică a greutății în acest experiment nu se modifică - este întotdeauna egală cu zero.

Asa de, energie interna- aceasta este o astfel de energie a corpului, datorită căreia se poate efectua un lucru mecanic, fără a provoca o scădere a energiei mecanice a acestui corp.

Energia internă a oricărui corp depinde de multe motive: tipul și starea substanței sale, masa și temperatura corpului și altele. Toate corpurile au energie internă: mari și mici, calde și reci, solide, lichide și gazoase.

Cel mai ușor folosit pentru nevoile umane este energia internă a numai, la figurat vorbind, substanțe și corpuri fierbinți și combustibile. Acestea sunt petrol, gaze, cărbune, surse geotermale din apropierea vulcanilor și așa mai departe. În plus, în secolul al XX-lea, omul a învățat să folosească energia internă a așa-numitelor substanțe radioactive. Acestea sunt, de exemplu, uraniu, plutoniu și altele.

Uită-te la partea dreaptă a diagramei. Literatura populară menționează adesea energie termică, chimică, electrică, atomică (nucleară) și alte tipuri de energie. Toate acestea, de regulă, sunt varietăți de energie internă, deoarece pot fi utilizate pentru a efectua lucrări mecanice fără a provoca o pierdere de energie mecanică. Vom lua în considerare conceptul de energie internă mai detaliat în continuarea studiului fizicii.

interacțiunile lor.

Energia internă este inclusă în echilibrul transformărilor energetice din natură. După descoperirea energiei interne a fost formulată legea conservării și transformării energiei. Luați în considerare transformarea reciprocă a energiilor mecanice și interne. Lasă o minge de plumb să stea pe o placă de plumb. Hai să-l ridicăm și să-l dăm drumul. Când am ridicat mingea, am informat-o despre energia potențială. Când mingea cade, ea scade, pentru că mingea cade din ce în ce mai jos. Dar odată cu creșterea vitezei, energia cinetică a mingii crește treptat. Energia potențială a mingii este transformată în energie cinetică. Dar apoi mingea a lovit placa de plumb și s-a oprit. Atât energiile sale cinetice, cât și cele potențiale în raport cu placa au devenit egale cu zero. Examinând mingea și placa după impact, vom vedea că starea lor s-a schimbat: bila este ușor turtită, iar pe placă s-a format o mică adâncitură; când le măsurăm temperatura, constatăm că s-au încălzit.

Încălzirea înseamnă o creștere a energiei cinetice medii a moleculelor corpului. În timpul deformării, poziția relativă a particulelor corpului se modifică și, prin urmare, se schimbă și energia potențială a acestora.

Astfel, se poate argumenta că, în urma impactului mingii asupra plăcii, energia mecanică pe care mingea o poseda la începutul experimentului este convertită în energia internă a corpului.

Nu este greu de observat tranziția inversă a energiei interne în energie mecanică.

De exemplu, dacă luați un vas de sticlă cu pereți groși și pompați aer în el printr-o gaură din plută, apoi după ceva timp pluta va zbura din vas. În acest moment, în navă se formează ceață. Apariția ceții înseamnă că aerul din vas a devenit mai rece și, în consecință, energia sa internă a scăzut. Acest lucru se explică prin faptul că aerul comprimat din vas, împingând pluta (adică, extinzându-se), a făcut treaba reducând energia sa internă. Energia cinetică a plutei a crescut datorită energiei interne a aerului comprimat.

Astfel, una dintre modalitățile de modificare a energiei interne a unui corp este munca efectuată de moleculele corpului (sau ale altor corpuri) asupra corpului dat. Modul de a schimba energia internă fără a lucra este transfer de căldură.

Energia internă a unui gaz monoatomic ideal.

Deoarece moleculele unui gaz ideal nu interacționează între ele, energia lor potențială este considerată a fi zero. Energia internă a unui gaz ideal este determinată numai de energia cinetică a mișcării aleatorii de translație a moleculelor sale. Pentru a-l calcula, trebuie să înmulțiți energia cinetică medie a unui atom cu numărul de atomi . Dat fiind k N A = R, obținem valoarea energiei interne a unui gaz ideal:

.

Energia internă a unui gaz monoatomic ideal este direct proporțională cu temperatura acestuia. Dacă folosim ecuația Clapeyron-Mendeleev, atunci expresia energiei interne a unui gaz ideal poate fi reprezentată ca:

.

Trebuie remarcat faptul că, conform expresiei pentru energia cinetică medie a unui atom și datorită caracterului aleatoriu al mișcării, pentru fiecare dintre cele trei direcții posibile de mișcare, sau fiecare grad de libertate, de-a lungul axei X, Yși Z au aceeasi energie.

Numărul de grade de libertate este numărul de direcții independente posibile ale mișcării moleculare.

Un gaz, a cărui moleculă este formată din doi atomi, se numește diatomic. Fiecare atom se poate mișca în trei direcții, deci numărul total de direcții posibile de mișcare este de 6. Datorită legăturii dintre molecule, numărul de grade de libertate scade cu unul, prin urmare numărul de grade de libertate pentru o moleculă diatomică este de cinci.

Energia cinetică medie a unei molecule diatomice este . În consecință, energia internă a unui gaz biatomic ideal este:

.

Formulele pentru energia internă a unui gaz ideal pot fi generalizate:

.

Unde i este numărul de grade de libertate ale moleculelor de gaz ( i= 3 pentru monoatomic și i= 5 pentru un gaz biatomic).

Pentru gazele ideale, energia internă depinde doar de un parametru macroscopic - temperatura și nu depinde de volum, deoarece energia potențială este zero (volumul determină distanța medie dintre molecule).

Pentru gazele reale, energia potențială nu este zero. Prin urmare, energia internă în termodinamică în cazul general este determinată în mod unic de parametrii care caracterizează starea acestor corpuri: volumul (V) si temperatura (T).

« Fizica - clasa a 10-a "

Fenomenele termice pot fi descrise folosind cantități (parametri macroscopici) măsurate cu instrumente precum un manometru și un termometru. Aceste dispozitive nu răspund la impactul moleculelor individuale. Se numește teoria proceselor termice, care nu ține cont de structura moleculară a corpurilor termodinamica. În termodinamică, procesele sunt considerate din punctul de vedere al conversiei căldurii în alte forme de energie.

Ce este energia internă.
Ce moduri de a schimba energia internă cunoașteți?

Termodinamica a fost creată la mijlocul secolului al XIX-lea. după descoperirea legii conservării energiei. Se bazează pe concept energie interna. Însuși numele „intern” implică luarea în considerare a sistemului ca un ansamblu de molecule în mișcare și interacțiune. Să ne oprim asupra întrebării ce relație există între termodinamică și teoria cinetică moleculară.

Termodinamica si mecanica statistica.

Prima teorie științifică a proceselor termice nu a fost teoria cinetică moleculară, ci termodinamica.

Termodinamica a apărut în studiul condițiilor optime de utilizare a căldurii pentru a lucra. Acest lucru s-a întâmplat la mijlocul secolului al XIX-lea, cu mult înainte ca teoria cinetică moleculară să capete acceptarea generală. În același timp, s-a dovedit că, alături de energia mecanică, corpurile macroscopice au și energie conținută în corpurile înseși.

Acum, în știință și tehnologie, în studiul fenomenelor termice, se utilizează atât termodinamica, cât și teoria molecular-cinetică. În fizica teoretică, se numește teoria cinetică moleculară mecanica statistica

Termodinamica și mecanica statistică studiază aceleași fenomene prin metode diferite și se completează reciproc.

sistem termodinamic numit un set de corpuri care interacționează care fac schimb de energie și materie.

Energia internă în teoria molecular-cinetică.

Conceptul de bază în termodinamică este conceptul de energie internă.

Energia internă a corpului(sisteme) este suma energiei cinetice a mișcării termice haotice a moleculelor și a energiei potențiale a interacțiunii lor.

Energia mecanică a corpului (sistemului) ca întreg nu este inclusă în energia internă. De exemplu, energia internă a gazelor din două vase identice în condiții egale este aceeași indiferent de mișcarea vaselor și de locația lor una față de alta.

Este aproape imposibil să se calculeze energia internă a unui corp (sau schimbarea acestuia), ținând cont de mișcarea moleculelor individuale și de pozițiile acestora unele față de altele, din cauza numărului mare de molecule din corpurile macroscopice. Prin urmare, este necesar să se poată determina valoarea energiei interne (sau modificarea acesteia) în funcție de parametrii macroscopici care pot fi măsurați direct.

Energia internă a unui gaz monoatomic ideal.

Să calculăm energia internă a unui gaz ideal monoatomic.

Conform modelului, moleculele unui gaz ideal nu interacționează între ele, prin urmare, energia potențială a interacțiunii lor este zero. Întreaga energie internă a unui gaz ideal este determinată de energia cinetică a mișcării aleatorii a moleculelor sale.

Pentru a calcula energia internă a unui gaz monoatomic ideal cu masa m, trebuie să înmulțiți energia cinetică medie a unui atom cu numărul de atomi. Având în vedere că kN A = R, obținem formula pentru energia internă a unui gaz ideal:

Energia internă a unui gaz monoatomic ideal este direct proporțională cu temperatura sa absolută.

Nu depinde de volum și de alți parametri macroscopici ai sistemului.

Modificarea energiei interne a unui gaz ideal

adică este determinat de temperaturile stărilor inițiale și finale ale gazului și nu depinde de proces.

Dacă un gaz ideal constă din molecule mai complexe decât unul monoatomic, atunci energia sa internă este, de asemenea, proporțională cu temperatura absolută, dar coeficientul de proporționalitate dintre U și T este diferit. Acest lucru se explică prin faptul că moleculele complexe nu numai că se deplasează înainte, ci și se rotesc și oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru. Energia internă a unor astfel de gaze este egală cu suma energiilor mișcărilor de translație, rotație și vibrație ale moleculelor. Prin urmare, energia internă a unui gaz poliatomic este mai mare decât energia unui gaz monoatomic la aceeași temperatură.

Dependența energiei interne de parametrii macroscopici.

Am stabilit că energia internă a unui gaz ideal depinde de un parametru - temperatura.

Pentru gaze reale, lichide și solide, energia potențială medie de interacțiune a moleculelor nu este egal cu zero. Adevărat, pentru gaze este mult mai mică decât energia cinetică medie a moleculelor, dar pentru corpurile solide și lichide este comparabilă cu aceasta.

Energia potențială medie de interacțiune a moleculelor de gaz depinde de volumul substanței, deoarece atunci când volumul se modifică, distanța medie dintre molecule se modifică. În consecință, energia internă a unui gaz real în termodinamică depinde în general, împreună cu temperatura T, de volumul V.

Se poate susține că energia internă a unui gaz real depinde de presiune, pe baza faptului că presiunea poate fi exprimată în termeni de temperatură și volum al gazului.

Valorile parametrilor macroscopici (temperaturile T ale volumului V etc.) determină fără ambiguitate starea corpurilor. Prin urmare, ele determină și energia internă a corpurilor macroscopice.

Energia internă U a corpurilor macroscopice este determinată în mod unic de parametrii care caracterizează starea acestor corpuri: temperatura și volumul.

Potrivit MKT, toate substanțele sunt compuse din particule care sunt în mișcare termică continuă și interacționează între ele. Prin urmare, chiar dacă corpul este nemișcat și are energie potențială zero, el are energie (energie internă), care este energia totală de mișcare și interacțiune a microparticulelor care alcătuiesc corpul. Compoziția energiei interne include:

1. energia cinetică a mișcării de translație, rotație și vibrație a moleculelor;
2. energia potențială de interacțiune a atomilor și moleculelor;
3. energie intraatomica si intranucleara.

În termodinamică, procesele sunt considerate la temperaturi la care mișcarea oscilativă a atomilor din molecule nu este excitată, adică. la temperaturi care nu depăşesc 1000 K. Numai primele două componente ale energiei interne se modifică în aceste procese. De aceea

sub energie internaîn termodinamică, ei înțeleg suma energiei cinetice a tuturor moleculelor și atomilor unui corp și energia potențială a interacțiunii lor.

Energia internă a unui corp determină starea sa termică și se modifică în timpul trecerii de la o stare la alta. Într-o stare dată, corpul are o energie internă bine definită, independentă de procesul în urma căruia a trecut în această stare. Prin urmare, energia internă este foarte des numită funcția stării corpului.

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

Unde i- grad de libertate. Pentru un gaz monoatomic (de exemplu, gaze inerte) i= 3, pentru diatomic - i = 5.

Din aceste formule se poate observa că energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura si numarul de moleculeși nu depinde de volum sau presiune. Prin urmare, modificarea energiei interne a unui gaz ideal este determinată doar de o modificare a temperaturii acestuia și nu depinde de natura procesului în care gazul trece de la o stare la alta:

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

unde ∆ T = T 2 - T 1 .

• Moleculele de gaze reale interacționează între ele și, prin urmare, au energie potențială W p , care depinde de distanța dintre molecule și, în consecință, de volumul ocupat de gaz. Astfel, energia internă a unui gaz real depinde de temperatură, volum și structura moleculară a acestuia.

*Derivarea formulei

Energia cinetică medie a unei molecule \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Numărul de molecule din gaz \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Prin urmare, energia internă a unui gaz ideal

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

Dat fiind k⋅N A= R este constanta universală a gazelor, avem

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) este energia internă a unui gaz ideal.

Schimbarea energiei interne

Pentru a rezolva probleme practice, nu energia internă în sine joacă un rol semnificativ, ci schimbarea sa Δ U = U 2 - U unu . Modificarea energiei interne se calculează pe baza legilor conservării energiei.

Energia internă a unui corp se poate modifica în două moduri:

1. La realizarea munca mecanica. a) Dacă o forță exterioară provoacă deformarea corpului, atunci distanțele dintre particulele din care constă se modifică și, în consecință, se modifică energia potențială a interacțiunii particulelor. În cazul deformărilor inelastice, în plus, temperatura corpului se modifică, adică. se modifică energia cinetică a mișcării termice a particulelor. Dar când corpul este deformat, se lucrează, care este o măsură a schimbării energiei interne a corpului. b) Energia internă a unui corp se modifică și în timpul ciocnirii sale inelastice cu un alt corp. După cum am văzut mai devreme, în timpul ciocnirii inelastice a corpurilor, energia lor cinetică scade, se transformă în energie internă (de exemplu, dacă loviți de mai multe ori un fir care se află pe o nicovală cu un ciocan, firul se va încălzi). Măsura modificării energiei cinetice a unui corp este, conform teoremei energiei cinetice, opera forțelor care acționează. Această muncă poate servi și ca măsură a modificărilor energiei interne. c) Modificarea energiei interne a corpului are loc sub acțiunea forței de frecare, deoarece, după cum se știe din experiență, frecarea este întotdeauna însoțită de o modificare a temperaturii corpurilor de frecare. Lucrarea forței de frecare poate servi ca măsură a schimbării energiei interne.
2. Cu ajutor transfer de căldură. De exemplu, dacă un corp este plasat într-o flacără a unui arzător, temperatura acestuia se va schimba și, prin urmare, energia sa internă se va schimba și ea. Totuși, aici nu s-a lucrat, deoarece nu a existat nicio mișcare vizibilă nici a corpului în sine, nici a părților sale.

Se numește schimbarea energiei interne a unui sistem fără a lucra schimb de caldura(transfer de căldură).

Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație.

A) conductivitate termică este procesul de schimb de căldură între corpuri (sau părți ale corpului) în contactul lor direct, datorită mișcării haotice termice a particulelor corpului. Amplitudinea oscilațiilor moleculelor unui corp solid este mai mare, cu atât temperatura acestuia este mai mare. Conductivitatea termică a gazelor se datorează schimbului de energie între moleculele de gaz în timpul ciocnirilor lor. În cazul lichidelor, ambele mecanisme funcționează. Conductivitatea termică a unei substanțe este maximă în stare solidă și minimă în stare gazoasă.

b) Convecție este transferul de căldură prin fluxuri încălzite de lichid sau gaz dintr-o parte a volumului pe care îl ocupă în alta.

c) Transfer de căldură la radiatii efectuate la distanță cu ajutorul undelor electromagnetice.

Să luăm în considerare mai detaliat cum să schimbăm energia internă.

munca mecanica

Când se iau în considerare procesele termodinamice, mișcarea mecanică a macrocorpurilor în ansamblu nu este luată în considerare. Conceptul de muncă aici este asociat cu o modificare a volumului corpului, adică. părțile în mișcare ale macrocorpului una față de alta. Acest proces duce la o schimbare a distanței dintre particule și, de asemenea, adesea la o schimbare a vitezei de mișcare a acestora, prin urmare, la o schimbare a energiei interne a corpului.

proces izobaric

Luați în considerare mai întâi procesul izobar. Lasă să existe gaz într-un cilindru cu piston mobil la o temperatură T 1 (Fig. 1).

Vom încălzi încet gazul la o temperatură T 2. Gazul se va extinde izobar și pistonul se va deplasa din poziție 1 în poziție 2 distanta Δ l. În acest caz, forța de presiune a gazului va lucra asupra corpurilor externe. pentru că p= const, apoi forța de presiune F = p⋅S de asemenea constantă. Prin urmare, munca acestei forțe poate fi calculată prin formula

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

unde ∆ V- modificarea volumului de gaz.

• Dacă volumul gazului nu se modifică (proces izocor), atunci munca efectuată de gaz este zero.

• Gazul funcționează numai în procesul de modificare a volumului său.

La extindere (Δ V> 0) se efectuează un lucru pozitiv asupra gazului ( DAR> 0); sub compresie (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (DAR < 0).

• Dacă luăm în considerare munca forțelor externe A " (DAR " = –DAR), apoi cu expansiunea (Δ V> 0) gaz DAR " < 0); при сжатии (ΔV < 0) DAR " > 0.

Să scriem ecuația Clapeyron-Mendeleev pentru două stări de gaz:

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

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

Prin urmare, la proces izobaric

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

Dacă ν = 1 mol, atunci la Δ Τ = 1 K obținem asta R este numeric egal cu A.

De aici urmează semnificația fizică a constantei universale de gaz: este numeric egal cu munca efectuată de 1 mol de gaz ideal atunci când este încălzit izobar cu 1 K.

Nu un proces izobaric

Pe diagramă p (V) într-un proces izobaric, munca este egală cu aria dreptunghiului umbrită în figura 2, a.

Dacă procesul nu izobar(Fig. 2, b), apoi curba funcției p = f(V) poate fi reprezentată ca o linie întreruptă formată dintr-un număr mare de izocori și izobare. Lucrul pe secțiuni izobare este egal cu zero, iar munca totală pe toate secțiunile izobare va fi egal cu

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

acestea. va fi egal cu zona figurii umbrite.

La proces izotermic (T= const) lucrarea este egală cu aria figurii umbrite prezentată în Figura 2, c.

Este posibil să se determine lucrul folosind ultima formulă numai dacă se știe cum se modifică presiunea gazului odată cu modificarea volumului său, adică. se cunoaşte forma funcţiei p = f(V).

Astfel, este clar că, chiar și cu aceeași modificare a volumului de gaz, munca va depinde de metoda de tranziție (adică de procesul: izoterm, izobar...) de la starea inițială a gazului la cea finală. Prin urmare, se poate concluziona că

• Lucrul în termodinamică este o funcție de proces și nu o funcție de stare.

Cantitatea de căldură

După cum știți, în timpul diferitelor procese mecanice, există o schimbare a energiei mecanice W. Măsura schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:

\(~\DeltaW = A.\)

În timpul transferului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. Măsura modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.

Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură.

Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia internă. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine (cum o face energia internă), ci determină procesul de tranziție a energiei de la o formă la alta (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind în esență de natura procesului.

Principala diferență dintre muncă și căldură este aceea

• lucrarea caracterizează procesul de schimbare a energiei interne a sistemului, însoțit de transformarea energiei de la un tip la altul (de la mecanic la intern);
• cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.

Incalzire racire)

Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp cu o masă m temperatura T 1 la temperatură T 2 se calculează prin formula

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

Unde c- capacitatea termică specifică a unei substanțe (valoarea tabelului);

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

Unitatea SI a căldurii specifice este joule pe kilogram-Kelvin (J/(kg K)).

Căldura specifică c este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp cu masa de 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.

Pe lângă capacitatea termică specifică, se ia în considerare și o asemenea cantitate precum capacitatea termică a corpului.

Capacitate termica corp C egal numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:

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

Unitatea SI a capacității termice a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).

Vaporizare (condens)

Pentru a transforma un lichid într-un vapor la o temperatură constantă, cantitatea de căldură necesară este

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

Unde L- căldura specifică de vaporizare (valoarea tabelului). Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.

Unitatea SI pentru căldura specifică de vaporizare este joule pe kilogram (J/kg).

Topire (cristalizare)

Pentru a topi un corp cristalin cu o masă m la punctul de topire, este necesar ca organismul să raporteze cantitatea de căldură

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

Unde λ - căldura specifică de fuziune (valoarea tabelului). În timpul cristalizării unui corp, se eliberează aceeași cantitate de căldură.

Unitatea SI pentru căldura specifică de fuziune este joule pe kilogram (J/kg).

arderea combustibilului

Cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a masei de combustibil m,

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

Unde q- căldura specifică de ardere (valoarea tabelului).

Unitatea SI pentru căldura specifică de ardere este joule pe kilogram (J/kg).

Literatură

Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Subiecte ale codificatorului USE Cuvinte cheie: energie internă, transfer de căldură, tipuri de transfer de căldură.

Particulele oricărui corp - atomi sau molecule - efectuează o mișcare haotică neîncetată (așa-numita mișcarea termică). Prin urmare, fiecare particulă are o anumită energie cinetică.

În plus, particulele de materie interacționează între ele prin forțele de atracție și repulsie electrice, precum și prin forțe nucleare. Prin urmare, întregul sistem de particule al unui corp dat are și energie potențială.

Energia cinetică a mișcării termice a particulelor și energia potențială a interacțiunii lor formează împreună un nou tip de energie care nu este redusă la energia mecanică a corpului (adică energia cinetică a mișcării corpului în ansamblu și energia potenţială a interacţiunii sale cu alte corpuri). Acest tip de energie se numește energie internă.

Energia internă a unui corp este energia cinetică totală a mișcării termice a particulelor sale plus energia potențială a interacțiunii lor între ele..

Energia internă a unui sistem termodinamic este suma energiilor interne ale corpurilor incluse în sistem.

Astfel, energia internă a corpului este formată din următorii termeni.

1. Energia cinetică a mișcării haotice continue a particulelor corpului.
2. Energia potențială a moleculelor (atomilor), datorită forțelor interacțiunii intermoleculare.
3. Energia electronilor din atomi.
4. Energie intranucleară.

În cazul celui mai simplu model de materie - un gaz ideal - se poate obține o formulă explicită pentru energia internă.

Energia internă a unui gaz ideal monoatomic

Energia potențială a interacțiunii dintre particulele unui gaz ideal este zero (amintim că în modelul cu gaz ideal neglijăm interacțiunea particulelor de la distanță). Prin urmare, energia internă a unui gaz ideal monoatomic este redusă la energia cinetică totală a translației (pentru un gaz poliatomic trebuie luată în considerare și rotația moleculelor și vibrațiile atomilor în interiorul moleculelor) atomilor săi. Această energie poate fi găsită prin înmulțirea numărului de atomi de gaz cu energia cinetică medie a unui atom:

Vedem că energia internă a unui gaz ideal (a cărui masă și compoziție chimică sunt neschimbate) este o funcție doar de temperatura acestuia. Pentru un gaz real, lichid sau solid, energia internă va depinde și de volum - la urma urmei, atunci când volumul se schimbă, poziția relativă a particulelor se schimbă și, ca urmare, energia potențială a interacțiunii lor.

Funcția de stat

Cea mai importantă proprietate a energiei interne este că este functie de stat sistem termodinamic. Și anume, energia internă este determinată în mod unic de un set de parametri macroscopici care caracterizează sistemul și nu depinde de „preistoria” sistemului, adică. despre starea în care se afla înainte sistemul și cât de concret a ajuns în această stare.

Deci, în timpul tranziției unui sistem de la o stare la alta, schimbarea energiei sale interne este determinată numai de stările inițiale și finale ale sistemului și nu depinde de la calea de trecere de la starea iniţială la cea finală. Dacă sistemul revine la starea inițială, atunci modificarea energiei sale interne este zero.

Experiența arată că există doar două moduri de a schimba energia internă a corpului:

Efectuarea lucrărilor mecanice;
transfer de căldură.

Pur și simplu, puteți încălzi ibricul doar în două moduri fundamental diferite: frecați-l cu ceva sau puneți-l pe foc :-) Să luăm în considerare aceste metode mai detaliat.

Schimbarea energiei interne: a lucra

Dacă se lucrează de mai sus organism, energia internă a corpului crește.

De exemplu, un cui după ce a fost lovit cu un ciocan se încălzește și se deformează puțin. Dar temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a particulelor unui corp. Încălzirea unui cui indică o creștere a energiei cinetice a particulelor sale: de fapt, particulele sunt accelerate printr-o lovitură de ciocan și prin frecarea cuiului împotriva plăcii.

Deformarea nu este altceva decât deplasarea particulelor unele față de altele; După impact, unghia suferă o deformare prin compresie, particulele sale se apropie unele de altele, forțele de respingere dintre ele cresc, iar acest lucru duce la o creștere a energiei potențiale a particulelor de unghii.

Deci, energia internă a unghiei a crescut. Acesta a fost rezultatul muncii efectuate pe el - lucrul a fost făcut de ciocan și forța de frecare pe placă.

Dacă lucrarea este făcută de unii singuri organism, atunci energia internă a corpului scade.

Lăsați, de exemplu, aerul comprimat dintr-un vas izolat termic sub un piston să se extindă și să ridice o anumită sarcină, făcând astfel lucru (procesul dintr-un vas izolat termic se numește adiabatic. Vom studia procesul adiabatic luând în considerare prima lege a termodinamicii). În timpul unui astfel de proces, aerul va fi răcit - moleculele sale, lovind după pistonul în mișcare, îi conferă o parte din energia lor cinetică. (În același mod, un fotbalist, oprind cu piciorul o minge care zboară rapid, face o mișcare cu piciorul din minge și își stinge viteza.) Prin urmare, energia internă a aerului scade.

Prin urmare, aerul funcționează datorită energiei sale interne: deoarece vasul este izolat termic, nu există niciun flux de energie în aer din surse externe, iar aerul poate atrage energie pentru a lucra numai din propriile rezerve.

Modificarea energiei interne: transfer de căldură

Transferul de căldură este procesul de transfer al energiei interne de la un corp mai fierbinte la unul mai rece, care nu este asociat cu efectuarea lucrului mecanic.. Transferul de căldură poate fi realizat fie prin contact direct al corpurilor, fie printr-un mediu intermediar (și chiar prin vid). Transferul de căldură se mai numește schimb de caldura.

Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație termică.

Acum le vom analiza mai detaliat.

Conductivitate termică

Dacă puneți o tijă de fier cu un capăt în foc, atunci, după cum știm, nu o puteți ține în mână mult timp. Ajunși în regiunea de temperatură ridicată, atomii de fier încep să vibreze mai intens (adică să dobândească energie cinetică suplimentară) și să dea lovituri mai puternice vecinilor lor.

Energia cinetică a atomilor vecini crește, de asemenea, iar acum acești atomi oferă energie cinetică suplimentară vecinilor lor. Deci, de la secțiune la secțiune, căldura se răspândește treptat de-a lungul tijei - de la capătul pus în foc până la mâna noastră. Aceasta este conductivitatea termică (Fig. 1) (Imagine de la educationalelectronicsusa.com).

Orez. 1. Conductivitate termică

Conductivitatea termică este transferul de energie internă de la părțile mai încălzite ale corpului către cele mai puțin încălzite din cauza mișcării termice și a interacțiunii particulelor corpului..

Conductivitatea termică a diferitelor substanțe este diferită. Metalele au o conductivitate termică ridicată: argintul, cuprul și aurul sunt cei mai buni conductori de căldură. Conductivitatea termică a lichidelor este mult mai mică. Gazele conduc căldura atât de rău încât aparțin deja izolatorilor termici: datorită distanțelor mari dintre ele, moleculele de gaz interacționează slab între ele. De aceea, de exemplu, în ferestre se realizează rame duble: un strat de aer împiedică scăparea căldurii).

Prin urmare, corpurile poroase, precum cărămida, lâna sau blana, sunt slabe conductoare de căldură. Conțin aer în porii lor. Nu e de mirare că casele din cărămidă sunt considerate cele mai calde, iar pe vreme rece oamenii poartă haine de blană și jachete cu un strat de puf sau poliester căptușit.

Dar dacă aerul conduce căldura atât de prost, atunci de ce se încălzește camera de la baterie?

Acest lucru se întâmplă datorită unui alt tip de transfer de căldură - convecția.

Convecție

Convecția este transferul de energie internă în lichide sau gaze ca urmare a circulației fluxurilor și amestecării materiei.

Aerul din apropierea bateriei se încălzește și se extinde. Forța gravitației care acționează asupra acestui aer rămâne aceeași, dar forța de plutire a aerului din jur crește, astfel încât aerul încălzit începe să plutească spre tavan. În locul lui vine aerul rece (același proces, dar la o scară mult mai mare, are loc în mod constant în natură: așa se naște vântul), cu care se repetă același lucru.

Ca urmare, se stabilește circulația aerului, care servește ca exemplu de convecție - distribuția căldurii în încăpere este realizată de curenții de aer.

Un proces complet analog poate fi observat într-un lichid. Când puneți un ibric sau o oală cu apă pe aragaz, apa este încălzită în primul rând datorită convecției (aportul conductibilității termice a apei este foarte nesemnificativ aici).

Curenții de convecție în aer și lichid sunt reprezentați în fig. 2 (imagini din physics.arizona.edu).

Orez. 2. Convecție

Nu există convecție în solide: forțele de interacțiune ale particulelor sunt mari, particulele oscilează în apropierea unor puncte spațiale fixe (nodurile rețelei cristaline) și nu se pot forma fluxuri de materie în astfel de condiții.

Pentru circulația curenților de convecție la încălzirea unei încăperi, este necesar ca aerul încălzit era loc să plutească. Dacă radiatorul este instalat sub tavan, atunci nu va avea loc nicio circulație - aerul cald va rămâne sub tavan. De aceea sunt amplasate aparate de încălzire în partea de jos camere. Din același motiv, au pus ibricul pe foc, în urma căruia straturile de apă încălzite, în creștere, lasă loc celor mai reci.

Dimpotrivă, aparatul de aer condiționat trebuie amplasat cât mai sus posibil: atunci aerul răcit va începe să se scufunde, iar în locul lui va veni aer mai cald. Circulația va merge în sens invers față de mișcarea fluxurilor la încălzirea încăperii.

Radiație termala

Cum obține Pământul energie de la Soare? Conducerea căldurii și convecția sunt excluse: suntem despărțiți de 150 de milioane de kilometri de spațiu fără aer.

Iată al treilea tip de transfer de căldură - Radiație termala. Radiația se poate propaga atât în ​​materie, cât și în vid. Cum apare?

Se pare că câmpurile electrice și magnetice sunt strâns legate între ele și au o proprietate remarcabilă. Dacă câmpul electric se modifică în timp, atunci generează un câmp magnetic, care, în general, se modifică și în timp (mai multe despre aceasta vor fi discutate în prospectul despre inducția electromagnetică). La rândul său, un câmp magnetic alternativ generează un câmp electric alternativ, care generează din nou un câmp magnetic alternativ, care generează din nou un câmp electric alternativ ...

Ca urmare a dezvoltării acestui proces, unde electromagnetice- „agățat” unul pentru celălalt câmpuri electrice și magnetice. La fel ca sunetul, undele electromagnetice au o viteză și o frecvență de propagare - în acest caz, aceasta este frecvența cu care variază mărimile și direcțiile câmpurilor în undă. Lumina vizibilă este un caz special de unde electromagnetice.

Viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este enormă: km/s. Deci, de la Pământ la Lună, lumina călătorește puțin mai mult de o secundă.

Gama de frecvență a undelor electromagnetice este foarte largă. Vom vorbi mai mult despre scara undelor electromagnetice în foaia corespunzătoare. Aici observăm doar că lumina vizibilă este o gamă mică de această scară. Sub el se află frecvențele radiațiilor infraroșii, deasupra - frecvențele radiațiilor ultraviolete.

Amintiți-vă acum că atomii, fiind în general neutri din punct de vedere electric, conțin protoni încărcați pozitiv și electroni încărcați negativ. Aceste particule încărcate, care fac mișcare haotică împreună cu atomii, creează câmpuri electrice alternative și, prin urmare, radiază unde electromagnetice. Aceste unde sunt numite Radiație termala- pentru a ne aminti că sursa lor este mișcarea termică a particulelor de materie.

Orice corp este o sursă de radiație termică. În acest caz, radiația transportă o parte din energia sa internă. După ce a întâlnit atomii altui corp, radiația îi accelerează cu câmpul său electric oscilant, iar energia internă a acestui corp crește. Așa ne bucurăm de soare.

La temperaturi obișnuite, frecvențele radiațiilor termice se află în domeniul infraroșu, astfel încât ochiul să nu-l perceapă (nu vedem cum „luminăm”). Când un corp este încălzit, atomii lui încep să emită unde de frecvențe mai înalte. Un cui de fier poate fi înroșit - adus la o astfel de temperatură încât radiația sa termică va ajunge în partea inferioară (roșie) a domeniului vizibil. Și Soarele ni se pare galben-alb: temperatura de pe suprafața Soarelui este atât de ridicată încât în ​​spectrul radiației sale există toate frecvențele luminii vizibile, și chiar ultraviolete, datorită cărora facem plajă.

Să aruncăm o altă privire asupra celor trei tipuri de transfer de căldură (Figura 3) (imagini de pe beodom.com).

Orez. 3. Trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație