Понятие внутренней энергии газа. Внутренняя энергия. Принцип действия тепловых двигателей

Термодинамика в отличие от молекулярно-кинетической теории, изучает физические свойства макроскопических тел (термодинамических систем), не вникая в их молекулярное строение. Термодинамический метод базируется на законе сохранения и превращении энергии.

Физические величины, характеризующие термодинамическую систему, называются термодинамическими параметрами . К ним относятся: объем, давление, температура, концентрация и др. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением ее параметров, называется термодинамическим процессом , а уравнение, связывающее между собой параметры системы, называется уравнением состояния . Примером такого уравнения является уравнение Менделеева - Клапейрона (6.1)

Внутренняя энергия идеального газа

Важнейшей характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия U, складывающая из потенциальной энергии взаимодействия частиц системы и кинетической энергии их теплового движения.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы, т.е. в каждом состоянии система обладает вполне определенным значением внутренней энергии, не зависящим от того, каким путем система перешла в это состояние.

Так как в идеальном газе потенциальная энергия молекул равна нулю (считается, что молекулы между собой не взаимодействуют), то внутренняя энергия идеального газа равна полной кинетической энергии всех его молекул. Обозначив внутреннюю энергию одного моля газа через U μ , а среднюю кинетическую энергию молекулы через , можем записать для одного моля газа:

U μ = N A (6.18)

где N A – число Авогадро.

Подставляя значение из формулы (6.12), получим внутреннюю энергию для одного моля газа:

(6.19)

Если число молей , то для любого количества вещества

(6.20)

Следовательно, внутренняя энергия газа пропорциональна его массе, числу степеней свободы молекулы и абсолютной температуре газа.

Первый закон термодинамики

Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить за счет работы, которую либо внешние тела совершают над ней, либо сама система совершает над внешними телами. Например, приложив внешнюю силу, мы сжимаем газ, в результате чего его температура повышается, а, следовательно, увеличивается и внутренняя энергия. Внутреннюю энергию можно изменить также, передавая системе (или отнимая у нее) некоторое количество теплоты.

Согласно закону сохранения энергии, изменение внутренней энергии системы должно равняться сумме полученной ею теплоты и совершенной над ней работы . Эта формулировка закона сохранения энергии применительно к термодинамическим системам носит название первого закона термодинамики :

В дифференциальной форме первый закон термодинамики имеет вид:

Необходимо подчеркнуть, что в отличие от внутренней энергии, являющейся функцией состояния, работа и количество теплоты зависят не только от начального и конечного состояний системы, но и от пути, по которому происходило изменение ее состояния. Следовательно, величины dQ и dА не являются полными дифференциалами, по которым может производиться интегрирование. Для того, чтобы подчеркнуть это обстоятельство для бесконечно малых приращений тепла и работы применяют более корректное обозначение Q и A и тогда первый закон примет вид: Q = dU + A (6.22)

Найдем в общем виде работу, совершаемую газом, (рис.6.6, а). Если газ, расширяясь, перемещает поршень на расстояние dx, то он производит работу (см. формулу 2.19):

A = F · dx = P · S · dx = PdV, (6.22)

где S – площадь поршня; Sdx = dV – изменение объема газа в цилиндре.

Полная работа, совершаемая газом при изменении его объема от V 1 до V 2 , равна:

Графически процесс изменения состояния газа при его расширении изображается участком кривой 1-2 в координатах Р – V (рис.6.6, б). Точки 1 и 2 соответствуют начальному и конечному состояниям газа. Элементарная работа PdV изображается заштрихованной площадью. Полная работа, определяемая формулой 6.23, изображается площадью V 1 – 1 – 2 - V 2 под кривой 1 – 2.

Теплоемкость идеальных газов .

Количество тепла, которое надо сообщить телу, чтобы изменить его температуру на 1 К, называется теплоемкостью тела С.

Согласно этому определению

, [С] = Дж/К (6.24)

Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью С уд

Теплоемкость одного моля называется молярной теплоемкостью С м.

, [С м ] = Дж/моль · К (6.26)

где ν = m/μ – число молей.

Как следует из формул (6.25) и (6.26), удельная теплоемкость связана с молярной соотношением:

С м = С уд · μ (6.27)

Теплоемкость газа зависит от того, при каких условиях она определяется: при постоянном объеме или постоянном давлении. Покажем это, для чего запишем первый закон термодинамики с учетом формулы (6.22):

δQ = dU + PdV (6.28)

Если газ нагревается при постоянном объеме (изохорный процесс), то dV=0 и работа РdV = 0. В этом случае δQ = dU, т.е. передаваемое газу тепло идет только на изменение его внутренней энергии. Теплоемкость газа при постоянном объеме:

С учетом формулы (6.20)

(6.29)

и тогда изохорная теплоемкость

Для одного моля (m/µ = 1) молярная теплоемкость при постоянном объеме

Теперь, с учетом равенства (6.28), найдем теплоемкость при постоянном давлении (изобарный процесс):

(при этом учли, что dU/dT = C V). Из (6.32) следует, что С P > C V . Это объясняется тем, что при нагревании при P = const сообщенное газу тепло идет не только на увеличение его внутренней энергии, но и на совершение работы.

Для одного моля идеального газа уравнение Менделеева – Клапейрона имеет вид PV=RT и потоку PdV=RdT. Учитывая это, получим уравнение Майера , выражающее связь между молярными теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме:

С мр = С mv + R (6.33)

Учитывая выражение (6.31) можно записать в виде

При рассмотрении термодинамических процессов важно знать характерное для каждого газа отношение С P к С V:

(6.35)

Величина γ называется коэффициентом Пуассона , i – число степеней свободы молекул (см. рис.6.2).

Повышение температуры приводит, как отмечалось выше, к появлению колебательных степеней свободы, в результате чего теплоемкость возрастает. Наоборот, при низких температурах число степеней свободы уменьшается, так как «вымораживаются» вращательные степени свободы и теплоемкость газа уменьшается.

Изопроцессы

Изопроцессом называется процесс, при котором один из параметров термодинамической системы остается постоянным. Связь между параметрами системы дает уравнение Менделеева – Клапейрона.

Изотермический процесс (Т = const) .

В этом случае уравнение состояния имеет вид:

PV = const (6.36)

Для нескольких конкретных состояний газа можно записать:

P 1 V 1 = P 2 V 3 = . . ., = P n V n

График изотермического процесса (изотерма) в координатах P – V изображается гиперболой (рис.6.7).

Подставляя из формулы (6.1) в формулу работы (6.23), получим для изотермического процесса:

(6.37)

Работа изотермического процесса на рис.6.7 численно равна площади под кривой 1-2.

Из формулы 6.29 следует, что изменение внутренней энергии при dT = 0 в изотермическом процессе равно 0. Тогда первый закон термодинамики применительно к изотермическому процессу примет вид Q = A .

т.е. система: либо, получая тепло от внешней среды, совершает работу, расширяясь, либо отдает тепло внешней среде вследствие того, что внешние тела совершают над ней работу, сжимая ее. Следовательно, для того, чтобы при изотермическом расширении температура не падала, к газу необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное работе расширения. Наоборот, при сжатии система должна отдавать среде количество теплоты, эквивалентное работе сжатия.

Изобарный процесс (Р = const) .

Уравнение состояния при Р = const имеет вид

Const или

График изобарного процесса в координатах Р – V приведен на рис.6.7. Работа при изобарном процессе (см.6.23)

(6.39)

на графике работа при Р = const численно равна площади прямоугольника под прямой 1-3.

Первый закон термодинамики для изобарного процесса

Изохорный процесс (V = const) .

При изохорном процессе уравнение состояния

Или (6.40)

Поскольку dV = 0, то работа при изохорном процессе равна нулю. Первый закон термодинамики для изохорного процесса имеет вид

т.е. либо вся теплота, сообщаемая системе, идет на увеличение ее внутренней энергии, либо система отдает среде тепло, уменьшая свою внутреннюю энергию.

Адиабатический процесс .

Адиабатическим называется процесс, протекающий без теплообмена с внешней средой(δQ = 0). Близким к адиабатическим являются все быстропротекающие процессы, например, расширение и сжатие горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Учитывая, что δQ = 0, запишем первый закон термодинамики для адиабатического процесса:

А = -ΔU (6.41)

Отсюда следует, что если газ совершает работу (адиабатически расширяясь), то А>0, соответственно ΔU<0 и ΔТ<0, т.е. газ охлаждается. Наоборот, при адиабатическом сжатиии газа А<0, тогда ΔU >0 и ΔТ >0, т.е. газ нагревается.

Используя выражение (6.23) и учитывая, (6.20), перепишем равенство (6.41):

(6.42)

Продифференцируем уравнение Менделеева – Клапейрона (6.1):

(6.43)

Исключив из уравнений (6.42) и (6.43) температуру Т, получим

Разделив переменные и учитывая равенство (6.35), найдем

Интегрируя это равенство, получим

γlnV + lnP = const

Или в окончательном виде связь между давлением и объемом газа в адиабатическом процессе:

PV γ = const (6.44)

Это отношение называется уравнением адиабаты или уравнением Пуассона . Кривая адиабаты представлена на рис.6.7, которая падает с ростом объема круче, чем изотерма. Это непосредственно следует из того, что γ>1 (см. также формулу 6.35).

Уравнение Пуассона можно выразить и через другие параметры с помощью уравнения Менделеева – Клапейрона

T γ P 1-γ = const

Вычислим работу расширения газа в адиабатическом процессе. Учитывая равенство (6.42), получим

(6.45)

Самые часто задаваемые вопросы

Возможно ли, изготовить печать на документе по предоставленному образцу? Ответ Да, возможно. Отправьте на наш электронный адрес скан-копию или фото хорошего качества, и мы изготовим необходимый дубликат.

Какие виды оплаты вы принимаете? Ответ Вы можете оплатить документ во время получения на руки у курьера, после того, как проверите правильность заполнения и качество исполнения диплома. Также это можно сделать в офисе почтовых компаний, предлагающих услуги наложенного платежа.
Все условия доставки и оплаты документов расписаны в разделе «Оплата и доставка». Также готовы выслушать Ваши предложения по условиям доставки и оплаты за документ.

Могу ли я быть уверена, что после оформления заказа вы не исчезнете с моими деньгами? Ответ В сфере изготовления дипломов у нас достаточно длительный опыт работы. У нас есть несколько сайтов, который постоянно обновляются. Наши специалисты работают в разных уголках страны, изготавливая свыше 10 документов день. За годы работы наши документы помогли многим людям решить проблемы трудоустройства или перейти на более высокооплачиваемую работу. Мы заработали доверие и признание среди клиентов, поэтому у нас совершенно нет причин поступать подобным образом. Тем более, что это просто невозможно сделать физически: Вы оплачиваете свой заказ в момент получения его на руки, предоплаты нет.

Могу я заказать диплом любого ВУЗа? Ответ В целом, да. Мы работаем в этой сфере почти 12 лет. За это время сформировалась практически полная база выдаваемых документов почти всех ВУЗов страны и за разные года выдачи. Все, что Вам нужно – выбрать ВУЗ, специальность, документ, и заполнить форму заказа.

Что делать при обнаружении в документе опечаток и ошибок? Ответ Получая документ у нашего курьера или в почтовой компании, мы рекомендуем тщательно проверить все детали. Если будет обнаружена опечатка, ошибка или неточность, Вы имеете право не забирать диплом, при этом нужно указать обнаруженные недочеты лично курьеру или в письменном виде, отправив письмо на электронную почту.
В кратчайшие сроки мы исправим документ и повторно отправим на указанный адрес. Разумеется, пересылка будет оплачена нашей компанией.
Чтобы избежать подобных недоразумений, перед тем, как заполнять оригинальный бланк, мы отправляем на почту заказчику макет будущего документа, для проверки и утверждения окончательного варианта. Перед отправкой документа курьером или почтой мы также делаем дополнительное фото и видео (в т. ч. в ультрафиолетовом свечении), чтобы Вы имели наглядное представление о том, что получите в итоге.

Что нужно сделать, чтобы заказать диплом в вашей компании? Ответ Для заказа документа (аттестата, диплома, академической справки и др.) необходимо заполнить онлайн-форму заказа на нашем сайте или сообщить свою электронную почту, чтобы мы выслали вам бланк анкеты, который нужно заполнить и отправить обратно нам.
Если вы не знаете, что указать в каком-либо поле формы заказа/анкеты, оставьте их незаполненными. Всю недостающую информацию мы потому уточним в телефонном режиме.

Последние отзывы

Torywild:

Купить диплом в вашей компании я решила, когда переехала в другой город, а среди своих вещей не смогла найти свой диплом. Без него меня бы не взяли на хорошую высокооплачиваемую работу. Ваш консультант меня заверила, что данная информация не разглашается, и документ никто не отличит от оригинала. Сомнения не оставляли, но пришлось рискнуть. Понравилось, что не нужна предоплата. В общем, получила диплом вовремя и меня не обманули. Спасибо!

Оксана Ивановна:

Когда у меня украли диплом, я ужасно расстроилась. Ведь меня как раз в это время уволили, а найти сейчас хорошую работу без диплома о высшем образовании практически невозможно. Благо, соседка подсказала обратиться в вашу организацию. Сначала я отнеслась с недоверием, но решила рискнуть. Позвонила менеджеру компании, объяснила свою ситуацию. И мне повезло! Все сделали оперативно, а главное, пообещали не разглашать мою тайну. Меня волновало, чтобы впоследствии не всплыл факт покупки мной диплома.

Маша Кутенкова:

Спасибо за работу! Заказывала диплом 1991 года. Когда стали поднимать документы, оказалось, что опыта мало, нужна и бумага, подтверждающая образование. У меня ее не было, причем начальница это знала, и сама порекомендовала вашу компанию (видать, сотрудник я ничего так). На документе она мне указала на детали – мол, в каких годах используют тушь или чернила, толщина подписи и т. д. Спасибо за дотошность и качество!

LenOK:

Начитавшись историй о позорных увольнениях сотрудников, у которых дипломы напечатаны на цветном принтере, я пошла подавать документы в универ. Увы, бюджета нет, денег учиться и оплачивать сессии тоже нет, пришлось рисковать. Хотя я очень рада, что познакомилась с вашей компанией. Хоть меня и не взяли на работу с вашим дипломом, ввиду несдачи практического блока, это не ваша вина. Как найду новое место – сразу к вам, без промедлений!

Jerry Terry:

Наблюдая, с каким конфузом вылетел мой коллега с работы за поддельный диплом, было страшно последовать его примеру. Если бы не кума, которая заказывала у вас – не рискнула бы. Она заверила, что здесь все гладко, и моя фамилия будет везде, где надо. На все про все у меня было 4 дня. Спасибо вам за скорость – справились за 3, еще и успели дотошно изучить способы подделки документов, но ваш бланк не подходит под подделку, значит, сойдет за оригинал.

Андрей:

Никогда бы не мог подумать, что придется покупать диплом. Дочь после школы уехала в Польшу на заработки, когда вернулась через 5 лет, захотела устроиться дизайнером одежды в местный дом моды. Без диплома никто брать ее на работу не хотел. Понимал, что, если не устроится на эту работу, опять уедет. Прошарился вечер в интернете, и на утро с документами дочери был уже в офисе. Через неделю вместе с ней забрал диплом, и она наконец-то осталась работать в своем городе на желанной должности. Не представляете, как я вам благодарен!

Энергия представляет собой общую меру различных форм движения материи. Соответственно формам движения материи различают и виды энергии – механическую, электрическую, химическую и т.д. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает некоторым запасом энергии, существование которой было доказано Р.Клаузиусом (1850) и получило название внутренней энергии.

Внутренняя энергия (U) – это энергия всех видов движения микрочастиц, составляющих систему, и энергия их взаимодействия между собой.

Внутренняя энергия складывается из энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц, энергии межмолекулярного и внутримолекулярного, внутриатомного и внутриядерного взаимодействий и др.

Энергию внутримолекулярного взаимодействия, т.е. энергию взаимодействия атомов в молекуле, часто называют химической энергией . Изменение этой энергии имеет место при химических превращениях.

Для термодинамического анализа нет необходимости знать из каких форм движения материи складывается внутренняя энергия.

Запас внутренней энергии зависит только от состояния системы. Следовательно, внутреннюю энергию можно рассматривать как одну их характеристик этого состояния наравне с такими величинами, как, давление, температура.

Каждому состоянию системы соответствует строго определенное значение каждого из его свойств.

Если гомогенная система в начальном состоянии имеет объем V 1 , давление P 1 , температуру T 1 , внутреннюю энергию U 1 , удельную электропроводностьæ 1 и т.д., а в конечном состоянии эти свойства соответственно равны V 2 , P 2 , T 2 , U 2, æ 2 и т.д., то изменение каждого свойства при переходе системы из начального состояния в конечное будет одним и тем же, независимо от того, каким путем переходит система из одного состояния в другое: первым, вторым или третьим (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Независимость свойств системы от пути ее перехода

из обычного состояния в другое

Т.е. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)

Где цифры I, II, III и т.д. указывают пути процесса. Следовательно, если система из начального состояния (1) в конечное (2) перейдет по одному пути, а из конечного в начале – по другому пути, т.е. совершится круговой процесс (цикл), то изменение каждого свойства системы будет равно нулю.

Таким образом, изменение функции состояния системы не зависит от пути процесса, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы. Бесконечно малое изменение свойств системы обозначается обычно знаком дифференциала d. Например, dU– бесконечное малое изменение внутренней энергии и т.д.

Формы обмена энергией

В соответствии с различными формами движения материи и различными видами энергии существуют различные формы обмена энергией (передача энергии) – формы взаимодействия. В термодинамике рассматриваются две формы обмена энергии между системой и окружающей средой. Это работа и теплота.

Работа. Наиболее наглядной формой обмена энергией является механическая работа, соответствующая механической форме движения материи. Она производится при перемещении тела под действием механической силы. В соответствии с другими формами движения материи различают и другие виды работы: электрическую, химическую и т.д. Работа является формой передачи упорядоченного, организованного движения, так как при совершении работы частицы тела движутся организованно в одном направлении. Например, совершение работы при расширении газа. Молекулы газа, находящегося в цилиндре под поршнем, находятся в хаотическом, неупорядоченном движении. Когда же газ начнет перемещать поршень, то есть совершать механическую работу, на беспорядочное движение молекул газа будет накладываться организованное движение: все молекулы получают некоторое смещение в направлении движения поршня. Электрическая работа так же связана с организованным движением в определенном направлении заряженных частиц материи.

Поскольку, работа является мерой передаваемой энергии, количество ее измеряется в тех же единицах, что и энергия.

Теплота . Форму обмена энергией, соответствующую хаотическому движению микрочастиц, составляющих систему, называюттеплообменом , а количество энергии, переданное при теплообмене, называюттеплотой .

Теплообмен не связан с изменением положения тел, составляющих термодинамическую систему, и состоит в непосредственной передаче энергии молекулами одного тела молекулам другого при их контакте.

Представим себе изолированный сосуд (систему) разделенную на две части теплопроводной перегородкой ав (рис. 1.5). Допустим, что в обеих частях сосуда находится газ.

Рис. 1.5. К понятию о теплоте

В левой половине сосуда температура газа Т 1 , а в правой Т 2 . Если Т 1 > Т 2 , то средняя кинетическая энергия () молекул газа в левой части сосуда, будет больше средней кинетической энергии () в правой половине сосуда.

В результате непрерывных соударений молекул о перегородку в левой половине сосуда часть энергии их передается молекулам перегородки. Молекулы же газа, находящегося в правой половине сосуда, сталкиваясь с перегородкой, приобретут какую-то часть энергии от ее молекул.

В результате этих столкновений кинетическая энергия молекул в левой половине сосуда будет уменьшаться, а в правой – увеличиваться; температуры Т 1 и Т 2 будут выравниваться.

Поскольку теплота является метой энергии, ее количество измеряется в тех же единицах, что энергия. Таким образом, теплообмен и работа являются формами обмена энергией, а количество теплоты и количество работы - мерами передаваемой энергии. Различие между ними состоит в том, что теплота – это форма передачи микрофизического, неупорядоченного движения частиц (и, соответственно, энергии этого движения), а работа представляет собой форму передачи энергии упорядоченного, организованного движения материи.

Иногда говорят: теплота (или работа) подводится или отводится от системы, при этом следует понимать, что подводиться и отводится не теплота и работа, а энергия, поэтому следует не употреблять такого рода выражений как «запас теплоты» или «теплота содержится».

Являясь формами обмена энергией (формами взаимодействия) системы с окружающей средой, теплота и работа не могут быть связаны с каким-либо определенным состоянием системы, не могут являться ее свойствами, а, следовательно, и функциями ее состояния. Это означает, что если система проходит из начального состояния (1) в конечное (2) различными путями, то теплота и работа будут иметь разные значения для разных путей перехода (рис. 1.6)

Конечное количество теплоты и работы обозначают Q и A, а бесконечно малые значения соответственно через δQ и δA. Величины δQ и δA в отличие от dU не являются полным дифференциалом, т.к. Q и A не являются функциями состояния.

Когда же путь процесса буде предопределен, работа и теплота приобретут свойства функций состояния системы, т.е. их численные значения будут определяться только начальным и конечным состояниями системы.

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 .

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.