Vnútorná energia telesa je vnútorná energia ideálneho plynu. Vnútorná energia ideálneho plynu - vlastnosti, teória a vzorec

Vidíte štartovať raketu. Robí prácu - zdvíha astronautov a náklad. Kinetická energia rakety sa zvyšuje, ako raketa pri stúpaní naberá stále väčšiu rýchlosť. Zvyšuje sa aj potenciálna energia rakety, ako stúpa stále vyššie nad Zem. Preto súčet týchto energií, tzn zvyšuje sa aj mechanická energia rakety.

Pamätáme si, že keď telo pracuje, jeho energia klesá. Raketa však skutočne funguje, ale jej energia neklesá, ale rastie! Aké je riešenie rozporu? Ukazuje sa, že okrem mechanickej energie existuje aj iný typ energie - vnútornej energie. Práve znižovaním vnútornej energie horiaceho paliva raketa vykonáva mechanickú prácu a navyše zvyšuje svoju mechanickú energiu.

Nie len horľavý, ale tiež horúce telesá majú vnútornú energiu, ktorú možno ľahko premeniť na mechanickú prácu. Urobme experiment. Vo vriacej vode zohrejeme závažie a položíme na plechovú škatuľu pripevnenú k tlakomeru. Keď sa vzduch v boxe zahreje, kvapalina v manometri sa začne pohybovať (pozri obrázok).

Expandujúci vzduch pôsobí na tekutinu. Vďaka akej energii sa to deje? Samozrejme, kvôli vnútornej energii kettlebellu. Preto v tomto experimente pozorujeme premena vnútornej energie tela na mechanickú prácu. Všimnite si, že mechanická energia závažia sa v tomto experimente nemení – vždy sa rovná nule.

takže, vnútornej energie- je to taká energia tela, vďaka ktorej je možné vykonávať mechanickú prácu, pričom nespôsobuje zníženie mechanickej energie tohto tela.

Vnútorná energia každého tela závisí od mnohých dôvodov: od typu a stavu jeho látky, hmotnosti a teploty tela a ďalších. Všetky telesá majú vnútornú energiu: veľké a malé, horúce a studené, pevné, kvapalné a plynné.

Najľahšie využiteľná pre ľudské potreby je vnútorná energia len, obrazne povedané, horúcich a horľavých látok a telies. Ide o ropu, plyn, uhlie, geotermálne zdroje v blízkosti sopiek a pod. Okrem toho sa v 20. storočí človek naučil využívať vnútornú energiu rádioaktívnych látok tzv. Ide napríklad o urán, plutónium a iné.

Pozrite sa na pravú stranu diagramu. Populárna literatúra často spomína tepelné, chemické, elektrické, atómové (jadrové) a iné druhy energie. Všetky sú spravidla rôznymi druhmi vnútornej energie, pretože môžu byť použité na vykonávanie mechanickej práce bez toho, aby spôsobili stratu mechanickej energie. Pojem vnútornej energie sa budeme podrobnejšie zaoberať v ďalšom štúdiu fyziky.

ich interakcie.

Vnútorná energia je zahrnutá v rovnováha energetických premien v prírode. Po objavení vnútornej energie bola formulovaná zákon zachovania a premeny energie. Uvažujme o vzájomnej premene mechanických a vnútorných energií. Nechajte olovenú guľu ležať na olovenej doske. Zdvihnime to a nechajme to ísť. Keď sme zdvihli loptu, informovali sme ju o potenciálnej energii. Keď lopta padá, klesá, pretože lopta padá nižšie a nižšie. Ale s rastúcou rýchlosťou sa kinetická energia lopty postupne zvyšuje. Potenciálna energia lopty sa premieňa na kinetickú energiu. Potom však lopta narazila na olovenú dosku a zastavila sa. Jeho kinetická aj potenciálna energia vo vzťahu k doske sa rovnala nule. Pri skúmaní lopty a taniera po náraze uvidíme, že ich stav sa zmenil: lopta je mierne sploštená a na tanieri sa vytvorila malá priehlbina; keď im zmeriame teplotu, zistíme, že sa zohriali.

Ohrev znamená zvýšenie priemernej kinetickej energie molekúl tela. Pri deformácii sa mení vzájomná poloha častíc telesa, a preto sa mení aj ich potenciálna energia.

Dá sa teda tvrdiť, že v dôsledku dopadu gule na dosku sa mechanická energia, ktorú mala guľa na začiatku experimentu, premení na vnútornej energie tela.

Nie je ťažké pozorovať spätný prechod vnútornej energie na mechanickú energiu.

Napríklad, ak vezmete hrubostennú sklenenú nádobu a načerpáte do nej vzduch cez otvor v korku, po určitom čase korok z nádoby vyletí. V tomto bode sa v plavidle tvorí hmla. Výskyt hmly znamená, že vzduch v plavidle sa ochladil a následne sa znížila jeho vnútorná energia. Vysvetľuje to skutočnosť, že stlačený vzduch v nádobe, vytláčajúci korok (t. j. expandujúci), vykonal prácu znížením jeho vnútornej energie. Kinetická energia korku sa zvýšila v dôsledku vnútornej energie stlačeného vzduchu.

Jedným zo spôsobov, ako zmeniť vnútornú energiu telesa, je teda práca, ktorú vykonávajú molekuly telesa (alebo iných telies) na danom telese. Spôsob, ako zmeniť vnútornú energiu bez práce, je prenos tepla.

Vnútorná energia ideálneho monatomického plynu.

Keďže molekuly ideálneho plynu navzájom neinteragujú, ich potenciálna energia sa považuje za nulovú. Vnútorná energia ideálneho plynu je určená iba kinetickou energiou náhodného translačného pohybu jeho molekúl. Na jej výpočet je potrebné vynásobiť priemernú kinetickú energiu jedného atómu počtom atómov . Vzhľadom na to k NA = R, získame hodnotu vnútornej energie ideálneho plynu:

.

Vnútorná energia ideálneho monatomického plynu je priamo úmerná jeho teplote. Ak použijeme Clapeyronovu-Mendelejevovu rovnicu, potom výraz pre vnútornú energiu ideálneho plynu môže byť reprezentovaný ako:

.

Treba poznamenať, že podľa výrazu pre priemernú kinetickú energiu jedného atómu a v dôsledku náhodnosti pohybu pre každý z troch možných smerov pohybu alebo každý stupeň voľnosti, pozdĺž osi X, Y a Z mať rovnakú energiu.

Počet stupňov voľnosti je počet možných nezávislých smerov pohybu molekúl.

Plyn, ktorého každá molekula pozostáva z dvoch atómov, sa nazýva dvojatómový. Každý atóm sa môže pohybovať tromi smermi, takže celkový počet možných smerov pohybu je 6. V dôsledku spojenia medzi molekulami sa počet stupňov voľnosti zníži o jeden, preto počet stupňov voľnosti pre dvojatómovú molekulu je päť.

Priemerná kinetická energia dvojatómovej molekuly je . Vnútorná energia ideálneho dvojatómového plynu je teda:

.

Vzorce pre vnútornú energiu ideálneho plynu možno zovšeobecniť:

.

kde i je počet stupňov voľnosti molekúl plynu ( i= 3 pre monatomické a i= 5 pre dvojatómový plyn).

Pre ideálne plyny vnútorná energia závisí iba od jedného makroskopického parametra - teploty a nezávisí od objemu, pretože potenciálna energia je nulová (objem určuje priemernú vzdialenosť medzi molekulami).

Pre skutočné plyny nie je potenciálna energia nulová. Preto je vnútorná energia v termodynamike vo všeobecnom prípade jednoznačne určená parametrami charakterizujúcimi stav týchto telies: objem (V) a teplotu (T).

« Fyzika - 10. ročník

Tepelné javy možno popísať pomocou veličín (makroskopických parametrov) meraných prístrojmi ako manometer a teplomer. Tieto zariadenia nereagujú na dopad jednotlivých molekúl. Teória tepelných procesov, ktorá nezohľadňuje molekulárnu stavbu telies, je tzv termodynamika. V termodynamike sa procesy zvažujú z hľadiska premeny tepla na iné formy energie.

Čo je vnútorná energia.
Aké spôsoby zmeny vnútornej energie poznáte?

Termodynamika vznikla v polovici 19. storočia. po objavení zákona zachovania energie. Vychádza z konceptu vnútornej energie. Samotný názov „interný“ naznačuje, že systém sa považuje za súbor pohybujúcich sa a interagujúcich molekúl. Zastavme sa pri otázke, aký vzťah existuje medzi termodynamikou a molekulárno-kinetickou teóriou.

Termodynamika a štatistická mechanika.

Prvou vedeckou teóriou tepelných procesov nebola molekulárna kinetická teória, ale termodynamika.

Termodynamika vznikla pri štúdiu optimálnych podmienok využitia tepla na prácu. Stalo sa to v polovici 19. storočia, dlho predtým, ako molekulárno-kinetická teória získala všeobecné uznanie. Zároveň sa dokázalo, že okrem mechanickej energie majú makroskopické telesá aj energiu obsiahnutú v tele samotných.

Teraz vo vede a technike, pri štúdiu tepelných javov, sa používa termodynamika aj molekulárno-kinetická teória. V teoretickej fyzike sa molekulárna kinetická teória nazýva tzv štatistická mechanika

Termodynamika a štatistická mechanika študujú rovnaké javy rôznymi metódami a navzájom sa dopĺňajú.

termodynamický systém nazývaný súbor interagujúcich telies vymieňajúcich si energiu a hmotu.

Vnútorná energia v molekulárno-kinetickej teórii.

Základným pojmom v termodynamike je pojem vnútornej energie.

Vnútorná energia tela(systémy) je súčet kinetickej energie chaotického tepelného pohybu molekúl a potenciálnej energie ich interakcie.

Mechanická energia tela (systému) ako celku nie je zahrnutá do vnútornej energie. Napríklad vnútorná energia plynov v dvoch rovnakých nádobách za rovnakých podmienok je rovnaká bez ohľadu na pohyb nádob a ich vzájomné umiestnenie.

Vypočítať vnútornú energiu telesa (alebo jej zmenu), berúc do úvahy pohyb jednotlivých molekúl a ich vzájomnú polohu, je takmer nemožné vzhľadom na obrovský počet molekúl v makroskopických telesách. Preto je potrebné vedieť určiť hodnotu vnútornej energie (resp. jej zmeny) v závislosti od makroskopických parametrov, ktoré je možné priamo merať.

Vnútorná energia ideálneho monatomického plynu.

Vypočítajme vnútornú energiu ideálneho monatomického plynu.

Podľa modelu molekuly ideálneho plynu navzájom neinteragujú, preto je potenciálna energia ich interakcie nulová. Celá vnútorná energia ideálneho plynu je určená kinetickou energiou náhodného pohybu jeho molekúl.

Na výpočet vnútornej energie ideálneho monatomického plynu s hmotnosťou m je potrebné vynásobiť priemernú kinetickú energiu jedného atómu počtom atómov. Ak vezmeme do úvahy, že kN A = R, dostaneme vzorec pre vnútornú energiu ideálneho plynu:

Vnútorná energia ideálneho monatomického plynu je priamo úmerná jeho absolútnej teplote.

Nezávisí od objemu a iných makroskopických parametrov systému.

Zmena vnútornej energie ideálneho plynu

t.j. je určená teplotami počiatočného a konečného stavu plynu a nezávisí od procesu.

Ak sa ideálny plyn skladá zo zložitejších molekúl ako monatomický, potom je jeho vnútorná energia tiež úmerná absolútnej teplote, ale koeficient úmernosti medzi U a T je iný. Vysvetľuje to skutočnosť, že zložité molekuly sa nielen pohybujú dopredu, ale tiež rotujú a oscilujú okolo svojich rovnovážnych polôh. Vnútorná energia takýchto plynov sa rovná súčtu energií translačných, rotačných a vibračných pohybov molekúl. Preto je vnútorná energia viacatómového plynu väčšia ako energia monatomického plynu pri rovnakej teplote.

Závislosť vnútornej energie od makroskopických parametrov.

Zistili sme, že vnútorná energia ideálneho plynu závisí od jedného parametra - teploty.

Pre skutočné plyny, kvapaliny a tuhé látky je priemerná potenciálna energia interakcie molekúl nerovná sa nule. Je pravda, že pre plyny je oveľa menšia ako priemerná kinetická energia molekúl, ale pre pevné a kvapalné telesá je s ňou porovnateľná.

Priemerná potenciálna energia interakcie molekúl plynu závisí od objemu látky, pretože pri zmene objemu sa mení priemerná vzdialenosť medzi molekulami. V dôsledku toho vnútorná energia skutočného plynu v termodynamike vo všeobecnosti závisí spolu s teplotou T od objemu V.

Dá sa tvrdiť, že vnútorná energia skutočného plynu závisí od tlaku, na základe skutočnosti, že tlak možno vyjadriť ako teplotu a objem plynu.

Hodnoty makroskopických parametrov (teploty T objemu V atď.) jednoznačne určujú stav telies. Preto určujú aj vnútornú energiu makroskopických telies.

Vnútornú energiu U makroskopických telies jednoznačne určujú parametre charakterizujúce stav týchto telies: teplota a objem.

Podľa MKT sú všetky látky zložené z častíc, ktoré sú v nepretržitom tepelnom pohybe a navzájom sa ovplyvňujú. Preto, aj keď je telo nehybné a má nulovú potenciálnu energiu, má energiu (vnútornú energiu), čo je celková energia pohybu a interakcie mikročastíc, ktoré tvoria telo. Zloženie vnútornej energie zahŕňa:

1. kinetická energia translačného, ​​rotačného a vibračného pohybu molekúl;
2. potenciálna energia interakcie atómov a molekúl;
3. vnútroatómová a intranukleárna energia.

V termodynamike sa uvažujú procesy pri teplotách, pri ktorých nie je excitovaný kmitavý pohyb atómov v molekulách, t.j. pri teplotách nepresahujúcich 1000 K. Pri týchto procesoch sa menia len prvé dve zložky vnútornej energie. Preto

pod vnútornej energie v termodynamike rozumejú súčtu kinetickej energie všetkých molekúl a atómov telesa a potenciálnej energie ich interakcie.

Vnútorná energia telesa určuje jeho tepelný stav a mení sa pri prechode z jedného stavu do druhého. V danom stave má telo presne definovanú vnútornú energiu, nezávislú od procesu, v dôsledku ktorého do tohto stavu prešlo. Preto sa vnútorná energia veľmi často nazýva funkcia stavu tela.

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

kde i- stupeň voľnosti. Pre monoatomický plyn (napríklad inertné plyny) i= 3, pre dvojatómové - i = 5.

Z týchto vzorcov je zrejmé, že vnútorná energia ideálneho plynu závisí len od teploty a počtu molekúl a nezávisí od objemu alebo tlaku. Preto je zmena vnútornej energie ideálneho plynu určená iba zmenou jeho teploty a nezávisí od povahy procesu, v ktorom plyn prechádza z jedného stavu do druhého:

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

kde ∆ T = T 2 - T 1 .

• Molekuly skutočných plynov sa navzájom ovplyvňujú, a preto majú potenciálnu energiu W p , ktorý závisí od vzdialenosti medzi molekulami a následne od objemu, ktorý plyn zaberá. Vnútorná energia skutočného plynu teda závisí od jeho teploty, objemu a molekulárnej štruktúry.

*Odvodenie vzorca

Priemerná kinetická energia molekuly \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Počet molekúl v plyne \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Preto je vnútorná energia ideálneho plynu

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

Vzhľadom na to k⋅N A= R je univerzálna plynová konštanta, máme

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) je vnútorná energia ideálneho plynu.

Zmena vnútornej energie

Pri riešení praktických otázok nehrá významnú úlohu samotná vnútorná energia, ale jej zmena Δ U = U 2 - U jeden . Zmena vnútornej energie sa vypočíta na základe zákonov zachovania energie.

Vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi:

1. Pri výrobe mechanická práca. a) Ak vonkajšia sila spôsobí deformáciu telesa, potom sa zmenia vzdialenosti medzi časticami, z ktorých pozostáva, a následne sa zmení aj potenciálna energia interakcie častíc. Pri nepružných deformáciách sa navyše mení teplota telesa, t.j. mení sa kinetická energia tepelného pohybu častíc. Ale keď sa telo deformuje, vykoná sa práca, ktorá je mierou zmeny vnútornej energie tela. b) Vnútorná energia telesa sa mení aj pri jeho nepružnej zrážke s iným telesom. Ako sme už skôr videli, pri nepružnej zrážke telies sa ich kinetická energia zmenšuje, mení sa na vnútornú energiu (ak napríklad niekoľkokrát udriete kladivom do drôtu ležiaceho na nákove, drôt sa zahreje). Miera zmeny kinetickej energie telesa je podľa vety o kinetickej energii prácou pôsobiacich síl. Táto práca môže slúžiť aj ako meradlo zmien vnútornej energie. c) K zmene vnútornej energie telesa dochádza pôsobením sily trenia, pretože ako je známe zo skúseností, trenie je vždy sprevádzané zmenou teploty trecích telies. Práca trecej sily môže slúžiť ako miera zmeny vnútornej energie.
2. S pomocou prenos tepla. Napríklad, ak sa teleso vloží do plameňa horáka, zmení sa jeho teplota, a teda sa zmení aj jeho vnútorná energia. Nepracovalo sa tu však, pretože nebol viditeľný pohyb ani samotného tela, ani jeho častí.

Zmena vnútornej energie systému bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla(prenos tepla).

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie.

a) tepelná vodivosť je proces výmeny tepla medzi telesami (alebo časťami tela) pri ich priamom kontakte, v dôsledku tepelného chaotického pohybu častíc tela. Amplitúda kmitov molekúl pevného telesa je tým väčšia, čím je jeho teplota vyššia. Tepelná vodivosť plynov je spôsobená výmenou energie medzi molekulami plynu pri ich zrážkach. V prípade tekutín fungujú oba mechanizmy. Tepelná vodivosť látky je maximálna v pevnom skupenstve a minimálna v plynnom skupenstve.

b) Konvekcia je prenos tepla ohriatymi prúdmi kvapaliny alebo plynu z jednej časti objemu, ktorý zaberajú, do druhej.

c) Prestup tepla pri žiarenia vykonávané na diaľku pomocou elektromagnetických vĺn.

Pozrime sa podrobnejšie na to, ako zmeniť vnútornú energiu.

mechanická práca

Pri zvažovaní termodynamických procesov sa neuvažuje s mechanickým pohybom makrotelies ako celku. Pojem práce je tu spojený so zmenou objemu tela, t.j. pohybujúce sa časti makrotela voči sebe navzájom. Tento proces vedie k zmene vzdialenosti medzi časticami a tiež často k zmene rýchlosti ich pohybu, teda k zmene vnútornej energie tela.

izobarický proces

Najprv zvážte izobarický proces. Nech je vo valci s pohyblivým piestom plyn pri teplote T 1 (obr. 1).

Plyn pomaly zohrejeme na teplotu T 2. Plyn sa izobaricky roztiahne a piest sa bude pohybovať z polohy 1 do pozície 2 vzdialenosť Δ l. V tomto prípade bude tlaková sila plynu pôsobiť na vonkajšie telesá. Pretože p= konštanta, potom tlaková sila F = p⋅S tiež konštantný. Preto je možné prácu tejto sily vypočítať podľa vzorca

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

kde ∆ V- zmena objemu plynu.

• Ak sa objem plynu nemení (izochorický proces), potom je práca vykonaná plynom nulová.

• Plyn funguje iba v procese zmeny svojho objemu.

Pri rozširovaní (Δ V> 0) na plyne sa vykonáva pozitívna práca ( ALE> 0); pod kompresiou (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (ALE < 0).

• Ak vezmeme do úvahy prácu vonkajších síl A " (ALE " = –ALE), potom s expanziou (Δ V> 0) plyn ALE " < 0); при сжатии (ΔV < 0) ALE " > 0.

Napíšme Clapeyronovu-Mendelejevovu rovnicu pre dva stavy plynu:

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

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

Preto pri izobarický proces

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

Ak ν = 1 mol, potom pri Δ Τ = 1 K dostaneme to R sa číselne rovná A.

Preto nasleduje fyzikálny význam univerzálnej plynovej konštanty: číselne sa rovná práci, ktorú vykoná 1 mól ideálneho plynu, keď sa izobaricky zohreje o 1 K.

Nejde o izobarický proces

Na grafe p (V) v izobarickom procese sa práca rovná ploche obdĺžnika tieňovaného na obrázku 2, a.

Ak proces nie izobarické(obr. 2, b), potom funkčná krivka p = f(V) možno znázorniť ako prerušovanú čiaru pozostávajúcu z veľkého počtu izochór a izobár. Práca na izochorických rezoch sa rovná nule a celková práca na všetkých izobarických rezoch sa bude rovnať

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

tie. sa bude rovnať oblasť tieňovaného obrázku.

O izotermický proces (T= const) práca sa rovná ploche tieňovaného obrázku znázorneného na obrázku 2, c.

Pomocou posledného vzorca je možné určiť prácu len vtedy, ak je známe, ako sa mení tlak plynu so zmenou jeho objemu, t.j. forma funkcie je známa p = f(V).

Je teda zrejmé, že aj pri rovnakej zmene objemu plynu bude práca závisieť od spôsobu prechodu (t.j. od procesu: izotermický, izobarický ...) z počiatočného stavu plynu do konečného. Preto možno konštatovať, že

• Práca v termodynamike je procesná funkcia a nie stavová funkcia.

Množstvo tepla

Ako viete, počas rôznych mechanických procesov dochádza k zmene mechanickej energie W. Mierou zmeny mechanickej energie je práca síl pôsobiacich na systém:

\(~\DeltaW = A.\)

Pri prenose tepla dochádza k zmene vnútornej energie tela. Mierou zmeny vnútornej energie počas prenosu tepla je množstvo tepla.

Množstvo tepla je miera zmeny vnútornej energie pri prenose tepla.

Práca aj množstvo tepla teda charakterizujú zmenu energie, nie sú však totožné s vnútornou energiou. Necharakterizujú stav samotného systému (ako to robí vnútorná energia), ale určujú proces prechodu energie z jednej formy do druhej (z jedného tela do druhého), keď sa stav mení a v podstate závisia od povahy procesu.

Hlavný rozdiel medzi prácou a teplom je v tom

• práca charakterizuje proces zmeny vnútornej energie systému sprevádzaný premenou energie z jedného typu na druhý (z mechanickej na vnútornú);
• množstvo tepla charakterizuje proces prenosu vnútornej energie z jedného telesa do druhého (od viac ohriateho k menej ohriatemu), nesprevádzaný energetickými premenami.

Kúrenie (chladenie)

Skúsenosti ukazujú, že množstvo tepla potrebné na zahriatie telesa s hmotnosťou m teplota T 1 na teplotu T 2 sa vypočíta podľa vzorca

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

kde c- merná tepelná kapacita látky (tabuľková hodnota);

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

Jednotkou SI špecifického tepla je joule na kilogram Kelvina (J/(kg K)).

Špecifické teplo c sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa musí odovzdať telesu s hmotnosťou 1 kg, aby sa zohrialo o 1 K.

Okrem mernej tepelnej kapacity sa berie do úvahy aj taká veličina, akou je tepelná kapacita tela.

Tepelná kapacita telo Cčíselne sa rovná množstvu tepla potrebnému na zmenu telesnej teploty o 1 K:

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

Jednotkou SI tepelnej kapacity telesa je joule na Kelvin (J/K).

Vyparovanie (kondenzácia)

Na premenu kvapaliny na paru pri konštantnej teplote je potrebné množstvo tepla

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

kde L- špecifické výparné teplo (tabuľková hodnota). Pri kondenzácii pary sa uvoľňuje rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI pre špecifické teplo vyparovania je joule na kilogram (J/kg).

Tavenie (kryštalizácia)

Aby sa roztavilo kryštalické teleso s hmotou m pri teplote topenia je potrebné, aby telo hlásilo množstvo tepla

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

kde λ - špecifické teplo topenia (tabuľková hodnota). Počas kryštalizácie telesa sa uvoľňuje rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI pre špecifické teplo topenia je joule na kilogram (J/kg).

spaľovanie paliva

Množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri úplnom spaľovaní palivovej hmoty m,

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

kde q- špecifické spalné teplo (tabuľková hodnota).

Jednotkou SI pre špecifické spalné teplo je joule na kilogram (J/kg).

Literatúra

Aksenovič L. A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Proc. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné. prostredia, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

Témy kodifikátora USE Kľúčové slová: vnútorná energia, prenos tepla, druhy prenosu tepla.

Častice akéhokoľvek telesa - atómy alebo molekuly - vykonávajú chaotický nepretržitý pohyb (tzv tepelný pohyb). Preto má každá častica určitú kinetickú energiu.

Okrem toho častice hmoty navzájom interagujú silami elektrickej príťažlivosti a odpudzovania, ako aj jadrovými silami. Potenciálnu energiu má teda aj celý systém častíc daného telesa.

Kinetická energia tepelného pohybu častíc a potenciálna energia ich vzájomného pôsobenia spolu tvoria nový typ energie, ktorá sa neredukuje na mechanickú energiu telesa (t.j. kinetickú energiu pohybu telesa ako celku a potenciálna energia jeho interakcie s inými telesami). Tento druh energie sa nazýva vnútorná energia.

Vnútorná energia telesa je celková kinetická energia tepelného pohybu jeho častíc plus potenciálna energia ich vzájomnej interakcie.

Vnútorná energia termodynamického systému je súčtom vnútorných energií telies zahrnutých v systéme.

Vnútornú energiu tela teda tvoria nasledujúce pojmy.

1. Kinetická energia nepretržitého chaotického pohybu častíc tela.
2. Potenciálna energia molekúl (atómov), v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie.
3. Energia elektrónov v atómoch.
4. Vnútrojadrová energia.

V prípade najjednoduchšieho modelu hmoty - ideálneho plynu - možno získať explicitný vzorec pre vnútornú energiu.

Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Potenciálna energia interakcie medzi časticami ideálneho plynu je nulová (pripomeňme, že v modeli ideálneho plynu zanedbávame interakciu častíc na diaľku). Preto je vnútorná energia monatomického ideálneho plynu redukovaná na celkovú kinetickú energiu translačných (pri polyatomickom plyne treba brať do úvahy aj rotáciu molekúl a vibrácie atómov v molekulách) jeho atómov. Túto energiu možno nájsť vynásobením počtu atómov plynu priemernou kinetickou energiou jedného atómu:

Vidíme, že vnútorná energia ideálneho plynu (ktorého hmotnosť a chemické zloženie sú nezmenené) je funkciou iba jeho teploty. Pre skutočný plyn, kvapalinu alebo pevnú látku bude vnútorná energia závisieť aj od objemu - koniec koncov, keď sa objem zmení, zmení sa relatívna poloha častíc a v dôsledku toho aj potenciálna energia ich interakcie.

Štátna funkcia

Najdôležitejšou vlastnosťou vnútornej energie je, že je štátna funkcia termodynamický systém. Totiž vnútorná energia je jednoznačne určená súborom makroskopických parametrov charakterizujúcich systém a nezávisí od „pravekosti“ systému, t.j. o stave, v akom bol systém predtým a ako konkrétne v tomto stave skončil.

Takže pri prechode systému z jedného stavu do druhého je zmena jeho vnútornej energie určená iba počiatočným a konečným stavom systému a nezávisí z cesty prechodu z počiatočného stavu do konečného. Ak sa systém vráti do pôvodného stavu, potom je zmena jeho vnútornej energie nulová.

Skúsenosti ukazujú, že existujú iba dva spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu tela:

Vykonávanie mechanických prác;
prenos tepla.

Jednoducho povedané, kanvicu môžete ohriať iba dvoma zásadne odlišnými spôsobmi: niečím ju potrieť alebo zapáliť :-) Pozrime sa na tieto metódy podrobnejšie.

Zmena vnútornej energie: práca

Ak je práca vykonaná vyššie tela, zvyšuje sa vnútorná energia tela.

Napríklad klinec po údere kladivom sa zahrieva a trochu deformuje. Ale teplota je mierou priemernej kinetickej energie častíc telesa. Zahrievanie klinca naznačuje zvýšenie kinetickej energie jeho častíc: v skutočnosti sa častice urýchľujú úderom kladiva a trením klinca o dosku.

Deformácia nie je nič iné ako vzájomné premiestňovanie častíc; Po dopade klinec podstúpi kompresnú deformáciu, jeho častice sa k sebe priblížia, zvýšia sa odpudivé sily medzi nimi a to vedie k zvýšeniu potenciálnej energie častíc nechtu.

Vnútorná energia nechtu sa teda zvýšila. To bol výsledok práce na ňom vykonanej - prácu vykonalo kladivo a sila trenia na doske.

Ak je práca vykonaná sami sebou tela, potom vnútorná energia tela klesá.

Nechajte napríklad stlačený vzduch v tepelne izolovanej nádobe pod piestom expandovať a zdvihnúť určitú záťaž, čím vykoná prácu (proces v tepelne izolovanej nádobe je tzv. adiabatické. Budeme študovať adiabatický proces uvažovaním prvého zákona termodynamiky). Počas takéhoto procesu bude vzduch ochladzovaný - jeho molekuly, ktoré narážajú za pohybujúcim sa piestom, mu dávajú časť svojej kinetickej energie. (Rovnakým spôsobom futbalista, ktorý zastaví rýchlo letiacu loptu nohou, urobí pohyb nohou od loptička a zhasne jej rýchlosť.) Preto vnútorná energia vzduchu klesá.

Vzduch teda funguje vďaka svojej vnútornej energii: keďže nádoba je tepelne izolovaná, nedochádza k prívodu energie do vzduchu zo žiadnych vonkajších zdrojov a vzduch môže čerpať energiu na prácu iba zo svojich vlastných zásob.

Zmena vnútornej energie: prenos tepla

Prenos tepla je proces prenosu vnútornej energie z teplejšieho telesa na chladnejšie, ktorý nie je spojený s výkonom mechanickej práce.. Prenos tepla sa môže uskutočňovať buď priamym kontaktom telies, alebo cez stredné médium (a dokonca aj cez vákuum). Prenos tepla je tiež tzv výmena tepla.

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, konvekcia a tepelné žiarenie.

Teraz sa na ne pozrieme podrobnejšie.

Tepelná vodivosť

Ak vložíte železnú tyč s jedným koncom do ohňa, potom, ako vieme, nemôžete ju dlho držať v ruke. Atómy železa, ktoré sa dostanú do oblasti vysokej teploty, začnú vibrovať intenzívnejšie (t. j. získavajú dodatočnú kinetickú energiu) a spôsobujú silnejšie údery na svojich susedov.

Zvyšuje sa aj kinetická energia susedných atómov a teraz tieto atómy dodávajú svojim susedom dodatočnú kinetickú energiu. Takže z sekcie na sekciu sa teplo postupne šíri pozdĺž tyče - od konca umiestneného v ohni až po našu ruku. Ide o tepelnú vodivosť (obr. 1) (obrázok z educationelectronicsusa.com).

Ryža. 1. Tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť je prenos vnútornej energie z viac zahrievaných častí tela do menej zahrievaných v dôsledku tepelného pohybu a interakcie častíc tela..

Tepelná vodivosť rôznych látok je odlišná. Kovy majú vysokú tepelnú vodivosť: striebro, meď a zlato sú najlepšími vodičmi tepla. Tepelná vodivosť kvapalín je oveľa nižšia. Plyny vedú teplo tak zle, že už patria k tepelným izolantom: kvôli veľkým vzdialenostiam medzi nimi molekuly plynu navzájom slabo interagujú. Preto sa napríklad v oknách vyrábajú dvojité rámy: unikaniu tepla bráni vrstva vzduchu).

Preto pórovité telesá, ako je tehla, vlna alebo kožušina, sú zlými vodičmi tepla. Vo svojich póroch obsahujú vzduch. Niet divu, že tehlové domy sú považované za najteplejšie a v chladnom počasí ľudia nosia kožuchy a bundy s vrstvou páperia alebo vypchávkového polyesteru.

Ale ak vzduch vedie teplo tak zle, prečo sa potom miestnosť zahrieva z batérie?

Stáva sa to v dôsledku iného typu prenosu tepla - konvekcie.

Konvekcia

Konvekcia je prenos vnútornej energie v kvapalinách alebo plynoch v dôsledku cirkulácie tokov a miešania látok.

Vzduch v blízkosti batérie sa zahrieva a expanduje. Gravitačná sila pôsobiaca na tento vzduch zostáva rovnaká, ale vztlaková sila z okolitého vzduchu sa zvyšuje, takže ohriaty vzduch sa začne vznášať smerom k stropu. Na jeho miesto prichádza studený vzduch (ten istý proces, ale v oveľa väčšom meradle sa v prírode neustále vyskytuje: takto vzniká vietor), s ktorým sa opakuje to isté.

V dôsledku toho sa vytvorí cirkulácia vzduchu, ktorá slúži ako príklad konvekcie - distribúcia tepla v miestnosti sa uskutočňuje prúdmi vzduchu.

Úplne analogický proces možno pozorovať v kvapaline. Keď na sporák postavíte rýchlovarnú kanvicu alebo hrniec s vodou, voda sa ohrieva predovšetkým konvekciou (príspevok tepelnej vodivosti vody je tu veľmi zanedbateľný).

Konvekčné prúdy vo vzduchu a kvapaline sú znázornené na obr. 2 (obrázky z physics.arizona.edu).

Ryža. 2. Konvekcia

V pevných látkach nie je konvekcia: interakčné sily častíc sú veľké, častice oscilujú v blízkosti pevných priestorových bodov (uzlov kryštálovej mriežky) a za takýchto podmienok sa nemôžu vytvárať žiadne toky hmoty.

Pre cirkuláciu konvekčných prúdov pri vykurovaní miestnosti je potrebné, aby ohriaty vzduch bolo miesto na plávanie. Ak je radiátor inštalovaný pod stropom, potom nedôjde k cirkulácii - teplý vzduch zostane pod stropom. Preto sú umiestnené vykurovacie zariadenia na spodku izby. Z rovnakého dôvodu položili kanvicu na požiar, v dôsledku ktorého zohriate vrstvy vody, stúpajúce, ustupujú chladnejším.

Naopak, klimatizácia by mala byť umiestnená čo najvyššie: potom ochladený vzduch začne klesať a na jeho miesto príde teplejší vzduch. Cirkulácia pôjde opačným smerom v porovnaní s pohybom tokov pri vykurovaní miestnosti.

tepelné žiarenie

Ako Zem získava energiu zo Slnka? Vedenie tepla a konvekcia sú vylúčené: delí nás 150 miliónov kilometrov priestoru bez vzduchu.

Tu je tretí typ prenosu tepla - tepelné žiarenie. Žiarenie sa môže šíriť v hmote aj vo vákuu. Ako vzniká?

Ukazuje sa, že elektrické a magnetické polia spolu úzko súvisia a majú jednu pozoruhodnú vlastnosť. Ak sa elektrické pole mení s časom, potom vytvára magnetické pole, ktoré sa vo všeobecnosti tiež mení s časom (viac o tom bude diskutované v letáku o elektromagnetickej indukcii). Striedavé magnetické pole zase generuje striedavé elektrické pole, ktoré opäť generuje striedavé magnetické pole, ktoré opäť generuje striedavé elektrické pole ...

Výsledkom vývoja tohto procesu je elektromagnetická vlna- navzájom "zaseknuté" elektrické a magnetické polia. Podobne ako zvuk, aj elektromagnetické vlny majú rýchlosť a frekvenciu šírenia – v tomto prípade ide o frekvenciu, s ktorou vo vlne kolíšu veľkosti a smery polí. Viditeľné svetlo je špeciálny prípad elektromagnetických vĺn.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je obrovská: km/s. Svetlo teda zo Zeme na Mesiac prejde o niečo viac ako sekundu.

Frekvenčný rozsah elektromagnetických vĺn je veľmi široký. O škále elektromagnetických vĺn si povieme viac v príslušnom hárku. Tu len poznamenávame, že viditeľné svetlo je malý rozsah tohto rozsahu. Pod ním ležia frekvencie infračerveného žiarenia, nad - frekvencie ultrafialového žiarenia.

Pripomeňme si teraz, že atómy, ktoré sú vo všeobecnosti elektricky neutrálne, obsahujú kladne nabité protóny a záporne nabité elektróny. Tieto nabité častice, ktoré spolu s atómami chaoticky pohybujú, vytvárajú striedavé elektrické polia a tým vyžarujú elektromagnetické vlny. Tieto vlny sa nazývajú tepelné žiarenie- ako pripomienka, že ich zdrojom je tepelný pohyb častíc hmoty.

Akékoľvek teleso je zdrojom tepelného žiarenia. V tomto prípade žiarenie unáša časť svojej vnútornej energie. Po stretnutí s atómami iného telesa ich žiarenie urýchľuje svojim oscilujúcim elektrickým poľom a vnútorná energia tohto telesa sa zvyšuje. Takto sa vyhrievame na slnku.

Pri bežných teplotách ležia frekvencie tepelného žiarenia v infračervenej oblasti, takže ho oko nevníma (nevidíme, ako „žiarime“). Keď sa teleso zahreje, jeho atómy začnú vyžarovať vlny vyšších frekvencií. Železný klinec môže byť rozžeravený - privedený na takú teplotu, že jeho tepelné žiarenie pôjde do spodnej (červenej) časti viditeľného rozsahu. A Slnko sa nám zdá žltobiele: teplota na povrchu Slnka je taká vysoká, že v spektre jeho žiarenia sú všetky frekvencie viditeľného svetla, dokonca aj ultrafialového, vďaka ktorému sa opaľujeme.

Pozrime sa ešte raz na tri typy prenosu tepla (obrázok 3) (obrázky z beodom.com).

Ryža. 3. Tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie