Как известно, любое тело обладает свое собственной неповторимой структурой, которая определяется его химическим составом и строением. При этом, частицы, составляющие эту структуру, подвижны, они взаимодействуют между собой, а, следовательно, обладают неким количеством внутренней энергии. В твердых веществах связи частиц, которые составляют структуру тела, сильны, поэтому их взаимодействие с частицами, составляющими структуру других тел, затруднены.
Совсем по-другому это выглядит в жидкостях или газах, где молекулярные связи слабые, а потому молекулы могут достаточно свободно перемещаться и взаимодействовать с частицами других веществ. В этом, к примеру, проявляется свойство растворимости.
- теплопроводность (прямой обмен энергией частицами, совершающими хаотическое движение);
- конвекция (внутренняя энергия газа переносится их потоками);
- излучение (энергия переносится при помощи электромагнитных волн).
Все эти процессы отражаются законом сохранения энергии. Если этот закон рассматривать применительно к происходящим в газах, то его можно сформулировать так: внутренняя энергия а точнее - ее изменение, представляет собой совокупное количество теплоты, которое было передано ему от внешних источников, и от работы, которая была совершена над этим газом.
Если рассмотреть действие данного закона (первого закона термодинамики) применительно к то можно увидеть следующие закономерности. В рамках процесса, температура которого остается неизменной (изотермический процесс), внутренняя энергия также будет всегда величиной постоянной.
В рамках изобарного процесса, которому характерно изменение температуры газа, ее увеличение или уменьшение, приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению внутренней энергии и совершаемой Это явление, например, наглядно демонстрирует расширение газа при нагревании и способность такого газа приводить в движение паровые агрегаты.
При рассмотрении изохорного процесса, при котором параметр его объема остается неизменным, внутренняя энергия газа изменяется только под влиянием количества переданной теплоты.
Существует и адиабатный процесс, которому свойственно отсутствие теплообмена газа с внешними источниками. В этом случае значение его внутренней энергии уменьшается, следовательно - газ остывает.
Внутренняя энергия тела не может являться постоянной величиной. Она может изменяться у любого тела. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится, т.к. увеличится средняя скорость движения молекул. Таким образом, увеличивается кинетическая энергия молекул тела. И, наоборот, при понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.
Можно сделать вывод: внутренняя энергия тела изменяется, если меняется скорость движения молекул. Попытаемся определить, каким методом можно увеличить или уменьшить скорость передвижения молекул. Рассмотрим следующий опыт. Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Затем обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в разные стороны. Спустя определенное время, эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Опыт демонстрирует, что внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: ведь он изменил свою температуру, при этом закипев.
Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубкой веревкой.
Как мы знаем, нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, говоря проще, при деформации. Во всех приведенных примерах, внутренняя энергия тела возрастает.
Таким образом, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.
Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.
Рассмотрим еще один опыт.
В стеклянный сосуд, у которого толстые стенки и он закрыт пробкой, накачаем воздух через специально проделанное отверстие в ней.
Спустя некоторое время пробка вылетит из сосуда. В тот момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы сможем увидеть образование тумана. Следовательно, его образование обозначает, что воздух в сосуде стал холодным. Сжатый воздух, который находится в сосуде, при выталкивании пробки наружу совершает определенную работу. Данную работу он выполняет за счет своей внутренней энергии, которая при этом сокращается. Делать выводы об уменьшении внутренней энергии можно исходя из охлаждения воздуха в сосуде. Таким образом, внутреннюю энергию тела можно изменять путем совершения определенной работы.
Однако, внутреннюю энергию возможно изменить и иным способом, без совершения работы. Рассмотрим пример, вода в чайнике, который стоит на плите закипает. Воздух, а также другие предметы в помещении нагреваются от радиатора центрального направления. В подобных случаях, внутренняя энергия увеличивается, т.к. увеличивается температура тел. Но работа при этом не совершается. Значит, делаем вывод, изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.
Рассмотрим еще один пример.
В стакан с водой опустим металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды, больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Таким образом, энергия молекул воды будет определенным образом уменьшаться, тем временем как энергия частиц металла будет повышаться. Температуры воды понизится, а температуры спицы не спеша, 
будет увеличиваться. В дальнейшем, разница между температурой спицы и воды исчезнет. За счет этого опыта мы увидели изменение внутренней энергии различных тел. Делаем вывод: внутренняя энергия различных тел изменяется за счет теплопередачи.
Процесс преобразования внутренней энергии без совершения определенной работы над телом или самим телом называется теплопередачей.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
где C V – молярная теплоемкость газа при постоянном объеме.
2. Изобарический процесс происходит при постоянном давлении р = const.
Первый закон термодинамики для изобарического процесса записывается так:
(10)
т.е. все члены сохраняются.
В этом случае количество теплоты, необходимое для нагревания газа находится так
где С р – молярная теплоемкость газа при постоянном давлении.
Учитывая, что изменение внутренней энергии газа вычисляется по формуле (9), а работа может быть найдена из уравнения Менделеева-Клапейрона:
первый закон термодинамики можно переписать в виде:
(13)
Из последнего выражения находится связь молярных теплоемкостей С р и C V
где R = 8,31 Дж/(моль × К) – универсальная газовая постоянная.
Из уравнения (14), называемого уравнением Майэра, видно, что С Р > C V .
Большее значение С Р по сравнению с C V объясняется тем, что для нагревания 1 моля газа на 1 К при постоянном давлении требуется подвести больше тепла, чем для нагревания при постоянном объеме, так как часть тепла при изобарном нагревании должна пойти на совершение работы.
3. Изотермический процесс происходит при постоянной температуре T = const.
Первый закон термодинамики для изотермического процесса записывается так:
т.е. все тепло, подведенное к газу, идет только на совершение им работы, так как изменение внутренней энергии, ввиду постоянства температуры, равно нулю.
(16)
Теплоемкость в изотермическом процессе равна С Т = ¥.
Связь теплоемкости газов с числом степеней свободы его молекул
Согласно классической теории теплоемкостей газов молярные теплоемкости газов С Р и C V могут быть определены, если известно число степеней свободы i молекул данного вида. Под числом степеней свободы подразумевают число независимых координат, которые необходимо задать для того, чтобы полностью определить положение тела или частицы тела в пространстве. У одноатомных газов, молекулы которых состоят из одного атома (аргон, гелий), движение каждой молекулы описывается тремя независимыми координатами x , y , z , то есть каждая молекула обладает тремя степенями свободы.
Молекула двухатомного газа (водород, азот, кислород, окись углерода и др.) обладает пятью степеней свободы, т.к. кроме трех поступательных движений, она может совершать еще два вращательных движения вокруг
двух взаимно перпендикулярных осей, составляющих прямой угол с линией, соединяющей оба атома. Если расстояние между атомами в двухатомной молекуле может меняться (квазиупругая молекула), т.е. атомы совершают колебательное движение, то такая молекула обладает шестью степенями свободы. Три степени свободы соответствуют поступательному, две – вращательному и одна – колебательному движению атомов молекулы.
Молекулы трехатомного газа (если центры трех атомов не расположены на одной прямой) и многоатомных газов обладают шестью степенями свободы: из них три относятся к поступательному движению и три – к вращательному движению.
В основе классической теории теплоемкости лежит закон равномерного распределения энергии по степеням свободы, позволяющий определить среднее значение энергии одной молекулы.
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы одноатомного идеального газа пропорциональна его абсолютной температуре
(17)
Отсюда следует, это энергия, приходящаяся на одну степень свободы поступательного движения, равна . Следовательно, молекула, обладающая i степенями свободы, имеет энергию
где – постоянная Больцмана ( = 1,38 × 10 -23 Дж/К).
Тогда внутренняя энергия одного моля идеального газа будет
, (18)
где N A – число молекул в моле идеального газа.
Дифференцируя это выражение по температуре, получим для молярной теплоемкости идеального газа при постоянном объеме
(19)
Подставляя значение C V в уравнение Майера (8), находим выражение для молярной теплоемкости С Р
(20)
В ряде случаев необходимо знать отношение теплоемкостей С Р и C V , которое будет
Из формул (11) и (12) видно, что по классической теории теплоемкость газов не должна зависеть от температуры.
Адиабатный процесс
Адиабатным называют процесс изменения состояния газа, происходящий без теплообмена с окружающей средой. Всякий, быстро протекающий процесс в газе, практически адиабатен. Адиабатный процесс имеет место в двигателях внутреннего сгорания, холодильных установках и т.д.
При адиабатном процессе , и уравнение первого начала термодинамики принимает вид:
Для одного моля газа можно записать
Таким образом, при адиабатном процессе работа может совершаться только за счет изменения запаса внутренней энергии системы. Следовательно, при адиабатном расширении температура газа должна уменьшаться (dT < 0), а при адиабатном сжатии температура должна повышаться (dT > 0). При адиабатном сжатии - расширении изменяются все параметры состояния газа (р , V , T ). Увеличение температуры газа при адиабатном сжатии происходит вследствие того, что работа, затрачиваемая извне на сжатие газа, целиком идет на увеличение его внутренней энергии.
Подставив в уравнение (23) значение из уравнения Менделеева – Клапейрона и разделив переменные, запишем его в виде
или 
, (24)
Интегрируя и потенцируя выражение (24), получим:
Уравнения (25) являются уравнениями адиабатного процесса и называются уравнениями Пуассона. Поскольку показатель степени адиабаты , кривая адиабатного процесса (адиабата) идет круче, чем изотерма .
Описание установки и метода измерений
Для определения отношения теплоемкостей используется метод, основанный на адиабатном расширении газа.
Воздух, заключенный в сосуд, последовательно проходит через три состояния (рис. 1). Первое состояние характеризуется параметрами р 1 V 1 T 1 . Второе состояние газа определяется параметрами р 2 V 2 T 2 . Третьему состоянию соответствуют параметры р 3 V 2 T 1 . Из первого во второе состояние газ переходит путем адиабатного расширения. Из второго в третье состояние газ переходит изохорно.
В адиабатном процессе 1-2 давление и объем газа по уравнению Пуассона связаны следующими соотношениями:
Начальное и конечное состояния газа характеризуются одной и той же температурой, поэтому на основании закона Бойля-Мариотта получаем
Решая уравнения (26) и (27) относительно , получим
(28)
 |
Рис. 1
Так как давление р 1 , р 2 , р 3 отличаются друг от друга незначительно, при приближенном вычислении разности логарифмов в формуле (28) можно заменить разностями самих чисел
В проводимом эксперименте давление р 2 равно атмосферному, а давления р 1 и р 3 превышают атмосферное давление р 2 на величины, определяемые высотами столбов жидкости в манометре h 1 и h 2 соответственно. С учетом этого формула (29) для расчета значения примет вид
Измерительная установка для определения состоит из стеклянного баллона большой емкости 1, крана 3, открытого жидкостного манометра 4 и ручного нагнетательного насоса 2 (рис. 2).
 |
Если в баллон при открытом кране 3 накачивается воздух, то давление его в баллоне повышается и становится выше атмосферного на величину h 1 , указываемую манометром. Процесс 1-2 (см. рис. 1) осуществляется открыванием крана 3 с тем, чтобы давление в баллоне сравнялось с атмосферным. Затем идет процесс изохорического нагревания 2-3, в результате которого давление повышается и превышает атмосферное на величину h 2 .
Порядок выполнения работы
1. Открывают кран 3.
2. Насосом 2 нагнетают воздух в баллон и краном 3 отключают его от установки. (Во избежание выброса жидкости из манометра нужно делать 2-3 качания).
3. После того, как температура в баллоне станет равной температуре окружающей среды (давление в баллоне перестанет меняться); производят отсчет разности уровней жидкости в манометре h 1 (снимают показания ма-
нометра в правом и левом коленах L 1 и L 2 , берут их сумму или разность в зависимости от положения нуля отсчета).
4. Открыванием крана 3 дают воздуху, находящемуся в баллоне, достаточно быстро, а, следовательно, адиабатно расширяться до выравнивания давления в баллоне с атмосферным давлением. Кран 3 закрывают в момент, когда прекратится звук, возникающий при выходе воздуха, или же в момент, когда уровни жидкости в обоих коленах сравняются.
5. Как только газ, охлажденный при адиабатном расширении, нагреется до комнатной температуры (примерно через 2-3 минуты после закрытия крана 3), отсчитывают показания манометра L 3 и L 4 и находят h 2 .
6. Вычисляется значение по формуле (30).
7. Опыт повторяют не менее десяти раз при различных избыточных давлениях воздуха (значениях h 1 ).
Обработка результатов измерений
1. Результаты проведенных измерений и вычислений записываются в таблицу.
Значения L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , h 1 , h 2 измеряются в миллиметрах столба жидкости, налитой в манометр.
2. Вычисляется среднее значение .
Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U ) - это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:
Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики
Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:
Идеальные газы
Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме, . Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то
.Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах); в общем случае является функцией и температуры, и объёма.
Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:
,где - количество вещества, - изменение температуры.
Литература
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Издание 5-е, исправленное. - М .: Физматлит , 2006. - Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. - 544 с. - ISBN 5-9221-0601-5
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Внутренняя энергия" в других словарях:
внутренняя энергия - Функция состояния закрытой термодинамической системы, определяемая тем, что ее приращение в любом процессе, происходящем в этой системе, равно сумме теплоты, сообщенной системе, и работы, совершенной над ней. Примечание Внутренняя энергия… … Справочник технического переводчика
Энергия физ. системы, зависящая от её внутр. состояния. В. э. включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т. д.) и энергию вз ствия этих ч ц. Кинетич. энергия движения системы как целого и … Физическая энциклопедия
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ - энергия тела или системы, зависящая от их внутреннего состояния; складывается из кинетической энергии молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов в молекулах, энергии взаимодействия электронных… … Большая политехническая энциклопедия
Тела складывается из кинетической энергии молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов в молекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не входит энергия движения тела как целого и потенциальная энергия … Большой Энциклопедический словарь
внутренняя энергия - ▲ энергия материальное тело, в соответствии с, состояние, внутренний температура внутренняя эн … Идеографический словарь русского языка
внутренняя энергия - – это полная энергия системы за вычетом потенциальной, обусловленной воздействием на систему внешних силовых полей (в поле тяготения), и кинетической энергии движущейся системы. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины
Современная энциклопедия
Внутренняя энергия - тела, включает кинетическую энергию составляющих тело молекул, атомов, электронов, ядер, а также энергию взаимодействия этих частиц друг с другом. Изменение внутренней энергии численно равно работе, которую совершают над телом (например, при его… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
внутренняя энергия - термодинамическая величина, характеризизующая количество всех видов внутренних движений, совершенных в системе. Измерить абсолютную внутреннюю энергия тела невозможно. На практике измеряют лишь изменение внутреннюю энергию… … Энциклопедический словарь по металлургии
Тела, складывается из кинетической энергии молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов в молекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не входит энергия движения тела как целого и потенциальная энергия … Энциклопедический словарь
Книги
- Путь Ци. Энергия жизни в вашем теле. Упражнения и медитации , Свейгард Мэтью , Уравновешенность и внутренняя гармония даны нам от рождения, но современная жизнь легко может выбить нас из естественного равновесия. Иногда мы нарушаем его сознательно, скажем, едим слишком… Категория: Восточные эзотерические учения Серия: Издатель: Весь ,
Все окружающие нас макроскопические тела в своем составе имеют частицы: атомы или молекулы. Находясь в постоянном движении, они одновременно обладают двумя видами энергии: кинетической и потенциальной и формируют внутреннюю энергию тела:
U = ∑ Е k +∑ Е p
В это понятие входит также энергия взаимодействия друг с другом электронов, протонов, нейтронов.
Возможно ли изменение внутренней энергии
Существует 3 способа ее изменения:
- благодаря процессу теплопередачи;
- путем совершения механической работы;
- с помощью проведения химических реакций.
Рассмотрим более подробно все варианты.
Если работу будет совершать само тело, то его внутренняя энергия станет уменьшаться, а когда работу совершают над телом, внутренняя его энергия будет увеличиваться.
Простейшими примерами увеличения энергии являются случаи добывания огня с помощью трения:
- с применением трута;
- с помощью огнива;
- с использованием спичек.
Тепловые процессы, связанные с изменениями температуры, также сопровождаются изменениями внутренней энергии. Если нагревать тело, его энергия будет возрастать.
Результатом химических реакций является превращение веществ, которые отличны друг от друга строением и составом. Например, в процессе горения топлива после соединения водорода с кислородом образуется оксид углерода. При соединении соляной кислоты с цинком выделится водород, а в результате горения водорода выделится водяной пар.
Внутренняя энергия тела будет меняться и из-за перехода электронов с одной электронной оболочки на другую.
Энергия тел — зависимость и характеристики
Внутренняя энергия является характеристикой теплового состояния тела. Она зависит от:
- агрегатного состояния, и меняется при кипении и испарении, кристаллизации или конденсации, плавлении или сублимации;
- массы тела;
- температуры тела, характеризующей кинетическую энергию частиц;
- рода вещества.
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа
Эта энергия, в идеале, складывается из кинетических энергий каждой частицы, которая беспорядочно и непрерывно движется, и потенциальной энергии их взаимодействия в рамках конкретного тела. Происходит это благодаря изменению температуры, что подтверждают проведенные эксперименты Джоуля.
Для расчета внутренней энергии одноатомного газа пользуются уравнением:
Где в зависимости от изменения температуры будет меняться внутренняя энергия (возрастать с увеличением температуры, и уменьшаться с ее убыванием). Внутренняя энергия – это функция состояния.
