От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела кратко

Обновлено: 05.07.2024

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:

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

4. Сравните внутреннюю энергию 1 моля кислорода и 1 моля аргона при одной и той же температуре.

На данном уроке мы вспомним такое важнейшее в курсе физики понятие, как энергия. Повторим конкретные виды механической энергии, которые нам известны, вспомним, от чего они зависят и как меняются при движении тела. Затем будет введено понятие внутренней энергии и будут оговорены ее основные свойства. Мы узнаем взаимосвязь между понятиями внутренняя энергия и температура, а также как они связаны с движением частиц тела (атомов и молекул). В ходе урока будут приведены несколько наглядных практических примеров.

Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической энергии всех молекул, составляющих тело, и потенциальной энергии, связанной с их взаимным влиянием. ВЭ зависит от температуры, потому что чем она выше, тем быстрее молекулы движутся, у них больше КЭ. Температура является мерой КЭ молекул.

Внутренняя энергия тела

Единица измерения температуры в системе СИ составляет 1 К (Кельвин). Каждый день используют другие единицы измерения — ° C (градусы Цельсия). 0 ° C — это точка замерзания воды, 0K — это так называемый абсолютный ноль, минимально возможная температура. Чтобы перевести градусы Цельсия в Кельвины, нужно добавить к ним 273. Если ВЭ является суммой тепла всех молекул, это тело обладает большей Э.

ВЭ тела можно увеличить, выполняя работу над телом или обеспечивая тепло. Это определённое количество движения, передаваемого между объектами. Тепло течёт от предмета с более высокой температурой к телу с более низкой Т.

Энергия может происходить тремя способами:

теплопроводностью;
излучением;
конвекцией.

Последний термин — это процесс теплопередачи, связанный с движением вещества в газе или жидкости, например, подъём тёплого воздуха.

Приращение движения микрочастиц тела равно сумме работы, выполненной над телом, и тепла, подаваемого к нему.

Внутренняя энергия формула — это сумма всех видов энергии молекул, из которых он состоит. Они имеют только кинетическую энергию.

Принцип энергетической эквивалентности гласит, что для каждой степени свободы учитывается одна и та же средняя КЭ, равная QD / 2, поэтому среднюю КЭ молекул можно рассчитать по формуле:

Где есть так называемое количество степеней свободы, то есть количество координат, которые должны быть указаны для определения положения частицы в пространстве. Для одноатомных молекул и = 3, двухатомных и = 5, других (3 или более атомных) и = 6. ВЭ газа с постоянной массой изменяется только при изменении его температуры. ВЭ может быть изменена путём подачи тепла к газу или выполнения работы с ним.

А формулировка первого закона термодинамики гласит, что изменение ВЭ газа равно сумме тепла, указанного с окружающей средой, и работы, проделанной с ним.

Тепло Q и B может иметь отрицательный или положительный знак. Q имеет, когда газ отдаёт тепло +, и он получает тепло. Если положительный знак, когда работа над газом осуществляется силой, внешней — объём газа уменьшается, и отрицательной, когда газ работает (увеличивается).

При переходе изотермическая ВЭ не изменяется (поскольку температура не меняется), тогда Q + W = 0.

Когда изохорическое преобразование в = 0 (поскольку объём не изменяется), тогда ∆U = Q.

Если Q = 0 (газ не обменивается теплом с окружающей средой), то этот переход называется переходом адиабаты. Тогда уравнение ∆U = W.

При адиабатическом способе изменения внутренней энергии давление является более значительным, чем при изотермическом процессе. Молекулы и атомы каждого тела имеют зависимость от движения. Каждая такая частица имеет КЭ. Измерить среднюю её температуру можно.

Факторы влияния

Например, в результате резкого снижения температуры, связанного с обменом энергии с окружающей средой при расширении, течение возникает вследствие конденсации водяного пара. Значение ВЭ этого тела или системы трудно установить из-за его сложной природы. Это легче определить, когда более существенные изобарные изменения этой энергии обусловлены различными явлениями, такими как расширение газа под функцией давления.

Как известно, температура связана со средней КЭ молекул тела. Однако как два предмета отличаются при одинаковой температуре, но разной массе и, следовательно, разном количестве молекул, не совсем понятно. Очевидно, что сумма энергии частицы будет больше в случае тела с большей массой. Энергию энтропии, связанную с физическим движением и взаимным расположением частиц, называют ВЭ.

Из этого следует, что смысл ВЭ зависит от трёх факторов:

количество атомов и молекул, составляющих это тело — чем больше молекул, тем выше сумма компонентов;
температура тела — чем выше Т, тем больше средняя КЭ частиц, общая Э системы.

Характер вещества и его состояние энтальпия — понятие величины потенциальной энергии, полученной в результате межмолекулярного воздействия, зависит от состояния концентрации и различно для разных веществ.

Вот примеры:

При той же заданной температуре воды ведро имеет больше ВЭ, чем стакан воды, так как в ведре содержится гораздо больше молекул.
Чашка горячего чая имеет большую ВЭ, чем такое же количество холодного чая, потому что молекулы горячей жидкости имеют большую среднюю КЭ, и в обоих стаканах их столько же.
Стакан воды при 0 ° С обладает большей ВЭ, чем кусок льда, созданный из него при той же температуре.

Изменения показателей

Стоит подумать о том, как можно изменить термодинамическую внутреннюю энергию тела.

Важно упомянуть несколько явлений.

Если человек потирает руки, то чувствует, что они становятся теплее. Повышение температуры указывает на увеличение ВЭ.

Другим довольно распространённым явлением будет механический нагрев тел, отшлифованных пилкой или наждачной бумагой. Такую работу можно легко выполнить и увидеть эффект дома. Долгое выполнение этой операции может даже привести к ожогам.

Распространённым явлением является нагрев воздуха, содержащегося в автомобильных шинах. Шина деформируется в точке соприкосновения с землёй, поворот колеса приводит к деформации его осколков, а также к сжатию воздуха в нём. Работа дорожно-автомобильной системы в момент деформации шины и сжатия воздуха приводит к увеличению ВЭ молекул газа внутри шины.

Можно попытаться (если у вас есть доступ к соответствующим инструментам) выполнить опыт, где нужно ударять молотком по металлическому стержню, расположенному на твёрдой поверхности. Оказывается, ударная штанга нагревается. Кузнец может нагреть металлический стержень до температуры, при которой он начинает светиться.

Приведённые выше примеры доказывают, что температура тела может повышаться за счёт выполнения работ на нём. Повышение температуры свидетельствует об увеличении ВЭ. Увеличение показателя может быть достигнуто не только при выполнении работ. Можно опустить руки в тёплую воду, а также добиться эффекта увеличения ВЭ.

Механизм передачи ВЭ от тёплой воды к коже рук можно описать следующим образом:

Температура воды выше, чем температура кожи наших рук. Это означает, что молекулы воды имеют более высокую среднюю КЭ.
Прилегающие к коже молекулы воды сталкиваются с частицами кожи. Во время этих столкновений и молекулы воды, и частицы кожи теряют энергию.
ВЭ переносится из воды на кожу рук.

Этот метод передачи называется тепловым потоком, а часть ВЭ, которая была передана в описанном выше механизме, называется теплом. Тепловой поток, который возможен только между телами с разными температурами, всегда исходит от тела с высокими данными и прекращается после выравнивания Т.

Поэтому, если кладут руки в холодную воду, процесс движения микрочастиц происходит в обратном направлении. Частицы кожи, обладающие большой кинетической энергией, при столкновениях с молекулами воды теряют её, а молекулы воды приобретают энергию, то есть она передаётся от кожи к воде. Неправильно утверждение, что этот холод течёт из воды в руки. То, что течёт, является частью ВЭ, называемой теплом. Это, если в описанной выше ситуации ощущается повышение или понижение температуры, зависит от направления, в котором происходит этот поток. Тепловой блок, как и любой тип энергии, в физике — это Джоуль.

При сверлении отверстий в стальной пластине охлаждающая жидкость заливается на буровую площадку. Благодаря этому, плита и дрель не нагреваются чрезмерно. Этот идеальный процесс анализируется с точки зрения изменения внутренней энергии, представленной следующим образом: благодаря работе, ВЭ сверла и дисков увеличивается, но часть этой энергии передаётся теплоносителю в виде тепла.

В результате ВЭ может остаться неизменной — это произойдёт, если её рост, вызванный работой, будет равняться теплу перенесённой жидкости. Если теплопередача жидкости меньше работы сил трения, ВЭ увеличится, но на меньшее значение, чем при отсутствии охлаждения. Если тепло от разговорной жидкости будет больше, то от проделанной работы внутренняя теплота сверла и пластины уменьшится.

Чтобы пластилин стал более пластичным, его нужно нагреть. Можно сделать это, держа его в руках, но результат будет достигнут гораздо быстрее, если дополнительно помять его. Пластилин получает тепло от рук, и в результате его ВЭ растёт. При его разминании делается работа, которая также увеличивает внутреннюю энергию.

Посмотрев этот видеоурок, учащиеся узнают, что называют термодинамической системой. Вспомнят, что такое внутренняя энергия тела и какими способами её можно изменить. А также узнают, как рассчитать внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Внутренняя энергия"

Прежде чем приступить к изучению нового материала, давайте с вами вспомним, чем мы занимались при изучении молекулярно-кинетической теории. Там наша основная задача заключалась в установлении связи между макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, и её микроскопическими параметрами. Это позволило нам объяснить, почему газ оказывает давление на стенки сосуда, что такое температура и так далее.

Также мы с вами вывели уравнение состояния идеального газа. Удалось нам это сделать только потому, что мы рассматривали самую простую систему — идеальный газ. Напомним, что в идеальном газе отсутствуют взаимодействия между молекулами, и поэтому нам не нужно было учитывать потенциальную энергию их взаимодействия. Однако, если бы мы попытались построить молекулярно-кинетическую теорию реального газа (не говоря уже о жидкостях и твёрдых телах), то всё было бы гораздо сложнее, а порой и почти невозможно.

Но существует ещё один раздел молекулярной физики, который пытается установить соответствия между макроскопическими параметрами, абсолютно не интересуясь, как устроена система (то есть без учёта молекулярного строения тел). Этот раздел физики называется термодинамикой.

А становление термодинамики как науки началось примерно в 40-х годах XIX века после того, как Юлиус Майер, Герман Гельмгольц и Джеймс Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии.

Выводы термодинамики основаны на фундаментальных законах, называемых началами термодинамики. Это не теоретические законы. Все они были установлены в результате обобщения многочисленных экспериментальных фактов.

Все физические тела и их модели в термодинамике мы будем называть термодинамическими системами. При этом для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она переходит самопроизвольно. Это утверждение называют нулевым началом термодинамики.

Основным понятием в термодинамике является понятие внутренней энергии, о которой мы говорили ещё в восьмом классе. Давайте с вами вспомним, что под внутренней энергией тела (или системы тел) понимают сумму кинетической энергии хаотического теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Обозначают внутреннюю энергию большой латинской буквой U. А измеряют её в тех же единицах, что и механическую энергию, то есть в джоулях.

[U] = [Дж].

Теперь давайте с вами вспомним, от каких величин зависит внутренняя энергия тела или системы тел. Мы уже с вами знаем, что чем выше температура тела, тем быстрее движутся его молекулы и тем больше их кинетическая энергия. Значит, внутренняя энергия тела зависит от его температуры.

Также нам известно, что для перевода вещества, например, из жидкого состояния в газообразное, нужно к веществу подвести энергию. Следовательно, пар будет обладать большей внутренней энергией, чем жидкость той же массы. Значит, внутренняя энергия тела при неизменной массе зависит от его агрегатного состояния.

Ну а так как масса тела равна сумме масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия зависит и от массы тела.

Но внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения и от его взаимодействия с другими телами. Так, например, внутренняя энергия мяча, лежащего на полу и поднятого на некоторую высоту от пола, одинакова, так же как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь силами сопротивления его движению).

Рассчитать внутреннюю энергию можно только для идеального газа. Давайте с вами определим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа, то есть газа, состоящего из отдельных атомов (к такому газу относятся инертные газы — гелий, неон, аргон и так далее).

Итак, согласно модели идеального газа, его молекулы не взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренней энергией такого газа является сумма кинетических энергий хаотического движения всех его молекул или атомов. Следовательно, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна произведению средней кинетической энергии теплового движения молекул на их число:

Число молекул в данной порции газа мы можем легко выразить из определения количества вещества:

А значение средней кинетической энергии поступательного движения молекул мы распишем через постоянную Больцмана и абсолютную температуру:

Перепишем формулу для внутренней энергии с учётом последних двух формул:

Теперь давайте с вами вспомним, что произведение постоянной Больцмана и числа Авогадро — это есть универсальная газовая постоянная R. Тогда получаем, что внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре и не зависит от других макроскопических параметров системы:

Для примера давайте с вами определим внутреннюю энергию неона массой 5 г, находящегося при температуре 27 о С.

Как правило, значение внутренней энергии в большинстве случаев вычислить очень трудно, поскольку каждое тело состоит из огромного числа частиц. Однако нас чаще будет интересовать не само значение внутренней энергии, а её изменение, которое происходит при переходе системы из одного состояния в другое.

Под приращением (или изменением) внутренней энергии понимают разность внутренних энергий системы в конечном и начальном состояниях:

Например, переход некоторой массы идеального газа из состояния один в состояние три можно осуществить или в ходе изохорного нагревания и последующим изобарным расширением, или при изобарном расширении, а затем при изохорном нагревании. Однако изменение внутренней энергии газа и в одном и в другом случае будет одинаковым:

Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что изменение внутренней энергии при переходе термодинамической системы из одного состояния в другое зависит только лишь от значений параметров этих состояний, а не от процесса перехода.

В частности, изменение внутренней энергии данной масса идеального одноатомного газа происходит только при изменении его температуры:

В качестве примера решим такую задачу. На рисунке в координатах (p, V) изображён процесс перехода идеального одноатомного газа определённой массы из состояния 1 в состояние 2. Определите приращение внутренней энергии газа, если его давление в конечном состоянии составляет 2 МПа, а объём в начальном состоянии был равен 3,0 л.

В заключении урока отметим, что при определении внутренней энергии реальных газов, жидкостей и твёрдых тел необходимо ещё учитывать и потенциальную энергию взаимодействия частиц, которая зависит от расстояния между ними. Поэтому в общем случае внутренняя энергия макроскопических тел зависит не только от абсолютной температуры, но и от объёма.

При изучении физики в восьмом классе вы узнали, что изменить состояние термодинамической системы можно двумя способами: используя теплопередачу или совершая работу. Процесс теплопередачи и совершение работы характеризуют соответственно физическими величинами — количеством теплоты Q и работой А, которые являются мерами изменения внутренней энергии системы.

Читайте также: