Notranja energija telo ne more biti konstantna vrednost. Lahko se spremeni v katerem koli telesu. Če povečate telesno temperaturo, se bo povečala njegova notranja energija, ker povprečna hitrost molekularnega gibanja se bo povečala. Tako se kinetična energija telesnih molekul poveča. In obratno, ko se temperatura zniža, se notranja energija telesa zmanjša.

Lahko zaključimo: Notranja energija telesa se spremeni, če se spremeni hitrost gibanja molekul. Poskusimo ugotoviti, s katero metodo je mogoče povečati ali zmanjšati hitrost gibanja molekul. Razmislite o naslednjem poskusu. Na stojalo pritrdimo medeninasto cev s tankimi stenami. Epruveto napolnimo z etrom in zapremo z zamaškom. Nato okoli njega zavežemo vrv in začnemo vrv intenzivno premikati v različne smeri. Po določenem času bo eter zavrel, sila pare pa bo izrinila čep. Izkušnje kažejo, da se je notranja energija snovi (etra) povečala: navsezadnje je spremenila temperaturo, hkrati pa je zavrela.

Povečanje notranje energije je nastalo zaradi opravljenega dela, ko je cev drgnila z vrvjo.

Kot vemo, lahko pride do segrevanja teles tudi pri udarcih, upogibih ali iztegih ali, preprosteje, pri deformacijah. V vseh navedenih primerih se notranja energija telesa povečuje.

Tako lahko z delom na telesu povečamo notranjo energijo telesa.

Če delo opravi telo samo, se njegova notranja energija zmanjša.

Oglejmo si še en poskus.

Zrak črpamo v stekleno posodo, ki ima debele stene in je zaprta z zamaškom skozi za to narejeno luknjo.

Čez nekaj časa bo pluta odletela iz posode. V trenutku, ko bo zamašek odletel iz plovila, bomo lahko videli nastanek megle. Posledično njegov nastanek pomeni, da se je zrak v posodi ohladil. Stisnjen zrak, ki je v posodi, opravi določeno količino dela, ko potisne čep ven. To delo opravlja zaradi svoje notranje energije, ki se hkrati zmanjša. O zmanjšanju notranje energije lahko sklepamo na podlagi ohlajanja zraka v posodi. torej Notranjo energijo telesa lahko spremenimo z določenim delom.

Notranjo energijo pa lahko spremenimo tudi na drug način, ne da bi pri tem opravili delo. Poglejmo primer: voda v kotličku, ki stoji na štedilniku, vre. Zrak, kot tudi druge predmete v prostoru, ogreva centralni radiator. IN podobnih primerih, poveča se notranja energija, saj telesna temperatura se poveča. Toda delo ni opravljeno. Torej, zaključujemo do spremembe notranje energije morda ne pride zaradi opravljanja določenega dela.

Poglejmo še en primer.

V kozarec vode postavite kovinsko pletilko. Kinetična energija molekul vroče vode je večja od kinetične energije hladnih kovinskih delcev. Molekule vroče vode bodo del svoje kinetične energije prenesle na hladne kovinske delce. Tako se bo energija molekul vode na določen način zmanjšala, medtem ko se bo energija kovinskih delcev povečala. Temperatura vode bo padala, temperatura pletilne igle pa počasi se bo povečalo. V prihodnosti bo razlika med temperaturo pletilne igle in vode izginila. Zaradi te izkušnje smo videli spremembo notranje energije različnih teles. Sklepamo: Notranja energija različnih teles se spreminja zaradi prenosa toplote.

Proces pretvorbe notranje energije brez opravljanja posebnega dela na telesu ali samem telesu se imenuje prenos toplote.

Imate še vprašanja? Ne veste, kako narediti domačo nalogo?
Če želite dobiti pomoč mentorja, se registrirajte.
Prva lekcija je brezplačna!

spletne strani, pri kopiranju materiala v celoti ali delno je obvezna povezava do vira.

Pri proučevanju toplotnih pojavov se poleg mehanske energije teles uvaja nova vrsta energije- notranja energija. Izračun notranje energije idealnega plina ni težak.

Najenostavnejši po svojih lastnostih je monoatomski plin, to je plin, sestavljen iz posameznih atomov in ne iz molekul. Inertni plini so monoatomski - helij, neon, argon itd. Lahko dobite monoatomski (atomski) vodik, kisik itd. Vendar pa bodo takšni plini nestabilni, saj trki atomov proizvajajo molekule H 2, O 2 itd.

Molekule idealnega plina ne delujejo med seboj, razen v trenutkih neposrednega trka. Zato je njihova povprečna potencialna energija zelo majhna in vsa energija je kinetična energija kaotičnega gibanja molekul. To seveda velja, če posoda s plinom miruje, torej se plin kot celota ne premika (njegovo masno središče miruje). V tem primeru ni urejenega gibanja in je mehanska energija plina enaka nič. Plin ima energijo, ki se imenuje notranja.

Za izračun notranje energije idealnega monoatomskega plina mase T povprečno energijo enega atoma, izraženo s formulo (4.5.5), morate pomnožiti s številom atomov. To število je enako zmnožku količine snovi na Avogadrovo konstanto N A .

Množenje izraza (4.5.5) z
, dobimo notranjo energijo idealnega enoatomskega plina:

(4.8.1)

Notranja energija idealnega plina je neposredno sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo. Ni odvisno od prostornine plina. Notranja energija plina je povprečna kinetična energija vseh njegovih atomov.

Če se težišče plina giblje s hitrostjo v 0 , to skupna energija plin je enak vsoti mehanske (kinetične) energije in notranja energija U:

(4.8.2)

Notranja energija molekularnih plinov

Notranja energija enoatomskega plina (4.8.1) je v bistvu povprečna kinetična energija translacijskega gibanja molekul. Za razliko od atomov se lahko molekule brez sferične simetrije še vedno vrtijo. Zato imajo molekule poleg kinetične energije translacijskega gibanja tudi kinetično energijo rotacijskega gibanja.

V klasični molekularni kinetični teoriji se atomi in molekule obravnavajo kot zelo majhna absolutno trdna telesa. Za vsako telo v klasični mehaniki je značilno določeno število prostostnih stopenj f- število neodvisnih spremenljivk (koordinat), ki enolično določajo položaj telesa v prostoru. Skladno s tem je enako tudi število samostojnih gibov, ki jih telo lahko izvede f. Atom lahko obravnavamo kot homogeno kroglo z več prostostnimi stopnjami f = 3 (slika 4.16, a). Atom se lahko translacijsko giblje le v treh neodvisnih med seboj pravokotnih smereh. Dvoatomska molekula ima osno simetrijo (slika 4.16, b ) in ima pet prostostnih stopenj. Tri prostostne stopnje ustrezajo njenemu translacijskemu gibanju, dve pa rotacijskemu gibanju okoli dveh medsebojno pravokotnih osi in simetrijske osi (črta, ki povezuje središča atomov v molekuli). Za poliatomsko molekulo, tako kot trdno telo poljubne oblike, je značilno šest stopenj svobode (slika 4.16, c ); Skupaj s translacijskim gibanjem lahko molekula izvaja rotacije okoli treh med seboj pravokotnih osi.

Notranja energija plina je odvisna od števila prostostnih stopenj molekul. Zaradi popolne neurejenosti toplotnega gibanja nobena od vrst molekularnega gibanja nima prednosti pred drugo. Za vsako prostostno stopnjo, ki ustreza translacijskemu ali rotacijskemu gibanju molekul, obstaja enaka povprečna kinetična energija. To je izrek o enakomerni porazdelitvi kinetične energije po prostostnih stopnjah (v statistični mehaniki je strogo dokazan).

Povprečna kinetična energija translacijskega gibanja molekul je enaka . Translacijsko gibanje ustreza trem stopnjam svobode. Zato je povprečna kinetična energija na eno prostostno stopnjo je enako:

(4.8.3)

Če to vrednost pomnožimo s številom prostostnih stopenj in številom molekul plina, ki tehtajo T, potem dobimo notranjo energijo poljubnega idealnega plina:

(4.8.4)

Ta formula se razlikuje od formule (4.8.1) za enoatomni plin tako, da faktor 3 zamenjamo s faktorjem f.

Notranja energija idealnega plina je premosorazmerna z absolutno temperaturo in ni odvisna od prostornine plina.

Notranja energija- to je energija gibanja in interakcije molekul.

Kinetična energija vseh molekul, ki sestavljajo telo, in potencialna energija njihove interakcije sta notranja energija telesa.

Ko se telo ustavi, se mehansko gibanje ustavi, okrepi pa se naključno (toplotno) gibanje njegovih molekul. Mehanska energija spremeni v notranjo energijo telesa

Notranja energijaodvisno od telesne temperature, agregatnega stanja snovi in ​​drugih dejavnikov.

Notranja energija telesa ni odvisna niti od mehanskega gibanja telesa niti od položaja tega telesa glede na druga telesa.

Če upoštevamo kinetično in potencialno energijo ene molekule, potem je to zelo majhna vrednost, ker je masa molekule majhna. Ker je v telesu veliko molekul, bo notranja energija telesa, enaka vsoti energij vseh molekul, velika.

Načini spreminjanja notranje energije

Z naraščanjem temperature se poveča notranja energija telesa, saj se poveča povprečna hitrost gibanja molekul tega telesa. Ko se temperatura zniža, se notranja energija telesa, nasprotno, zmanjša.

Izkušnje:Če segrejete steklenico z gumijastim zamaškom, bo zamašek čez nekaj časa odletel ven.

Tako se notranja energija telesa spremeni, ko se spremeni hitrost gibanja molekul.

Notranjo energijo lahko spremenimo na dva načina:

1) početje mehansko delo. Notranja energija se poveča, če delamo s telesom, in zmanjša, če delamo s telesom.

2) s prenosom toplote (toplotna prevodnost, konvekcija, sevanje). Če telo oddaja toploto, se notranja energija zmanjša, če jo sprejme, pa se poveča.

Vrste prenosa toplote. Poskusi, ki prikazujejo vrste prenosa toplote. Prenos toplote v naravi, tehniki, mehaniki.

Izmenjava toplote (prenos toplote) je proces spreminjanja notranje energije, ki se zgodi brez opravljanja dela.

1)

Toplotna prevodnost - vrsta prenosa toplote, pri kateri se energija ob stiku prenaša z enega telesa na drugega ali z enega njegovega dela na drugega. Različne snovi imajo različno toplotno prevodnost. Toplotna prevodnost kovin je visoka, tekočin manjša, plinov pa nizka. Pri toplotni prevodnosti ni prenosa snovi.

2) Konvekcija- vrsta prenosa toplote, pri kateri se energija prenaša s curki plina in tekočine. Obstajata dve vrsti konvekcije: naravna in prisilna. V trdnih snoveh ni konvekcije, saj njihovi delci nimajo velike mobilnosti. V naravi in ​​človeškem življenju lahko najdemo številne manifestacije konvekcije. Konvekcija se uporablja tudi v tehnologiji.

3) Sevanje - vrsta prenosa toplote, pri kateri se energija prenaša z elektromagnetnimi valovi. Telesa s temno površino absorbirajo in oddajajo energijo bolje kot telesa s svetlo površino. To se uporablja v praksi.

* Pri izmenjavi toplote je količina oddane toplote v absolutni vrednosti enaka količini prejete toplote ali pa je njuna vsota enaka nič. To se imenuje raven toplotne bilance.

stran 1

Notranja energija snovi je energija molekul, ki sestavljajo snov. V običajnih termodinamičnih procesih se spreminjata le kinetični in potencialni del notranje energije. Prva je odvisna od hitrosti gibanja molekul (translacijska, rotacijska, vibracijska), druga je določena s prisotnostjo interakcijskih sil (privlaka ali odboja) med molekulami in razdalje med njimi.  

Notranja energija snovi je njena skupna energija, ki je sestavljena iz kinetične in potencialne energije, atomov in molekul, ki sestavljajo snov, ter osnovnih delcev, ki tvorijo atome in molekule.  

Notranja energija snovi je odvisna le od njene fizično stanje in ni odvisna od načina ali poti, po kateri se dana snov pripelje v dano stanje. To izhaja neposredno iz zakona o ohranitvi energije. Pravzaprav s številkama 1 in 2 označimo dve poljubni stanji sistema. Naj bo V energija, porabljena za ta prehod. Prisilimo zdaj sistem, da naredi prvi prehod v smeri naprej, drugega pa v nasprotni smeri. Med prvim prehodom se bo porabila energija [ /, med drugim pa se bo U odrekel, zato zunanja telesa, ki obdajajo sistem, prejmejo energijo U - V, v samem sistemu pa ne pride do sprememb. U je pozitiven ali negativen, ni pomembno; v vsakem primeru nas je naše razmišljanje pripeljalo do protislovja z zakonom o ohranitvi energije.  

Notranja energija snovi v danih pogojih ni odvisna samo od njene kemijske narave, ampak tudi od njenega agregatnega stanja, pri kristalih pa od njihove modifikacije.  

Notranja energija snovi je njena skupna energija, ki se sešteje iz kinetične in potencialne energije atomov in molekul, ki sestavljajo snov, ter osnovnih delcev, ki tvorijo atome in molekule. Vključuje: 1) energijo translacijskega, rotacijskega in vibracijskega gibanja vseh delcev; 2) potencialna energija interakcije (privlačnost in odboj) med njimi; 3) znotrajmolekularna kemijska energija; 4) znotrajatomska energija; 5) intranuklearna energija; 6) gravitacijska energija; 7) prostor za polnjenje sevalne energije, zaposleno telo in zagotavljanje toplotnega ravnovesja znotraj telesa med njegovimi posameznimi deli. Notranja energija ne vključuje potencialne energije zaradi lege sistema v prostoru in kinetične energije gibanja sistema kot celote.  

Notranja energija snovi se pretvori v energijo sevanja.  

Notranja energija snovi je vsota kinetičnih energij vseh molekul in potencialnih energij interakcije med molekulami. Večja kot je vrednost notranje energije, tem več toplote ki jih vsebuje telo in višja je njegova temperatura.  

Povečanje notranje energije snovi med izhlapevanjem brez spremembe temperature se pojavi predvsem zaradi dejstva, da se pri prehodu v paro povprečna razdalja med molekulami poveča. Hkrati se poveča njihova potencialna energija, saj je za premikanje molekul na velike razdalje potrebno delo porabiti za premagovanje sil privlačnosti molekul med seboj.  

Notranjo energijo snovi razumemo kot vsoto kinetične energije gibanja molekul, potencialne energije njihove interakcije in energije nihanja atomov znotraj molekul. Pri določanju stanja telesa je vrednost notranje energije strogo določena, zato jo uvrščamo tudi med parametre stanja telesa.  

V tem primeru se notranja energija snovi pretvori v energijo sevanja (energija fotonov ali elektromagnetnih valov), ki se ob udarcu s telesi, ki jo lahko absorbirajo, ponovno spremeni v notranjo energijo. Na primer, ko vesoljsko plovilo leti v medplanetarnem prostoru, njegova površina absorbira sončno sevanje.  

Ker je notranja energija snovi funkcija volumna, tlaka in temperature, potem so očitno toplotni učinki reakcij odvisni od pogojev, pod katerimi se te reakcije odvijajo. Praktično najvišja vrednost ima vpliv temperature na toplotne učinke procesov.  

Pokažite, da notranja energija snovi z enačbo stanja v obliki pTf (V) ni odvisna od prostornine.  

Pokažite, da notranja energija snovi z enačbo stanja v obliki p / (F) T ni odvisna od prostornine.  

Zaradi spremembe notranje energije snovi pri segrevanju skoraj vse fizikalne lastnosti slednje so v večji ali manjši meri odvisne od temperature, vendar se za njihovo merjenje po možnosti izberejo tiste, ki se jasno spreminjajo s temperaturo, nanje ne vplivajo drugi dejavniki in jih je razmeroma enostavno izmeriti. Te zahteve najbolj izpolnjujejo lastnosti delovnih snovi, kot so volumetrična ekspanzija, sprememba tlaka v zaprti prostornini, sprememba električnega upora, pojav termoelektromotorne sile in intenzivnost sevanja, ki so osnova za načrtovanje naprav za merjenje temperature. .  

Glavna značilnost notranjega stanja fizičnega sistema je njegova notranja energija.

Notranja energija (U) vključuje energijo kaotičnega (toplotnega) gibanja vseh mikrodelcev sistema (molekul, atomov, ionov itd.) in energijo interakcije teh delcev, t.j. kinetična, potencialna itd., z izjemo skupne energije mirovanja vseh delcev.

Lastnosti notranje energije

1. V stanju termodinamičnega ravnotežja se delci, ki sestavljajo makroskopska telesa, gibljejo tako, da je njihova skupna energija vedno z veliko natančnostjo enaka notranji energiji telesa.

2. Notranja energija je funkcija stanja fizičnega sistema.

3. Notranja energija fizičnega sistema ni odvisna od poti njegovega prehoda iz enega stanja v drugo, ampak je določena le z vrednostmi notranje energije v začetnem in končnem stanju: D U = U 2 -U 1.

4. Za notranjo energijo je značilna lastnost aditivnosti, tj. enaka je skupni notranji energiji teles, vključenih v sistem.

Opomba: delci plina imajo poleg translacijskih prostostnih stopenj tudi notranje. Na primer, če so delci plina molekule, potem je poleg elektronskega gibanja možna rotacija molekul, pa tudi nihanje atomov, ki sestavljajo molekule.

Prenosno gibanje delcev plina je podrejeno klasičnim zakonom, njihova notranja gibanja pa so kvantne narave. Samo pod določenimi pogoji lahko notranje stopnje svobode štejemo za klasične.

Za izračun notranje energije idealnega plina se uporablja zakon o enakomerni porazdelitvi energije po klasičnih prostostnih stopnjah. Pri idealnem plinu se upošteva le kinetična energija translacijskega gibanja delcev. Če so delci plina posamezni atomi, ima vsak tri translacijske prostostne stopnje.

Zato ima vsak atom povprečje kinetična energija:

< e k > =3 kT/2.

Če je plin sestavljen iz N atomov, potem je njegova notranja energija

Če so vzbujene tudi vibracijske prostostne stopnje molekul, potem je njihov prispevek k notranji energiji

.

(1.27)

Formula (1.27) upošteva, da je za vsako vibracijsko gibanje molekul značilno povprečno kinetično in povprečno potencialne energije, ki sta med seboj enaka. Zato po zakonu o enakomerni porazdelitvi energije po prostostnih stopnjah v povprečju pride energija kT na eno vibracijsko prostostno stopnjo.

Torej, če je molekula dvoatomna, potem skupno število prostostnih stopinji=6.i Trije so progresivni ( hitroi =3), dva rotacijska ( vri =2) in en oscilatorni ( štetje .

=1).

Pri temperaturah, ko so vibracijske prostostne stopnje še "zamrznjene", je notranja energija dvoatomnih molekul idealnega plina

Če so vibracijske prostostne stopnje "odmrznjene", je notranja energija dvoatomskih molekul idealnega plina U = U post + U vr + U coll =. < Tako je notranja energija enoatomskega idealnega plina,

(1.28)

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

kje e kŠtevilo molov plina n = =N/Na