Sisäinen energia kehon ei voi olla vakioarvo. Se voi muuttua missä tahansa kehossa. Jos nostat kehon lämpötilaa, sen sisäinen energia kasvaa, koska molekyylien keskimääräinen liikkeen nopeus kasvaa. Siten kehon molekyylien kineettinen energia kasvaa. Ja päinvastoin, kun lämpötila laskee, kehon sisäinen energia vähenee.

Voimme päätellä: Kehon sisäinen energia muuttuu, jos molekyylien liikenopeus muuttuu. Yritetään selvittää, millä menetelmällä voidaan lisätä tai vähentää molekyylien liikenopeutta. Harkitse seuraavaa kokeilua. Kiinnitetään jalustaan ​​messinkiputki ohutseinäisellä. Täytä putki eetterillä ja sulje se tulpalla. Sitten sidomme sen köydellä ja alamme liikuttaa köyttä intensiivisesti eri suuntiin. Tietyn ajan kuluttua eetteri kiehuu ja höyryn voima työntää pistokkeen ulos. Kokemus osoittaa, että aineen (eetterin) sisäinen energia on kasvanut: loppujen lopuksi se on muuttanut lämpötilaansa samalla kiehuen.

Sisäenergian kasvu johtui tehdystä työstä, kun putkea hierottiin köydellä.

Kuten tiedämme, kappaleiden kuumenemista voi tapahtua myös iskujen, taipumisen tai venymisen tai yksinkertaisemmin muodonmuutoksen aikana. Kaikissa annetuissa esimerkeissä kehon sisäinen energia kasvaa.

Siten kehon sisäistä energiaa voidaan lisätä tekemällä työtä keholle.

Jos keho itse tekee työn, sen sisäinen energia vähenee.

Harkitsemme toista kokeilua.

Pumppaamme ilmaa paksuseinäiseen lasiastiaan, joka on suljettu tulpalla erityisesti tehdyn reiän kautta.

Jonkin ajan kuluttua korkki lentää ulos aluksesta. Sillä hetkellä, kun tulppa lentää aluksesta, voimme nähdä sumun muodostumista. Näin ollen sen muodostuminen tarkoittaa, että ilma aluksessa on jäähtynyt. Astiassa oleva paineilma tekee tietyn määrän työtä, kun tulppa työnnetään ulos. Tämä työ hän esiintyy sisäisen energiansa ansiosta, joka samalla vähenee. Aluksen ilman jäähtymisen perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä sisäisen energian vähenemisestä. Siten, Kehon sisäistä energiaa voidaan muuttaa suorittamalla tiettyä työtä.

Sisäistä energiaa voidaan kuitenkin muuttaa toisella tavalla, ilman työtä. Ajatellaanpa esimerkkiä: liedellä seisovassa vedenkeittimessä oleva vesi kiehuu. Ilmaa, kuten myös muita huoneen esineitä, lämmittää keskuspatteri. IN vastaavia tapauksia, sisäinen energia lisääntyy, koska kehon lämpötila nousee. Mutta työtä ei ole tehty. Joten päätämme sisäisen energian muutosta ei välttämättä tapahdu tietyn työn suorittamisen vuoksi.

Katsotaanpa toista esimerkkiä.

Aseta metallinen neuleneula vesilasiin. Kuuman veden molekyylien kineettinen energia on suurempi kuin kylmien metallihiukkasten kineettinen energia. Kuumavesimolekyylit siirtävät osan kineettisestä energiastaan ​​kylmiin metallihiukkasiin. Siten vesimolekyylien energia vähenee tietyllä tavalla, kun taas metallihiukkasten energia kasvaa. Veden lämpötila laskee ja neulepuikon lämpötila laskee hitaasti lisääntyy. Tulevaisuudessa neulepuikon ja veden lämpötilaero katoaa. Tämän kokemuksen ansiosta näimme muutoksen eri kehojen sisäisessä energiassa. Päättelemme: Eri kappaleiden sisäinen energia muuttuu lämmönsiirron seurauksena.

Prosessia, jossa sisäinen energia muunnetaan suorittamatta tiettyä työtä keholle tai itse keholle, kutsutaan lämmönsiirto.

Onko sinulla vielä kysyttävää? Etkö tiedä miten tehdä läksyjäsi?
Jos haluat apua ohjaajalta, rekisteröidy.
Ensimmäinen oppitunti on ilmainen!

verkkosivuilla, kopioitaessa materiaalia kokonaan tai osittain, linkki lähteeseen vaaditaan.

Lämpöilmiöitä tutkittaessa kappaleiden mekaanisen energian ohella otetaan käyttöön uudenlainen energia- sisäistä energiaa. Ihanteellisen kaasun sisäisen energian laskeminen ei ole vaikeaa.

Yksinkertaisin ominaisuuksiltaan on monoatominen kaasu, eli kaasu, joka koostuu yksittäisistä atomeista eikä molekyyleistä. Inertit kaasut ovat yksiatomisia - helium, neon, argon jne. Voit saada monoatomista (atomia) vetyä, happea jne. Tällaiset kaasut ovat kuitenkin epävakaita, koska atomien törmäykset tuottavat molekyylejä H 2, O 2 jne.

Ihanteellisen kaasun molekyylit eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään, paitsi suoran törmäyksen hetkinä. Siksi niiden keskimääräinen potentiaalienergia on hyvin pieni ja kaikki energia on molekyylien kaoottisen liikkeen kineettistä energiaa. Tämä tietysti pitää paikkansa, jos kaasusäiliö on levossa, eli kaasu kokonaisuudessaan ei liiku (sen massakeskus on levossa). Tässä tapauksessa ei ole järjestettyä liikettä ja kaasun mekaaninen energia on nolla. Kaasulla on energiaa, jota kutsutaan sisäiseksi.

Laskemaan ihanteellisen monoatomisen kaasun sisäenergia T sinun on kerrottava yhden atomin keskimääräinen energia, joka ilmaistaan ​​kaavalla (4.5.5), atomien lukumäärällä. Tämä luku on yhtä suuri kuin aineen määrän tulo Avogadron vakioon N A .

Lausekkeen (4.5.5) kertominen
, saamme ihanteellisen monoatomisen kaasun sisäisen energian:

(4.8.1)

Ihanteellisen kaasun sisäenergia on suoraan verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan. Se ei riipu kaasun tilavuudesta. Kaasun sisäenergia on kaikkien sen atomien keskimääräinen liike-energia.

Jos kaasun massakeskus liikkuu nopeudella v 0 , Että kokonaisenergiaa kaasu on yhtä suuri kuin mekaanisen (kineettisen) energian summa ja sisäistä energiaa U:

(4.8.2)

Molekyylikaasujen sisäinen energia

Monatomisen kaasun sisäenergia (4.8.1) on olennaisesti molekyylien translaatioliikkeen keskimääräinen kineettinen energia. Toisin kuin atomit, molekyylit, joista puuttuu pallosymmetria, voivat silti pyöriä. Siksi molekyyleillä on translaatioliikkeen kineettisen energian lisäksi myös pyörivän liikkeen kineettinen energia.

Klassisessa molekyylikineettisessä teoriassa atomeja ja molekyylejä pidetään erittäin pieninä ehdottoman kiinteinä kappaleina. Jokaiselle klassisen mekaniikan kappaleelle on ominaista tietty määrä vapausasteita f- riippumattomien muuttujien (koordinaattien) lukumäärä, jotka määrittävät yksilöllisesti kehon sijainnin avaruudessa. Vastaavasti kehon suorittamien itsenäisten liikkeiden määrä on myös yhtä suuri f. Atomia voidaan pitää homogeenisena pallona, ​​jolla on useita vapausasteita f = 3 (kuva 4.16, a). Atomi voi suorittaa translaatioliikettä vain kolmessa toisistaan ​​riippumattomassa, keskenään kohtisuorassa suunnassa. Diatomisella molekyylillä on aksiaalinen symmetria (kuva 4.16, b ) ja sillä on viisi vapausastetta. Kolme vapausastetta vastaa sen translaatioliikettä ja kaksi pyörimisliikettä kahden toisiinsa nähden kohtisuorassa olevan akselin ja symmetria-akselin (molekyylin atomien keskustat yhdistävän linjan) ympäri. Moniatomiselle molekyylille, kuten mielivaltaisen muotoiselle kiinteälle kappaleelle, on tunnusomaista kuusi vapausastetta (kuva 4.16, c ); Translaatioliikkeen ohella molekyyli voi pyörittää kolmen keskenään kohtisuoran akselin ympäri.

Kaasun sisäenergia riippuu molekyylien vapausasteiden lukumäärästä. Lämpöliikkeen täydellisestä häiriöstä johtuen millään molekyyliliiketyypeistä ei ole etua toiseen verrattuna. Jokaisella vapausasteella, joka vastaa molekyylien translaatio- tai pyörimisliikettä, on sama keskimääräinen kineettinen energia. Tämä on lause kineettisen energian tasaisesta jakautumisesta vapausasteiden yli (se on tiukasti todistettu tilastollisessa mekaniikassa).

Molekyylien translaatioliikkeen keskimääräinen kineettinen energia on yhtä suuri kuin . Translaatioliike vastaa kolmea vapausastetta. Siksi keskimääräinen kineettinen energia yhtä vapausastetta kohden on yhtä suuri kuin:

(4.8.3)

Jos tämä arvo kerrotaan vapausasteiden lukumäärällä ja painavien kaasumolekyylien määrällä T, niin saamme mielivaltaisen ideaalikaasun sisäisen energian:

(4.8.4)

Tämä kaava eroaa yksiatomisen kaasun kaavasta (4.8.1) korvaamalla kertoimen 3 kertoimella f.

Ihanteellisen kaasun sisäenergia on suoraan verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan, eikä se riipu kaasun tilavuudesta.

Sisäinen energia- tämä on molekyylien liikkeen ja vuorovaikutuksen energiaa.

Kaikkien kehon muodostavien molekyylien kineettinen energia ja niiden vuorovaikutuksen potentiaalinen energia ovat kehon sisäistä energiaa.

Kun kappale pysähtyy, mekaaninen liike pysähtyy, mutta sen molekyylien satunnainen (lämpö) liike voimistuu. Mekaaninen energia muuttuu kehon sisäiseksi energiaksi

Sisäinen energiariippuu kehon lämpötilasta, aineen aggregaatiotilasta ja muista tekijöistä.

Kehon sisäinen energia ei riipu sen mekaanisesta liikkeestä eikä tämän kappaleen asennosta muihin kappaleisiin nähden.

Jos tarkastellaan yhden molekyylin kineettistä ja potentiaalista energiaa, tämä on hyvin pieni arvo, koska molekyylin massa on pieni. Koska keho sisältää monia molekyylejä, kehon sisäinen energia, joka on yhtä suuri kuin kaikkien molekyylien energioiden summa, on suuri.

Tapoja muuttaa sisäistä energiaa

Lämpötilan noustessa kehon sisäinen energia kasvaa, kun tämän kappaleen molekyylien keskimääräinen liikenopeus kasvaa. Kun lämpötila laskee, päinvastoin, kehon sisäinen energia laskee.

Kokea: Jos lämmität pulloa kumitulpalla, tulppa lentää hetken kuluttua ulos.

Siten kehon sisäinen energia muuttuu, kun molekyylien liikenopeus muuttuu.

Sisäistä energiaa voidaan muuttaa kahdella tavalla:

1) tekemässä mekaaninen työ. Sisäinen energia lisääntyy, jos työtä tehdään keholle, ja vähenee, jos työtä tehdään keholle.

2) lämmönsiirrolla (lämmönjohtavuus, konvektio, säteily). Jos keho luovuttaa lämpöä, sisäinen energia vähenee, ja jos se vastaanottaa lämpöä, se kasvaa.

Lämmönsiirron tyypit. Lämmönsiirron tyyppejä kuvaavat kokeet. Lämmönsiirto luonnossa, tekniikka, mekaniikka.

Lämmönvaihto (lämmönsiirto) on sisäisen energian muutosprosessi, joka tapahtuu ilman työtä.

1)

Lämmönjohtavuus - lämmönsiirron tyyppi, jossa energia siirtyy kehosta toiseen kosketuksen yhteydessä tai sen yhdestä osasta toiseen. Eri aineilla on erilainen lämmönjohtavuus. Metallien lämmönjohtavuus on korkea, nesteiden pienempi ja kaasujen matala. Lämmönjohtavuudella ei tapahdu aineen siirtymistä.

2) Konvektio- lämmönsiirtotyyppi, jossa energiaa siirretään kaasu- ja nestesuihkuilla. Konvektiota on kahta tyyppiä: luonnollista ja pakotettua. Kiinteissä aineissa ei ole konvektiota, koska niiden hiukkasilla ei ole suurta liikkuvuutta. Luonnosta ja ihmiselämästä löytyy monia konvektion ilmenemismuotoja. Konvektiolle löytyy käyttöä myös tekniikassa.

3) Säteily - lämmönsiirron tyyppi, jossa energiaa siirretään sähkömagneettisten aaltojen avulla. Tummapintaiset kappaleet imevät ja emittoivat energiaa paremmin kuin vaalean pinnan omaavat kappaleet. Tätä käytetään käytännössä.

* Lämmönvaihdon aikana luovutetun lämmön määrä on absoluuttisesti sama kuin vastaanotetun lämmön määrä tai niiden summa on nolla. Tätä kutsutaan lämpötasapainoksi.

Sivu 1

Aineen sisäinen energia on aineen muodostavien molekyylien energiaa. Tavallisissa termodynaamisissa prosesseissa vain sisäisen energian kineettiset ja potentiaaliset osat muuttuvat. Ensimmäinen riippuu molekyylien liikkeen nopeudesta (translaatio, rotaatio, värähtely), toinen määräytyy molekyylien välisten vuorovaikutusvoimien (vetovoiman tai hylkimisen) ja niiden välisen etäisyyden mukaan.  

Aineen sisäinen energia on sen kokonaisenergia, joka koostuu kineettisestä ja potentiaalienergiasta, aineen muodostavista atomeista ja molekyyleistä sekä atomeja ja molekyylejä muodostavista alkuainehiukkasista.  

Aineen sisäinen energia riippuu vain siitä fyysinen kunto eikä se riipu tavasta tai tiestä, jolla tietty aine saatetaan tiettyyn tilaan. Tämä seuraa suoraan energian säilymisen laista. Itse asiassa merkitään numeroilla 1 ja 2 järjestelmän kaksi mielivaltaista tilaa. Olkoon V tähän siirtymiseen käytetty energia. Pakotetaan nyt järjestelmä tekemään ensimmäinen siirtymä eteenpäin ja toinen vastakkaiseen suuntaan. Ensimmäisen siirtymän aikana energiaa [ / kuluu, toisen aikana U luovutetaan, joten järjestelmää ympäröivät ulkoiset kappaleet saavat energiaa U - V, eikä itse järjestelmässä tapahdu muutoksia. U on positiivinen tai negatiivinen, sillä ei ole väliä; joka tapauksessa päättelymme johti meidät ristiriitaan energian säilymisen lain kanssa.  

Aineen sisäinen energia riippuu tietyissä olosuhteissa ei vain sen kemiallisesta luonteesta, vaan myös sen aggregaatiotilasta ja kiteiden osalta niiden muuntelusta.  

Aineen sisäinen energia on sen kokonaisenergia, joka summataan aineen muodostavien atomien ja molekyylien sekä atomeja ja molekyylejä muodostavien alkuainehiukkasten kineettisistä ja potentiaalisista energioista. Se sisältää: 1) kaikkien hiukkasten translaatio-, pyörimis- ja värähtelyliikkeen energian; 2) niiden välisen vuorovaikutuksen (vetovoima ja hylkiminen) potentiaalinen energia; 3) molekyylinsisäinen kemiallinen energia; 4) atominsisäinen energia; 5) ydinenergia; 6) gravitaatioenergia; 7) säteilyenergian täyttötila, kiireinen kroppa ja varmistaa lämpötasapaino kehon sisällä sen yksittäisten osien välillä. Sisäiseen energiaan ei sisälly potentiaalienergiaa, joka johtuu järjestelmän sijainnista avaruudessa, eikä koko järjestelmän liike-energiaa.  

Aineen sisäinen energia muuttuu säteilyenergiaksi.  

Aineen sisäinen energia on kaikkien molekyylien kineettisten energioiden ja molekyylien välisen vuorovaikutuksen potentiaalienergioiden summa. Mitä suurempi sisäisen energian arvo on, sitä lisää lämpöä kehossa ja mitä korkeampi sen lämpötila.  

Aineen sisäisen energian lisääntyminen haihtumisen aikana ilman lämpötilan muutosta johtuu pääasiassa siitä, että kun se siirtyy höyryksi, molekyylien keskimääräinen etäisyys kasvaa. Samalla niiden potentiaalinen energia kasvaa, koska molekyylien siirtämiseksi erilleen pitkiä matkoja on tehtävä työtä molekyylien toistensa vetovoiman voittamiseksi.  

Aineen sisäinen energia ymmärretään molekyylien liikkeen kineettisen energian, niiden vuorovaikutuksen potentiaalisen energian sekä molekyylien sisällä olevien atomien värähtelyenergian summana. Kehon tilaa määritettäessä sisäisen energian arvo on tiukasti määritelty, joten se luokitellaan myös kehon tilan parametreiksi.  

Tällöin aineen sisäinen energia muuttuu säteilyenergiaksi (fotonien tai sähkömagneettisten aaltojen energiaksi), joka osuessaan sitä absorboimaan kykeneviin kappaleisiin muuttuu jälleen sisäiseksi energiaksi. Esimerkiksi kun avaruusalus lentää planeettojen välisessä avaruudessa, sen pinta imee Auringosta tulevaa säteilyä.  

Koska aineiden sisäinen energia on tilavuuden, paineen ja lämpötilan funktio, reaktioiden lämpövaikutukset riippuvat ilmeisesti olosuhteista, joissa nämä reaktiot tapahtuvat. Käytännössä korkein arvo lämpötilalla on vaikutusta prosessien lämpövaikutuksiin.  

Osoita, että aineen sisäenergia, jonka tilayhtälö on muotoa pTf (V), ei riipu tilavuudesta.  

Osoita, että aineen sisäenergia, jonka tilayhtälö on muodossa p / (F) T, ei riipu tilavuudesta.  

Aineen sisäisen energian muutoksen vuoksi kuumennettaessa lähes kaikki fysikaaliset ominaisuudet jälkimmäiset riippuvat enemmän tai vähemmän lämpötilasta, mutta sen mittaamiseen valitaan niistä mahdollisuuksien mukaan sellaiset, jotka muuttuvat selvästi lämpötilan mukaan, joihin muut tekijät eivät vaikuta ja ovat suhteellisen helppoja mitata. Nämä vaatimukset täyttävät parhaiten sellaiset työaineiden ominaisuudet kuin tilavuuslaajeneminen, paineen muutos suljetussa tilavuudessa, muutos sähkövastuksessa, termoelektromotorisen voiman esiintyminen ja säteilyn intensiteetti, jotka muodostavat perustan lämpötilan mittauslaitteiden suunnittelulle. .  

Fyysisen järjestelmän sisäisen tilan pääominaisuus on sen sisäistä energiaa.

Sisäinen energia (U) sisältää kaikkien järjestelmän mikrohiukkasten (molekyylit, atomit, ionit jne.) kaoottisen (lämpö) liikkeen energian ja näiden hiukkasten vuorovaikutusenergian, ts. kineettinen, potentiaalinen jne. lukuun ottamatta kaikkien hiukkasten kokonaislepoenergiaa.

Sisäisen energian ominaisuudet

1. Termodynaamisen tasapainon tilassa makroskooppisia kappaleita muodostavat hiukkaset liikkuvat siten, että niiden kokonaisenergia on aina suurella tarkkuudella yhtä suuri kuin kehon sisäinen energia.

2. Sisäinen energia on fyysisen järjestelmän tilan funktio.

3. Fyysisen järjestelmän sisäinen energia ei riipu sen siirtymäreitistä tilasta toiseen, vaan sen määräävät vain sisäisen energian arvot alku- ja lopputilassa: D U = U 2 -U 1.

4. Sisäenergialle on tunnusomaista additiivisuus, ts. se on yhtä suuri kuin järjestelmään kuuluvien kappaleiden sisäinen kokonaisenergia.

Huomaa: kaasuhiukkasilla on translaatiovapausasteiden lisäksi myös sisäisiä. Esimerkiksi jos kaasun hiukkaset ovat molekyylejä, niin elektronisen liikkeen lisäksi molekyylien pyöriminen on mahdollista, samoin kuin molekyylit muodostavien atomien värähtelyt.

Kaasupartikkelien translaatioliike noudattaa klassisia lakeja, ja niiden sisäiset liikkeet ovat kvanttiluonteisia. Vain tietyissä olosuhteissa sisäisiä vapausasteita voidaan pitää klassisina.

Ihanteellisen kaasun sisäisen energian laskemiseen käytetään energian tasajakauman lakia klassisten vapausasteiden välillä. Ihanteellisen kaasun tapauksessa vain hiukkasten translaatioliikkeen kineettinen energia otetaan huomioon. Jos kaasuhiukkaset ovat yksittäisiä atomeja, jokaisella on kolme translaatiovapausastetta.

Siksi jokaisella atomilla on keskiarvo kineettistä energiaa:

< e k > =3 kT/2.

Jos kaasu koostuu N-atomeista, niin sen sisäinen energia

Jos myös molekyylien värähtelyvapausasteita viritetään, niin niiden osuus sisäiseen energiaan

.

(1.27)

Kaava (1.27) ottaa huomioon, että jokaiselle molekyylien värähtelyliikkeelle on ominaista keskimääräinen kinetiikka ja keskiarvo potentiaalisia energioita, jotka ovat keskenään samanarvoisia. Siksi energian tasajakaumalain mukaan vapausasteiden välillä on keskimäärin energiaa kT värähtelyn vapausastetta kohden.

Siten, jos molekyyli on kaksiatominen, niin vapausasteiden kokonaismääräi=6.i Kolme heistä on progressiivisia ( nopeastii =3), kaksi pyörivää ( vri =2) ja yksi värähtelevä ( laskea .

=1).

Lämpötiloissa, joissa värähtelyn vapausasteet ovat vielä "jäädytettyinä", ihanteellisen kaasun kaksiatomisten molekyylien sisäinen energia

Jos värähtelyn vapausasteet ovat "jäätymättömät", niin ideaalikaasun kaksiatomisten molekyylien sisäenergia on U = U post + U vr + U coll =. < Siten monatomisen ideaalikaasun sisäenergia on,

(1.28)

U=N< e k > = (3/2)NkT > = .

Jossa e kKaasumoolien määrä n = =N/Na