Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:
- кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
- потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
- внутриатомная и внутриядерная энергии.
В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия .
Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией , не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела .
Так как в идеальном газе молекулы не взаимодействуют между собой, то потенциальная энергия их равна нулю и внутренняя энергия идеального газа представляет собой кинетическую энергию всех его молекул.
Средняя кинетическая энергия молекулы \(~\mathcal h W_k \mathcal i = \frac i2 kT\).
Число молекул в газе \(~N = \frac mM N_A\).
Следовательно, внутренняя энергия идеального газа
\(~U = N \mathcal h W_k \mathcal i = \frac mM N_A \frac i2 kT .\)
Учитывая, что kN A = R - универсальная газовая постоянная, имеем
\(~U = \frac i2 \frac mM RT\) - внутренняя энергия идеального газа. (1)
В частности, для одноатомного газа \(~U = \frac 32 \frac mM RT\) .
Из этих формул видно, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и числа молекул и не зависит ни от объема, ни от давления. Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера процесса, в котором газ переходит из одного состояния в другое:
\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \frac i2 \frac mM R \Delta T ,\)
где ΔT = T 2 - T 1 .
Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией W p , которая зависит от расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема.
Таким образом, внутренняя энергия реального газа зависит от его температуры, объема и структуры молекул.
Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U 2 - U 1 . Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 152-153.
Энергия представляет собой общую меру различных форм движения материи. Соответственно формам движения материи различают и виды энергии – механическую, электрическую, химическую и т.д. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает некоторым запасом энергии, существование которой было доказано Р.Клаузиусом (1850) и получило название внутренней энергии.
Внутренняя энергия (U) – это энергия всех видов движения микрочастиц, составляющих систему, и энергия их взаимодействия между собой.
Внутренняя энергия складывается из энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц, энергии межмолекулярного и внутримолекулярного, внутриатомного и внутриядерного взаимодействий и др.
Энергию внутримолекулярного взаимодействия, т.е. энергию взаимодействия атомов в молекуле, часто называют химической энергией . Изменение этой энергии имеет место при химических превращениях.
Для термодинамического анализа нет необходимости знать из каких форм движения материи складывается внутренняя энергия.
Запас внутренней энергии зависит только от состояния системы. Следовательно, внутреннюю энергию можно рассматривать как одну их характеристик этого состояния наравне с такими величинами, как, давление, температура.
Каждому состоянию системы соответствует строго определенное значение каждого из его свойств.
Если гомогенная система в начальном состоянии имеет объем V 1 , давление P 1 , температуру T 1 , внутреннюю энергию U 1 , удельную электропроводностьæ 1 и т.д., а в конечном состоянии эти свойства соответственно равны V 2 , P 2 , T 2 , U 2, æ 2 и т.д., то изменение каждого свойства при переходе системы из начального состояния в конечное будет одним и тем же, независимо от того, каким путем переходит система из одного состояния в другое: первым, вторым или третьим (рис. 1.4).
Рис. 1.4 Независимость свойств системы от пути ее перехода
из обычного состояния в другое
Т.е. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)
Где цифры I, II, III и т.д. указывают пути процесса. Следовательно, если система из начального состояния (1) в конечное (2) перейдет по одному пути, а из конечного в начале – по другому пути, т.е. совершится круговой процесс (цикл), то изменение каждого свойства системы будет равно нулю.
Таким образом, изменение функции состояния системы не зависит от пути процесса, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы. Бесконечно малое изменение свойств системы обозначается обычно знаком дифференциала d. Например, dU– бесконечное малое изменение внутренней энергии и т.д.
Формы обмена энергией
В соответствии с различными формами движения материи и различными видами энергии существуют различные формы обмена энергией (передача энергии) – формы взаимодействия. В термодинамике рассматриваются две формы обмена энергии между системой и окружающей средой. Это работа и теплота.
Работа. Наиболее наглядной формой обмена энергией является механическая работа, соответствующая механической форме движения материи. Она производится при перемещении тела под действием механической силы. В соответствии с другими формами движения материи различают и другие виды работы: электрическую, химическую и т.д. Работа является формой передачи упорядоченного, организованного движения, так как при совершении работы частицы тела движутся организованно в одном направлении. Например, совершение работы при расширении газа. Молекулы газа, находящегося в цилиндре под поршнем, находятся в хаотическом, неупорядоченном движении. Когда же газ начнет перемещать поршень, то есть совершать механическую работу, на беспорядочное движение молекул газа будет накладываться организованное движение: все молекулы получают некоторое смещение в направлении движения поршня. Электрическая работа так же связана с организованным движением в определенном направлении заряженных частиц материи.
Поскольку, работа является мерой передаваемой энергии, количество ее измеряется в тех же единицах, что и энергия.
Теплота . Форму обмена энергией, соответствующую хаотическому движению микрочастиц, составляющих систему, называюттеплообменом , а количество энергии, переданное при теплообмене, называюттеплотой .
Теплообмен не связан с изменением положения тел, составляющих термодинамическую систему, и состоит в непосредственной передаче энергии молекулами одного тела молекулам другого при их контакте.
П
редставим
себе изолированный сосуд (систему)
разделенную на две части теплопроводной
перегородкой ав (рис. 1.5). Допустим, что
в обеих частях сосуда находится газ.
Рис. 1.5. К понятию о теплоте
В левой половине сосуда температура
газа Т 1 , а в правой Т 2 . Если
Т 1 > Т 2 , то средняя кинетическая
энергия (
)
молекул газа в левой части сосуда, будет
больше средней кинетической энергии
(
)
в правой половине сосуда.
В результате непрерывных соударений молекул о перегородку в левой половине сосуда часть энергии их передается молекулам перегородки. Молекулы же газа, находящегося в правой половине сосуда, сталкиваясь с перегородкой, приобретут какую-то часть энергии от ее молекул.
В результате этих столкновений кинетическая энергия молекул в левой половине сосуда будет уменьшаться, а в правой – увеличиваться; температуры Т 1 и Т 2 будут выравниваться.
Поскольку теплота является метой энергии, ее количество измеряется в тех же единицах, что энергия. Таким образом, теплообмен и работа являются формами обмена энергией, а количество теплоты и количество работы - мерами передаваемой энергии. Различие между ними состоит в том, что теплота – это форма передачи микрофизического, неупорядоченного движения частиц (и, соответственно, энергии этого движения), а работа представляет собой форму передачи энергии упорядоченного, организованного движения материи.
Иногда говорят: теплота (или работа) подводится или отводится от системы, при этом следует понимать, что подводиться и отводится не теплота и работа, а энергия, поэтому следует не употреблять такого рода выражений как «запас теплоты» или «теплота содержится».
Являясь формами обмена энергией (формами взаимодействия) системы с окружающей средой, теплота и работа не могут быть связаны с каким-либо определенным состоянием системы, не могут являться ее свойствами, а, следовательно, и функциями ее состояния. Это означает, что если система проходит из начального состояния (1) в конечное (2) различными путями, то теплота и работа будут иметь разные значения для разных путей перехода (рис. 1.6)
Конечное количество теплоты и работы обозначают Q и A, а бесконечно малые значения соответственно через δQ и δA. Величины δQ и δA в отличие от dU не являются полным дифференциалом, т.к. Q и A не являются функциями состояния.
Когда же путь процесса буде предопределен, работа и теплота приобретут свойства функций состояния системы, т.е. их численные значения будут определяться только начальным и конечным состояниями системы.
Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия молекул .
Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
При остановке тела механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела
Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.
Если рассматривать кинетическую и потенциальную энергию одной молекулы, то это очень маленькая величина, ведь масса молекулы мала. Поскольку в теле содержится множество молекул, то внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, будет велика.
Способы изменения внутренней энергии
При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается.
Опыт: если нагреть бутылку с резиновой пробкой, то пробка через некоторое время вылетит.
Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:
1) совершая механическую работу. Внутренняя энергия увеличивается, если над телом совершают работу, а уменьшается, если тело совершает работу.
2) путем теплопередачи (теплопроводностью, конвекцией, излучением). Если тело отдаёт тепло, то внутренняя энергия уменьшается, а если принимает тепло, то она увеличивается.
Виды теплопередачи. Опыты, иллюстрирующие виды теплопередачи. Теплопередача в природе, технике, механике.
Теплообмен (теплопередача) - это процесс изменения внутренней энергии, происходящий без совершения работы.
1)
Теплопроводность - вид теплопередачи, при котором энергия передается от одного тела к другому при соприкосновении или от одной его части к другой. Разные вещества имеют разную теплопроводность. Теплопроводность у металлов большая, у жидкостей - меньше, у газов - низкая. При теплопроводности не происходит переноса вещества.
2) Конвекция - вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа и жидкости. Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная. В твердых телах конвекции нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью. Много проявлений конвекции можно обнаружить в природе и жизни человека. Конвекция также находит применение в технике.
3) Излучение - вид теплопередачи, при котором энергия переносится электромагнитными волнами. Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. Это используется на практике.
* При теплообмене кол-во отданной теплоты равно по модулю кол-ву полученной теплоты, или их сумма равно нулю. Это называется уровнем теплового баланса.
Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать, то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.
При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия - внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетической энергией (Ек ) молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией (Еп ), поскольку они взаимодействуют. Внутреннюю энергию обозначают буквой U . Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж ). U = Eк + En.
Способы изменения внутренней энергии
Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела . Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию. Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела .
Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы . Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.
Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды - повысится. В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи , о чем и свидетельствует понижение её температуры.
Молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
Внутренняя энергия любого тела связана с движением и состоянием частиц (молекул, атомов) вещества. Если известна полная энергия тела, то внутреннюю можно найти, исключив из полной движение всего тела как макроскопического объекта, а также энергию взаимодействия данного тела с потенциальными полями.
Также внутренняя энергия содержит в себе энергию колебаний молекул и потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия. Если речь идет об идеальном газе, то основной вклад во внутреннюю энергию дает кинетическая составляющая. Полная внутренняя энергия равна сумме энергий отдельных частиц.
Как известно, кинетическая энергия поступательного движения материальной точки, которая моделирует частицу вещества, сильно зависит от скорости ее движения. Также стоит заметить, что и энергия колебательных и вращательных движений зависит от их интенсивности.
Вспомните из курса молекулярной физики формулу для внутренней энергии идеального одноатомного газа. Она выражается через сумму кинетических составляющих всех частиц газа, которую можно усреднить. Усреднение по всем частицам приводит к явной зависимости внутренней энергии от температуры тела, а также от количества степеней свободы частиц.
В частности, для одноатомного идеального газа, частицы которого имеют лишь три степени свободы поступательного движения, внутренняя энергия оказывается прямо пропорциональной трем вторым произведения постоянной Больцмана и температуры.
Зависимость от температуры
Итак, внутренняя энергия тела фактически отображает кинетическую энергию движения частиц. Для того чтобы понять, какова связь данной энергии с температурой, необходимо определить физический смысл величины температуры. Если нагреть сосуд, заполненный газом и имеющий передвижные стенки, то его объем увеличится. Это говорит о том, что давление внутри увеличилось. Давление газа создается за счет ударов частиц о стенки сосуда.
Раз давление увеличилось, значит, увеличилась и сила удара, что говорит о росте скорости движения молекул. Таким образом, увеличение температуры газа привело к увеличению скорости движения молекул. В этом и состоит суть величины температуры. Теперь становится ясно, что увеличение температуры, приводящее к росту скорости движения частиц, влечет за собой увеличение кинетической энергии внутримолекулярного движения, а значит, и увеличение внутренней энергии.