Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах
Внутренняя энергия и работа газа
Основы термодинамики
Повторение. Закон сохранения полной механической энергии : полная механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Систему называют замкнутой , если все ее компоненты взаимодействуют только между собой.
Совершение работы и выделение энергии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии .
Под внутренней энергией системы U в термодинамике понимают сумму кинетической энергии движения всех микрочастиц системы (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия между собой. Подчеркнем, что механическая энергия (потенциальная энергия тела, поднятого под поверхностью Земли и кинетическая энергия его движения как целого) не входит во внутреннюю энергию.
Опыт показывает, что существуют два способа изменения внутренней энергии системы - совершение механической работы над системой и теплообмен с другими системами.
Первый способ изменения внутренней энергии - совершение механической работы А" внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А (А = -А"). При совершении работы внутренняя энергия системы изменяется за счет энергии внешнего источника. Так, при накачивании велосипедного колеса система нагревается за счет работы насоса, при помощи трения наши предки смогли получить огонь и т. д.
Второй способ изменения внутренней энергии системы (без совершения работы) называется теплообменом (теплопередачей). Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается ΔQ .
Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
При теплопроводности происходит передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому при тепловом контакте между ними. Теплообмен может происходить и между частями тела: от более нагретой части к его менее нагретой без переноса частиц, составляющих тело.
Конвекция - перенос теплоты потоками движущихся жидкости или газа из одних областей занимаемого ими объема в другие. При нагревании чайника на плите теплопроводность обеспечивает поступление теплоты через дно чайника к нижним (пограничным) слоям воды, однако нагревание внутренних слоев воды как раз и есть результат конвекции, приводящей к перемешиванию нагретой и холодной воды.
Тепловое излучение - перенос теплоты посредством электромагнитных волн. При этом отсутствует механический контакт нагревателя и получателя теплоты. Например, при поднесении руки на небольшое расстояние к лампе накаливания Вы почувствуете ее тепловое излучение. Земля получает энергию от Солнца также за счет теплового излучения.
Поскольку внутренняя энергия U однозначно определяется термодинамическими параметрами системы, то она является функцией состояния. Соответственно, изменение внутренней энергии ΔU при изменении состояния системы (изменение температуры, объема, давления, переход из жидкого состояния в твердое и т. д.) может быть найдено по формуле
ΔU=U 2 - U 1
где U 1 и U 2 - внутренняя энергия в первом и во втором состояниях. Изменение внутренней энергии ΔU не зависит от промежуточных состояний системы в процессе такого перехода, а определяется только начальным и конечным значениями энергии.
| Внутренняя энергия 1-й закон термодинамики. | |
| Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией. | |
| Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела. Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом. Следовательно: U=U (T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры. | U=U (T,V) |
| Для идеального газа: U=U (T) , т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем. - внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Внутренняя энергия - однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) - одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния. U – внутренняя энергия N – число атомов - средняя кинетическая энергия K – постоянная Больцмана m - масса M - молярная масса R – универсальная газовая постоянная Ρ плотность v – количество вещества | Идеальный газ: |
| Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты. |
Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул. Cледовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул. Попытаемся выяснить, каким способом можно увеличить или уменьшить скорость движения молекул.
Для этого проделаем следующий опыт. Укрепим тонкостенную латунную трубку на подставке (рис. 4). Нальем в трубку немного эфира и закроем пробкой. Затем трубку обовьем веревкой и начнем быстро двигать ее то в одну сторону, то в другую. Через некоторое время эфир закипит, и пар вытолкнет пробку. Опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел.Увеличение внутренней энергии произошло в результате совершения работы при натирании трубки веревкой.Нагревание тел происходит также при ударах, разгибании и сгибании, т. е. при деформации. Внутренняя энергия тела во всех приведенных примерах увеличивается. Следовательно, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается. Проделаем следующий опыт. В толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой, накачаем воздух через специальное отверстие в ней (рис. 5). Через некоторое время пробка выскочит из сосуда. В момент, когда пробка выскакивает из сосуда, образуется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее. Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счет своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде.Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух и различные предметы в комнате нагреваются от радиатора центрального отопления. Внутренняя энергия в этих случаях увеличивается, так как повышается температура тел. Но при этом работа не совершается. Значит, изменение внутренней энергии может происходить не только в результате совершения работы.
Внутреннюю энергию тел можно изменить путем теплопередачи. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. Когда температуры тел выравняются, теплопередача прекращается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей. Теплопередача в свою очередь может осуществляться тремя способами: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением.
Любое макроскопическое тело имеет энер-гию , обусловленную его микросостоянием. Эта энергия называется внутренней (обо-значается U ). Она равняется энергии дви-жения и взаимодействия микрочастиц, из которых состоит тело. Так, внутренняя энер-гия идеального газа состоит из кинетической энергии всех его молекул, поскольку их вза-имодействием в данном случае можно пре-небречь. Поэтому его внутренняя энергия за-висит лишь от температуры газа (U ~ T ).
Модель идеального газа пре-дусматривает, что молекулы на-ходятся на расстоянии несколь-ких диаметров друг от друга. Поэтому энергия их взаимо-действия намного меньше энер-гии движения и ее можно не учитывать.
У реальных газов, жидкостей и твердых тел взаимодействием микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т. п.) пренебречь нельзя, поскольку оно существенно влияет на их свойства. Поэтому их внутренняя энергия состоит из кинетической энергии теплового движения микрочастиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Их внутренняя энергия, кроме температуры T, будет за-висеть также от объема V, поскольку изме-нение объема влияет на расстояние между атомами и молекулами, а, следовательно, и на потенциальную энергию их взаимодей-ствия между собой.
Внутренняя энергия — это функция состояния тела, которая опреде-ляется его температурой T и объемом V.
Внутренняя энергия однознач-но определяется температурой T и объемом тела V, характе-ризующими его состояние: U = U(T, V)
Чтобы изменить внутреннюю энергию те-ла, нужно фактически изменить или кинетическую энергию теплового движения мик-рочастиц, или потенциальную энергию их взаимодействия (или и ту и другую вместе). Как известно, это можно сделать двумя способами — путем теплообмена или вслед-ствие выполнения работы. В первом случае это происходит за счет передачи опреде-ленного количества теплоты Q; во втором — вследствие выполнения работы A.
Таким образом, количество теплоты и выполненная работа являются мерой изме-нения внутренней энергии тела :
Δ U = Q + A.
Изменение внутренней энер-гии происходит за счет отдан-ного или полученного телом не-которого количества теплоты или вследствие выполнения ра-боты.
Если имеет место лишь теплообмен, то изменение внутренней энергии происходит путем получения или отдачи определенного количества теплоты: Δ U = Q. При нагрева-нии или охлаждении тела оно равно:
Δ U = Q = cm(T 2 — Т 1) = cm ΔT.
При плавлении или кристаллизации твер-дых тел внутренняя энергия изменяется за счет изменения потенциальной энергии вза-имодействия микрочастиц, ведь происходят структурные изменения строения вещества. В данном случае изменение внутренней энер-гии равняется теплоте плавления (кристал-лизации) тела: ΔU — Q пл = λ m, где λ — удель-ная теплота плавления (кристаллизации) твер-дого тела.
Испарение жидкостей или конденсация пара также вызывает изменение внутренней энергии , которая равна теплоте парообра-зования: Δ U = Q п = rm, где r — удельная теп-лота парообразования (конденсации) жидко-сти.
Изменение внутренней энергии тела вслед-ствие выполнения механической работы (без теплообмена) численно равно значению этой работы: Δ U = A.
Если изменение внутренней энергии происходит вследст-вие теплообмена, то Δ U = Q = cm(T 2 — T 1), или Δ U = Q пл = λ m, или Δ U = Q п = rm.
Следовательно, с точки зрения моле-кулярной физики: Материал с сайта
Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии теп-лового движения атомов, молекул или других частиц, из которых оно состоит, и потен-циальной энергии взаимодействия между ни-ми; с термодинамической точки зрения она является функцией состояния тела (системы тел), которая однозначно определяется его макропараметрами — температурой T и объе-мом V.
Таким образом, внутренняя энергия — это энергия системы, которая зависит от ее внутреннего состояния. Она состоит из энергии теплового движения всех микро-частиц системы (молекул, атомов, ионов, электронов и т. п.) и энергии их взаи-модействия. Полное значение внутренней энергии определить практически невоз-можно, поэтому вычисляют изменение внут-ренней энергии Δ U, которое происходит вследствие теплопередачи и выполнения ра-боты.
Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии теплового движения и потен-циальной энергии взаимодей-ствия составляющих его мик-рочастиц.
На этой странице материал по темам:
Можно ли однозначно определить внутреннюю энергию тела
Тело имеет энергию
Доклад по физике на тему внутренняя энергия
От каких макропараметров зависит внутренняя энергия идеального газа
-
В приведенной ниже статье речь пойдет о внутренней энергии и способах изменения ее. Здесь мы ознакомимся с общим определением ВЭ, с ее значением и двумя видами изменения состояния энергией, которой обладает физическое тело, объект. В частности будет рассмотрено явление теплопередачи и совершение работы.
Введение
Внутренняя энергия - это та часть ресурса системы термодинамического характера, которая не является зависимой от конкретной отсчетной системы. Она может изменять свое значение в пределах изучаемой проблемы.
Характеристики равного значения в системе отсчета, по отношению к которой центральная масса тела/объекта макроскопических размеров являет собой состояние покоя, обладают одинаковой полной и внутренней энергиями. Они всегда соответствуют друг другу. Набор частей, из которых состоит полная энергия, входящая во внутреннюю, является непостоянным и зависит от условий решаемой задачи. Другими словами, ВЭ не является специфическим видом энергетического ресурса. Она представляет собой общую совокупность ряда компонентов системы полной энергии, которые изменяются с учетом конкретных ситуаций. Способы изменения внутренней энергии базируются на двух основных принципах: теплопередаче и совершении работы.
ВЭ является специфическим понятием для систем термодинамического характера. Она позволяет вводить в пользование физики разнообразные величины, такие как температура и энтропия, размерность химического потенциала, масса веществ, образующих систему.
Выполнение работы
Существует два способа изменения внутренней энергии тел(а). Первый образуется благодаря процессу совершения непосредственной работы над объектом. Второй - это явление теплопередачи.
В случаи, если выполнение работы совершается самим телом, его показатель внутренней энергии будет уменьшаться. Когда процесс будет завершен кем-то или чем-то над телом, тогда его показатель ВЭ будет расти. При этом наблюдается трансформация механического энергетического ресурса во внутренний тип энергии, которым обладает объект. Также может протекать все и наоборот: механическая во внутреннюю.
Теплопередача увеличивает величину ВЭ. Однако если тело будет остывать, то и энергия будет снижаться. При постоянном поддержании трансляции тепла, показатель будет возрастать. Сжатие газов служит примером увеличения показателя ВЭ, а их расширение (газов) - следствие уменьшения величины внутренней энергии.
Явление теплопередачи
Изменение внутренней энергии способом теплопередачи представляет собой увеличение/снижение энергетического потенциала. Им обладает тело, без проведения определенной (в частности механической) работы. Передающееся количество энергии именуют теплотой (Q, Дж), а сам процесс подчиняется всеобщему ЗСЭ. Совершение изменений во ВЭ всегда отражается ростом или снижение температуры самого тела.
Оба способа изменения внутренней энергии (работа и теплопередача) могут совершаться по отношению к одному объекту в одновременном порядке, т. е. они могут совмещаться.
Изменить ВЭ можно, например, создавая трение. Здесь четко отслеживается совершение механической работы (трение) и явление теплообмена. Подобным образом старались добывать огонь наши предки. Они создавали трение между древесиной, температура воспламенения которой соответствует отметке в 250 °С.
Изменение внутренней энергии тела посредством совершения работы или теплопередачей может происходить в один и тот же отрезок времени, т. е. эти два вида средств могут работать совместно. Однако простого трения в конкретном случае будет мало. Для этого одну ветвь необходимо было заострять. В настоящее время человек может получить огонь при помощи трения спичек, головки которых покрывают горючим веществом, воспламеняющимся при 60-100 °С. Первая подобная продукция началась создаваться в 30-ых годах XIX века. Это были фосфорные спички. Они способны загораться при относительно низкой температуре - 60 °С. В настоящее время пользуются которые были запущены в производство в 1855 года.
Зависимость энергии
Говоря о способах изменения внутренней энергии, важно будет упомянуть также о зависимости этого показателя от температуры. Дело в том, что количество этого энергетического ресурса обусловлено средней величиной кинетической энергии, сосредоточенной в молекуле тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от показателя температуры. Именно по этой причине изменение температуры всегда приводит к изменению ВЭ. Из этого также следует, что нагревание приводит к росту энергии, а охлаждение вызывает ее уменьшение.
Температура и теплообмен
Способы изменения внутренней энергии тела делятся на: теплопередачу и совершение механической работы. Однако важно будет знать, что количество теплоты и температура - это не одно и то же. Эти понятия нельзя путать. Температурные величины определяются градусами, а количество передаваемой или переданной теплоты определяется при помощи джоулей (Дж).
Контакт двух тел, одно из которых будет горячее, всегда приводит к утрате тепла одним (более горячим) и к приобретению его другим (более холодным).
Важно отметить, что оба способа изменения ВЭ тела всегда приводят к одинаковым результатам. Определить, каким именно способом было достигнуто ее изменение, по конечному состоянию тела, невозможно.