Чем определяется внутренняя энергия тела

Внутренняя энергия тела

Содержание

1. Определение внутренней энергии тела
2. Величина внутренней энергии
3. Способы изменения внутренней энергии
4. Что мы узнали?

Бонус

• Тест по теме

Определение внутренней энергии тела

В результате многочисленных наблюдений и экспериментов ученые к началу ХIХ века пришли к пониманию молекулярного устройства всех тел и веществ в различных агрегатных состояниях. Стало понятно, что мельчайшими частицами являются атомы, из которых как из “кирпичиков” состоят молекулы. При ненулевой абсолютной температуре молекулы и атомы находятся в состоянии постоянного хаотического движения. Каждая движущаяся частица имеет кинетическую энергию, сумма которых будет кинетической составляющей E_k внутренней энергии. Между молекулами существует также взаимодействие, обусловленное силами электрического притяжения и отталкивания, зависящими от взаимного расположения частиц. Значит вся совокупность частиц данного тела обладает определенной величиной потенциальной энергии E_п.

Согласно молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия U — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул E_п, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения E_k:

Рис. 1. Понятие внутренней энергии тела

Необходимость введения понятия о внутренней энергии обосновал в 1851 г. английский физик У. Кельвин. Данное им определение сохранилось до сих пор, но для названия он использовал старое словосочетание — “механическая энергия”. Название “внутренняя энергия” (от англ. — internal energy) ввел англичанин У. Ренкин.

Величина внутренней энергии

Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней среды, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии. Из первого закона термодинамики следует формула, устанавливающая функциональную связь между этими величинами:

Величина совершенной работы и полученное (или отданное) тепло поддаются измерению, а значит можно определить изменение внутренней энергии ΔU. Знак минус перед величиной работы означает, что работу совершило тело за счет своей внутренней энергии. Например, это может быть работа горячего пара, приводящего в механическое движение поршень. Если наоборот — над телом была совершена работа внешних сил, то в формуле (2) перед A будет знак плюс. Например, при забивании гвоздя молотком происходит его нагрев, то есть внутренняя энергия увеличивается.

Заметим, что из определения понятия внутренней энергии и формулы (2) следует, что измерить возможно только изменение этой величины (“дельту”), а не ее абсолютную величину.

Способы изменения внутренней энергии

Все способы изменения внутренней энергии тела могут быть отнесены либо к совершенным с помощью работы, либо к процессам теплопередачи (теплопереноса):

• Внутренняя энергия тела U увеличивается, если над ним совершается работа A. Если само тело совершает работу, то его внутренняя энергия будет уменьшаться;
• Тепло Q может быть передано телу с помощью одного (или нескольких) механизмов теплопередачи (теплопроводности, конвекции, излучения) :
• Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда в горячий чай погружается холодная металлическая ложка, то очень быстро она нагреется за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул чая молекулам металлической ложки;
• Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания этого механизма служит нагрев воздуха в квартирах от батарей центрального отопления. Нагретый вблизи батареи воздух начинает подниматься вверх (“всплывать”). Его место занимает холодный (более тяжелый) воздух. Таким образом, с помощью перемешивания этих потоков, происходит общий нагрев воздуха в квартире.

Рис. 2. Теплопроводность и конвекция – способы передачи тепловой энергии

• Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм включает в себя три стадии: сначала часть внутренней энергии тела преобразуется в энергию электромагнитных волн, далее следует их распространение в пространстве, которое заканчивается поглощением другим телом, в результате чего происходит изменение внутренней энергии обоих тел.

Рис. 3. Излучение – способ передачи тепловой энергии

Кроме кинетической и потенциальной энергии частиц вклад во внутреннюю энергию могут давать еще:

• Химическая энергия, являющаяся результатом химических реакций между молекулами разных веществ. Примером реакции с выделением тепла Q (экзотермическая реакция) может служить реакция горения фосфора в кислороде:

$ 4P + 5O2 = 2P2O5 + Q $ (3);

• Энергия электронов, вращающихся вокруг ядер в атомах;
• Ядерная энергия.

Таким образом, в зависимости от различных условий, в которых находится вещество, те или иные энергетические источники будут давать определяющий вклад в изменение внутренней энергий. То есть внутренняя энергия — это не отдельный (специфический) вид энергии, а некоторый набор из составных частей (видов) полной энергии системы.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения. При определенных условиях внутренняя энергия может изменяться за счет химической и ядерной энергий. Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней средой, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Тепло Q может быть передано телу с помощью следующих механизмов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.

Термодинамика. Внутренняя энергия.

Внутреннюю энергию тела составляют кинетическая энергия всех его молекул и потенциаль­ная энергия их взаимодействия.

Внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе. После открытия внутренней энергии был сформулирован закон сохранения и превращения энергии. Рассмотрим взаимное превращение механической и внутренней энергий. Пусть на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим. Когда мы подняли шар, то сообщили ему потен­циальную энергию. При падении шара она уменьшается, т. к. шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился. И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты стали равными нулю. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температу­ру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Нагрев означает увеличение средней кинетической энергии молекул тела. При деформации из­меняется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, можно утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит превращение механической энергии, которой обладал в начале опыта шар, во внутреннюю энергию тела.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую.

Например, если взять толстостенный стеклянный сосуд и накачать в него воздух через отверстие в пробке, то спустя какое-то время пробка из сосуда вылетит. В этот момент в сосуде образуется туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внут­ренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку (т. е. расширяясь), совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии сжатого воздуха.

Таким образом, одним из способов изменения внутренней энергии тела является работа, совершаемая молекулами тела (или другими телами) над данным телом. Способом изменения внут­ренней энергии без совершения работы является теплопередача.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа .

Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, их потенциальная энергия считается равной нулю. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Для ее вычисления нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов . Учитывая, что k N_A = R, получим значение внутренней энергии идеального газа:

.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре. Если воспользоваться уравнением Клапейрона-Менделеева, то выражение для внутренней энергии идеального газа можно представить в виде:

.

Следует отметить, что, согласно выражению для средней кинетической энергии одного атома и в силу хаотичности движения, на каждое из трех возможных направлений движения, или каждую степень свободы, по оси X, Y и Z приходится одинаковая энергия .

Число степеней свободы — это число возможных независимых направлений движения молекулы.

Газ, каждая молекула которого состоит из двух атомов, называется двухатомным. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому общее число возможных направлений дви­жения — 6. За счет связи между молекулами число степеней свободы уменьшается на одну, по­этому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти.

Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна . Соответственно внутрен­няя энергия идеального двухатомного газа равна:

.

Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить:

.

где i — число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного и i = 5 для двухатомного газа).

Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от одного макроскопического параметра — температуры и не зависит от объема, т. к. потенциальная энергия равна нулю (объем определяет среднее расстояние между молекулами).

Для реальных газов потенциальная энергия не равна нулю. Поэтому внутренняя энергия в тер­модинамике в общем случае однозначно определяется параметрами, характеризующими состоя­ние этих тел: объемом (V) и температурой (T).

Чем определяется внутренняя энергия тела

47 дн. с момента
до конца 2 четверти

Внутренняя энергия

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:

1. кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
2. потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
3. 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.

Внутренняя энергия – величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения частиц вещества и потенциальной энергии их взаимодействия.

Ч ислом степени свободы называется число независимых переменных, определяющих положение тела в пространстве и обозначается i .

Как видно, положение материальной точки (одноатомной молекулы) задаётся тремя координатами, поэтому она имеет три степени свободы: i = 3

Внутренняя энергия зависит от температуры. Если изменяется температура, значит изменяется внутренняя энергия.

Изменение внутренней энергии

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U2 – U1. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы.

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, — проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена. Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

1. Найдите внутреннюю энергию 2 кг водорода при температуре 200 °С.

А) 6,1 кДж; Б) 6,1 МДж; В) 610 000 Дж.

2. Найдите внутреннюю энергию 5 м 3 гелия при давлении 10 5 Па.

А) 7,5 МДж; Б) 7,5 кДж; В) 750 000 Дж.

3. Сравните внутреннюю энергию 32 г кислорода и 2 г водорода при температуре 23 °С.

5. От каких величин зависит внутренняя энергия газа?

А) только от Т; Б) только от V; В) от Т и V.

Источники:

http://obrazovaka.ru/fizika/vnutrennyaya-energiya-tela-sposoby-izmeneniya.html
http://www.calc.ru/Termodinamika-Vnutrennyaya-Energiya.html
http://www.sites.google.com/site/opatpofizike/teoria/vnutrennaa-energia