Изменение внутренней энергии происходит при: «Какие бывают способы изменения внутренней энергии?» – Яндекс.Кью

Содержание

Изменение внутренней энергии происходит при

Внутренняя энергия системы может изменяться за счет энергии, сообщаемой системе извне. Эта энергия может сообщаться системе посредством двух процессов: либо за счет работы, производимой внешними силами над системой, либо за счет передачи ей тепла. Рассмотрим газ, сжимаемый в сосуде поршнем под действием силы F (рис.). Пусть под действием этой силы поршень переместился на расстояние dh, сжав газ. Работа силы на пути dh dA = Fdh.

Разделив величину силы на площадь поршня, получим давление P, а умножив на S, получим изменение объема газа dV . Таким образом, производимая над газом работа

dA= PdV. (2.30)

Такую же по величине работу совершает газ при расширении, перемещая поршень. При этом dV положительно, если газ расширяется, и отрицательно при сжатии газа. Соответственно работа dA положительна или отрицательна: в первом случае система производит работу сама, во втором — внешние силы производят работу над системой.

Графически процесс изменения состояния газа при его расширении или сжатии изображается на кривой P, V участком 1-2 на рис. Полная работа, совершаемая газом, при расширении от V1до V2:

. (2.31)

Эта работа численно равна заштрихованной площади, заключенной под кривой P(V).

Рассмотрим способы передачи телу тепла. При соприкосновении тел либо при взаимодействии тел через излучение, изменение внутренней энергии происходит за счет передачи энергии хаотически движущихся частиц одного тела частицам другого.

Энергия, передаваемая от одного тела другому, представляет собой теплоту. Обозначим ее через Q. Теплота измеряется в тех же единицах, что и энергия.

Связь между переданным теплом, изменением внутренней энергии системы и произведенной работой выражается уравнением

dQ = dE + dA = dE + PdV. (2.32)

Это уравнение представляет собой закон сохранения энергии применительно к механической и тепловой энергии макроскопических тел. Он получил название первого начала термодинамики.

Важно учесть, что в выражении (2.32) работа и количество тепла не есть полные дифференциалы каких-либо величин, в то время как внутренняя энергия является таковой. Можно говорить о внутренней энергии в данном состоянии, а не о количестве тепла или работы, которыми обладает тело. Нельзя делить энергию тела на тепловую и механическую, речь идет лишь об изменении внутренней энергии тела за счет количества тепла, переданного ему или отданного им, и количества совершенной работы. Это разделение неоднозначно и зависит от начального и конечного состояний тела и от характера совершаемого процесса. Поэтому, например, в процессе перехода из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии может быть равно нулю, а тело при этом может приобрести или потерять энергию.

Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 307;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

На предыдущем уроке мы уже узнали, от чего зависит внутренняя энергия. Теперь попытаемся разобраться, как её можно изменить. При повышении температуры увеличивается скорость движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия и внутренняя энергия тела. И, наоборот: при понижении температуры, внутренняя энергия уменьшается.

Проведем маленький эксперимент. Возьмем деревянные палочки и потрём их друг о друга. Через некоторое время они нагреются, а, следовательно, их внутренняя энергия увеличится. То же самое произойдёт и при ударе. Нетрудно догадаться, что при деформации тело тоже нагревается, так как деформация может являться следствием удара. Во всех этих случаях, над телом совершалась та или иная работа. Значит, увеличение внутренней энергии происходит при совершении работы над телом.

Рассмотрим другой пример. В стеклянный сосуд бросим несколько горящих спичек, а на горлышко сосуда положим варёное яйцо. Через некоторое время спички потухнут, в результате чего воздух начнёт остывать. Из-за этого яйцо засосет внутрь. Это произойдет из-за того, что давление внутри сосуда понизится и будет не достаточным, чтобы сдерживать давление снаружи. Из этого можно сделать вывод, что внутренняя энергия воздуха внутри сосуда уменьшилась. Заметим, что понижение давления произошло из-за сжатия воздуха при понижении температуры, то есть, воздух совершил работу. Следовательно, уменьшение внутренней энергии происходит, когда тело само совершает работу.

Однако, изменить внутреннюю энергию можно и путём теплопередачи.

Нальём воду в чайник, и нагреем.

Для того, чтобы вода закипела, мы должны сообщить ей некоторое количество теплоты, то есть, произвести теплопередачу. Чем дольше продолжается теплопередача, тем больше становится температура воды и её внутренняя энергия. Через некоторое время вода закипит, а, значит, её внутренняя энергия увеличится.

Проведем ещё один эксперимент. Нальем в кружку горячий чай. Через некоторое время кружка нагреется, а чай, напротив, остынет, а, значит, его внутренняя энергия уменьшится.

Дело в том, что в этом случае, чай сам совершил теплопередачу, а именно, — нагрел кружку и часть окружающего воздуха.

Как видим, теплопередача всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается. Способами теплопередачи являются теплопроводность, конвекция и излучение. О них мы поговорим на следующих уроках.

Итак, изменить внутреннюю энергию тела можно с помощью механической работы или теплопередачи.

Упражнения.

Изменится ли внутренняя энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить в воздух?

Нет, потому что бросок не изменил ни температуру мяча, ни его агрегатное состояние. Над мячом не была совершена работа, и сам мяч не совершал работы. Теплопередача тоже отсутствовала, поэтому внутренняя энергия меча не изменилась.

Изменится ли внутренняя энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить так, чтоб он отскочил от потолка?

Да, потому что при ударе о потолок мяч на время деформируется, а, следовательно, его внутренняя энергия возрастёт, так как над мячом была совершена работа.

Изменится ли внутренняя энергия льда, если его растопить?

Конечно. Ведь растопить лед — значит, превратить его в воду, а это изменение агрегатного состояния, да и температуры тоже. Кроме того, чтобы растопить лёд нужно осуществить теплопередачу.

Изменится ли внутренняя энергия кусочка мела, если провести им по доске? Конечно. Ведь мел пишет только тогда, когда трение достаточно велико, а трение, как мы помним из примера, совершает работу над телом. Кроме того, часть мела останется на доске. Это изменит количество молекул, содержащихся в данном кусочке, а, как мы помним, внутренняя энергия тела — это суммарная энергия всех молекул этого тела.

676. Является ли тепловым движением вращение искусственного спутника вокруг Земли?
Нет, не является. Тепловое движение – это беспорядочное движение молекул и атомов, из которых состоит тело.

677. Движение молекул газа можно назвать тепловым движением? Тепловое движение – это процесс хаотичного движения частиц. Молекулы газа движутся хаотично, поэтому их движение можно назвать тепловым.

678. Можно ли сказать, что явление диффузии вызвано тепловым движением? Тепловое движение – это процесс хаотичного движения частиц в веществе. Диффузия – процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества в другое. Процесс взаимного проникновения вызван хаотичным движением атомов и молекул, следовательно, явление диффузии вызвано тепловым движением.

679. Что происходит с тепловым движением при повышении температуры?
При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается.

680. Изменится ли кинетическая и потенциальная энергии молекул воды в плотно закупоренной банке с холодной водой, если ее погрузить в горячую воду?
Температура в банке будет увеличиваться за счет явления теплообмена, тем самым увеличивая кинетическую энергию. Потенциальная энергия останется неизменной, так как она зависит от расстояния между молекулами, а оно не изменяется.

681. Свободно падающий мяч, ударившись об асфальт, опять подскакивает, но никогда не поднимается до начальной высоты, с которой упал. Почему?
Потому что кинетическая энергия мяча тратится на преодоление сопротивления воздуха и сил земного тяготения.

682. Вверх подбрасывают монетку. Какие превращения энергии происходят при подъеме монетки? при ее падении? в момент удара об асфальт?
При увеличении высоты подъема монетки возрастает ее потенциальная энергия, а кинетическая убывает. В наивысшей точке потенциальная энергия максимальна, а кинетическая минимальна. При начале падения кинетическая энергия возрастает, а потенциальная убывает. В момент перед ударом кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна. При ударе происходит преобразование части энергии в тепло, а также в энергию деформации.

683. Почему при ударе об асфальт монетка нагревается?
Потому что часть энергии монетки переходит в тепловую.

Видео удалено.

Видео (кликните для воспроизведения).

684. В один стакан налита горячая вода, в другой – холодная вода той же массы. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией?
В стакане с горячей водой молекулы двигаются быстрее, чем в холодной. Поэтому горячая вода обладает большей внутренней энергией.

685. Приведите примеры изменения внутренней энергии тел при их сжатии.
Нагревание воздуха в поршне насоса.

686. Как меняется внутренняя энергия тел при трении? Приведите примеры.
Увеличивается. Заточка ножа на точильном камне; трение шин автомобиля при торможении.

687. Меняется ли внутренняя энергия тел при ударе? Приведите примеры.
При ударе внутренняя энергия тел увеличивается. Работа молотка; отскок мяча от пола.

688. Почему происходит изменение внутренней энергии пружины при ее сжатии?
При сжатии пружины возрастает ее потенциальная энергия. Следовательно, внутренняя энергия возрастает.

689. Происходит ли изменение внутренней энергии газа при его расширении?
При расширении газ производит работу против внешних сил, внутренняя энергия его при этом уменьшается.

690. Что происходит с внутренней энергией жидких и твердых тел при их нагревании?
Происходит увеличение внутренней энергии за счет увеличения скорости движения частиц.

691. Меняется ли внутренняя энергия льда при его таянии?
При таянии льда внутренняя энергия увеличивается за счет подвода теплоты излучением и теплопередачей.

692. Сила трения совершает над телом работу. Какие признаки свидетельствуют об изменении внутренней энергии тела?
При совершении работы трения тело нагревается, кинетическая энергия увеличивается и вызывает увеличение внутренней энергии.

Внутренняя энергия газа Основы термодинамики

Внутренняя энергия газа Первая научная теория тепловых процессов — термодинамическая Возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы в середине XIX века, еще задолго до признания МКТ. В настоящее время Тепловые явления Термодинамика Молекулярно-кинетическая теория

Внутренняя энергия газа Молекулярно-кинетическая теория Термодинамика изучают — раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Различными методами Одни и те же явления

Внутренняя энергия газа Термодинамика главное содержание выражается Устанавливается опытным путем Касаются поведения энергии два основных законах Справедливы для всех видов веществ независимо от их внутреннего строения

Внутренняя энергия газа Тепловые явления изучение МКТ Термодинамика Статистический метод Статистическая механика Термодинамический метод Использование законов термодинамики

Внутренняя энергия газа XIX век Макроскопические тела Механическая энергия Энергия, заключенная внутри самих тел Внутренняя энергия

Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия Шайба, скользящая по льду Нагрев воды в пробирке, закрытой пробкой Переход Ek -> Eвнутренняя Переход Eвнутренняя -> Eк

Внутренняя энергия газа МКТ Внутренняя энергия Макроскопического тела Суммарная кинетическая энергия беспорядочного движения всех молекул относительно центра масс тела Потенциальная энергия взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел!!!).

Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия Вычислить – невозможно! Одноатомный газ – газ, состоящий из отдельных атомов, а не из молекул. Инертные газы: гелий, неон, аргон и другие. Определяют значение внутренней энергии или ее изменение в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить

Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия одноатомного идеального газа Идеальный газ – газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом, то есть их Eп = 0 Для 1 атома: Число атомов: Получаем: U = Ek — универсальная газовая постоянная

Внутренняя энергия газа Внутренняя энергия одноатомного идеального газа пропорциональна абсолютной температуре: Не зависит от объема и других макроскопических параметров!!!

Внутренняя энергия газа Изменение внутренней энергии происходит только при изменении температуры:

Внутренняя энергия газа Увеличение массы m газа приводит к увеличению его внутренней энергии Зависит от рода газа, так как чем больше M, тем меньше атомов содержится в газе данной массы

Внутренняя энергия газа Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то: Изменяется лишь коэффициент пропорциональности между U и T. i – число степеней свободы молекулы Число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекулы.

Внутренняя энергия газа Реальные газы, жидкости и твердые тела: — зависит от объема вещества, так как при изменении объема изменяется среднее расстояние между молекулами Внутренняя энергия в термодинамике в общем случае зависит не только от температуры (T), но и от объема (V). Внутренняя энергия (U) макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: температурой (T) и объемом (V)

Задание Моль какого газа (водорода или гелия) имеет большую внутреннюю энергию при одинаковой температуре?

Внутренняя энергия газа Может изменяться: При деформации При тепловых процессах Тепловые процессы – процессы, связанные с изменением как температуры тела, так и его агрегатного состояния – плавлением или отвердеванием, испарением или конденсацией. При химических реакциях Силы взаимодействия между атомами изменяются Энергии взаимодействия атомов Характер движения и взаимодействия молекул При ядерных реакциях

Внутренняя энергия газа Способы изменения Совершение работы Теплопередача (теплообмен) Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. мера передачи энергии количество теплоты — это энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена.

Задачи 1. В одном стакане находится горячая вода, в другом – холодная. В каком случае вода обладает большей внутренней энергией? 2. Спичка воспламеняется при трении ее головки о коробок. Объяснить это явление. 3. Объяснить возрастание скорости диффузии с повышением температуры. 4. Почему радиаторы центрального отопления ставят обычно под окнами? 5. Почему зимой на улице металл на ощупь кажется холоднее дерева? 6. В стакан налит горячий чай. Как осуществляется теплообмен между чаем и стенками стакана? 7. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена 8. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально? 9. Зачем канализационные и водопроводные трубы зарывают в землю на значительную глубину? 5. 1. 1 Найдите внутреннюю энергию 5 моль водорода при 20 °С. 5. 1. 2. Как изменится внутренняя энергия 500 г кислорода при его нагревании на 15 °С.

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Древние времена человек теплота Возникла наука — термодинамика ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ работа

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Тепловая машина Джеймс Уатт (Ватт) – шотландский изобретатель, создатель универсального парового двигателя. Джеймс Уатт 19. 01. 1736 г. – 19. 08. 1819 г. Исследовал свойства водяного пара, в частности зависимость температуры насыщенного пара от давления. Детальное изучение паровой машины Ньюкомена привело его к введению в неё многих усовершенствований.

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Схема уаттовской паровой машины двойного действия

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Работа в механике A = F∙∆l∙cosα A – работа ∆l – перемещение тела F — сила α – угол между силой и направлением перемещения Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменении его кинетической энергии.

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Работа в термодинамике Движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друга. Меняется объем тела, его скорость остается равной нулю Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Работа в термодинамике F’ – сила, с которой сам газ действует на поршень; F – сила, с которой поршень действует на газ; По 3 закону Ньютона: F’=-F А’–работа, совершаемая газом; A-работа, совершаемая внешними телами над газом.

Работа как мера изменения внутренней энергии системы Работа в термодинамике A’ = p∙∆V – работа, совершаемая газом. Положительная. A = — p∙∆V – работа, совершаемая внешними телами над газом. Отрицательная.

Домашнее задание

Видео удалено.

Видео (кликните для воспроизведения).

Источники:

  1. Марченко, М.Н. Проблемы теории государства и права. Учебник / М.Н. Марченко. — М.: Норма, 2017. — 415 c.

Изменение внутренней энергии происходит при

Оценка 5 проголосовавших: 1

Приветствую Вас на нашем сайте. Я Артем Черных. Я уже более 6 лет работаю юрисконсультом. В настоящее время являюсь специалистом в этом направлении, хочу подсказать всем посетителям сайта как решать сложные и не очень задачи.
Все материалы для сайта собраны и тщательно переработаны с целью донести как можно доступнее всю нужную информацию. Однако чтобы применить все, описанное на сайте всегда необходима консультация с профессионалами.

Способы изменения внутренней энергии

?

Что называется внутренней энергией тела?

?

От чего зависит внутренняя энергия?

?

Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

2. Почему, если быстро скользить вниз по канату или шесту, можно обжечь руки?

1. Почему пила нагревается, если ею пилить длительное время?

3. Почему при вбивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку?

4. Зимой в теплую комнату внесли бутылку, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка вылетела. За счёт чего у пробки появилась кинетическая энергия?

Вывод : Во всех рассмотренных случаях изменение внутренней энергии( U) происходило за счёт совершения механической работы (A).

Если само тело совершает работу, то происходит охлаждение тела, это приводит к уменьшению внутренней энергии

Если над телом совершают работу, то происходит нагревание тела, это приводит к увеличению внутренней энергии

Итак , механическая работа(А) является мерой изменения внутренней энергии (U)

A= ∆U

Если над телом совершают работу, то она – величина положительная

Если само тело совершает работу, то она – величина отрицательная

1. Почему электрические утюги, обогреватели, печи, батареи центрального отопления способны изменить внутреннюю энергию тел ,с которыми они находятся в контакте?

2. Почему нагревается металлическая ложка, находящаяся в стакане с горячим чаем?

В рассмотренных случаях изменение внутренней энергии тела происходит с помощью теплообмена

Теплообменом называется процесс передачи внутренней энергии от одного тела к другому, или от одной части тела к другой без совершения механической работы.

Рассмотрим опыт

Теплопроводностью называется вид теплопередачи, при котором энергия передается от одних частей тела к другим, либо от одного тела к другому в следствии хаотического движения молекул.

1. Почему кастрюли, чайники, наполненные жидкостью, подогревают снизу?

2. Почему батареи центрального отопления помещают всегда внизу ?

Конвекция это вид теплопередачи, при котором передача энергии происходит при перемешивании неравномерно нагретых слоев жидкости или газа, под действием силы тяжести .

Как осуществляется теплообмен между Землёй и Солнцем?

Излучением(или лучистым теплообменом) называется вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитного излучения, создаваемого движением электрических зарядов и резко возрастающего при повышении температуры.

Излучение тела , которое определяется только его температурой , называется тепловым излучением .

Этот вид теплообмена может проходить при отсутствии вещества между телами. Излучение зависит также от цвета поверхности тел. Тела ,имеющие светлую и зеркальную поверхность, отражают большую часть падающей энергии. Тела, имеющие темную поверхность, поглощают большую часть падающей энергии.

Q = ∆ U

Количество теплоты должно измеряться в тех же единицах , что энергия и работа, т.е. в Дж (джоулях)

В СИ [ Q] = 1 Дж

[ Q] = 1 кал ; 1 кал ≈ 4,2 Дж; 1Дж ≈ 0,24 кал

Внутренняя энергия | Физика

В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Но когда говорят об этих видах энергии, то обычно приводят примеры крупных, заметных глазу тел: движущегося поезда, летящего футбольного мяча, поднятого камня. Привыкнув связывать представление об энергии с подобными примерами, довольно трудно бывает перейти к явлениям в мире микрочастиц. Однако движение происходит и во внутреннем мире тела. Так, еще М. В. Ломоносов писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит. Кто будет отрицать, что движутся листья и ветви в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах, вследствие малости частичек вещества, движение скрывается от взоров.»

А вот выдержка из трудов известного английского физика и химика Роберта Бойля: «Когда кузнец поспешно выковывает гвоздь или какую-нибудь вещь из железа, металл при этом необыкновенно сильно нагревается, и так как здесь, кроме сильных ударов молотка, ничего особенного не происходит, то эти удары приводят частицы железа в движение; железо, будучи предварительно холодным, делается теплым благодаря внутренним движениям частиц». И дальше: «При вколачивании гвоздя в дерево шляпка его только после большого числа ударов молотка немного нагревается. Но когда гвоздь вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку. Действительно, в первом случае каждый удар молотка вгоняет гвоздь в дерево, производя, таким образом, поступательное движение всего гвоздя по известному направлению. Во втором случае, когда движение гвоздя прекратилось, эти удары, не будучи способны ни к тому, чтобы дальше вгонять гвоздь, ни к тому, чтобы разбить его на части, идут только на то, чтобы приводить в движение частицы гвоздя, а это движение и составляет сущность теплоты.»

Молекулы находятся в движении, т. е. обладают кинетической энергией. Между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания; молекулы обладают и потенциальной энергией. Подсчитать энергию этого беспорядочного движения огромного множества частиц, а тем более учесть потенциальную энергию каждой из них и всех в целом невозможно, однако ясно, что все эти внутренние движения и внутренние силы слагаются в какую-то общую сумму, с которой мы и связываем понятие внутренней энергии тела. Внутренней энергией тела называют, таким образом, сумму кинетической и потенциальной энергии его частиц. Измерить можно лишь изменение внутренней энергии, а не всю энергию тела.

Изменение внутренней энергии происходит, например, при нагревании тела. При этом энергия передается от горячего тела холодному.

Другой пример изменения внутренней энергии — изменение агрегатного состояния вещества. При плавлении (отвердевании) и испарении (конденсации) температура тела не изменяется. Температура льда во время плавления остается 0°C и в том случае, когда сосуд со льдом стоит на горячей плите; вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100°C, и эта температура во время кипения не изменяется. Поскольку температура тела не изменилась, следовательно, не изменилась и кинетическая энергия молекул льда и воды. Подводимая к ним извне энергия превратилась во внутреннюю потенциальную энергию, зависящую от расположения молекул и расстояния между ними.

Изменить состояние вещества можно и без затраты теплоты. Укрепите на столе использованный ружейный патрон, налейте в него воды и закупорьте пробкой (рис. 113). Обмотав патрон несколько раз веревкой, начинайте тянуть веревку за концы то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время вода в патроне нагреется, закипит и пар выбросит пробку. В этом примере была затрачена механическая энергия.

В том, что вода обладает большей энергией, чем лед, их которого она образовалась, а пар — большей энергией по сравнению с водой, легко убедиться, определив количество энергии, выделяющейся в процессе затвердевания тела или конденсации пара. Если взять воду при 0°С и пытаться ее охлаждать, то можно заметить, что температура ее меняться не будет, пока вся вода не превратится в лед. Количество энергии, выделяющейся при отвердевании, или, как говорят, количество теплоты, равно 385 Дж на 1 г.

При конденсации 1 г пара при 100°C выделяется количество теплоты, равное 2555 Дж. Теплота, выделяемая при конденсации, играет огромную роль в природе. Когда атмосферный воздух насыщен парами, то при небольшом понижении температуры легко образуется роса и выделяющаяся при этом теплота парообразования, равна 2555 кДж/кг, предохраняет воздух от дальнейшего охлаждения.

Понятие энергии относится всегда к системе тел или частиц тела. Нельзя считать, что потенциальной энергией может обладать какое-нибудь одно тело или одна частица без связи с другими телами и с другими частицами. Нельзя говорить о потенциальной энергии камня безотносительно к Земле. Неверно также полагать, что летящий мяч или снаряд обладает кинетической энергией сам по себе, а не по отношению к какому-нибудь телу. При всяком изменении формы или объема тела изменяется внутренняя энергия тела. Если при этом не изменяется температура (кинетическая энергия частиц), то изменяется потенциальная энергия частиц тела. Обычно одновременно изменяются и кинетическая, и потенциальная энергия частиц тела.

Потенциальная энергия частиц тела изменяется не только при плавлении и парообразовании, но и при раскалывании твердого тела и измельчении в порошок. Затраченная энергия расходуется на разрыв связей между молекулами, т. е. энергия передается ограниченному числу молекул.

Некоторое сходство с этим можно усмотреть в растяжении упругой пружины: энергия, затраченная на преодоление упругих сил, преобразуется в потенциальную энергию частиц растянутой пружины. Точно так же и разъединенные частицы измельченного тела обладают большей потенциальной энергией.

Энергия частиц измельченного тела используется в технике в ряде явлений, объединяемых общим названием «сорбция». Разорванные внутренние связи создают так называемое «силовое поле поверхности». За счет энергии этого поля происходит активация угля, улавливание таких дорогих растворителей, как ацетон, эфир, процесс флотации (обогащение руд).

Вот несколько вопросов для самопроверки.

  1. Во время падения камня с некоторой высоты на землю общая сумма потенциальной и кинетической энергии в любой точке пути остается постоянной. Куда девалась эта энергия, когда камень оказался на земле?
  2. Шар, наполненный водородом, поднялся на некоторую высоту и там сгорел. Откуда берется энергия для подъема шара и куда она девается в случае его сгорания?
  3. Кусок цинка подвешен на нити в стакане с серной кислотой. Через некоторое время цинк растворился. Куда делась его потенциальная энергия?

В заключение посоветуем прочитать в книге «Занимательная механика» Я. Перельмана статью об «энергии растворенной пружины» — она поможет вам разобраться в поставленных вопросах.

Конечно, энергия сгоревшего шара, растворенного цинка, растворенной пружины не могла исчезнуть. Но где она?

Способы изменения внутренней энергии

На предыдущем уроке мы
уже узнали, от чего зависит внутренняя энергия. Теперь попытаемся разобраться,
как её можно изменить. При повышении температуры увеличивается скорость
движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия и
внутренняя энергия тела. И, наоборот: при понижении температуры, внутренняя
энергия уменьшается.

Проведем маленький
эксперимент. Возьмем деревянные палочки и потрём их друг о друга. Через
некоторое время они нагреются, а, следовательно, их внутренняя энергия
увеличится. То же самое произойдёт и при ударе. Нетрудно догадаться, что при деформации
тело тоже нагревается, так как деформация может являться следствием удара. Во
всех этих случаях, над телом совершалась та или иная работа. Значит,
увеличение внутренней энергии происходит при совершении работы над телом.

Рассмотрим другой пример.
В стеклянный сосуд бросим несколько горящих спичек, а на горлышко сосуда
положим варёное яйцо. Через некоторое время спички потухнут, в результате чего
воздух начнёт остывать. Из-за этого яйцо засосет внутрь. Это произойдет из-за
того, что давление внутри сосуда понизится и будет не достаточным, чтобы
сдерживать давление снаружи. Из этого можно сделать вывод, что внутренняя
энергия воздуха внутри сосуда уменьшилась. Заметим, что понижение давления
произошло из-за сжатия воздуха при понижении температуры, то есть, воздух
совершил работу. Следовательно, уменьшение внутренней энергии происходит,
когда тело само совершает работу.

Однако, изменить
внутреннюю энергию можно и путём теплопередачи.

Нальём воду в чайник, и
нагреем.

Для того, чтобы вода
закипела, мы должны сообщить ей некоторое количество теплоты, то есть, произвести
теплопередачу. Чем дольше продолжается теплопередача, тем больше становится
температура воды и её внутренняя энергия. Через некоторое время вода закипит,
а, значит, её внутренняя энергия увеличится.

Проведем ещё один
эксперимент. Нальем в кружку горячий чай. Через некоторое время кружка
нагреется, а чай, напротив, остынет, а, значит, его внутренняя энергия
уменьшится.

Дело в том, что в этом случае,
чай сам совершил теплопередачу, а именно, — нагрел кружку и часть окружающего
воздуха.

Как видим, теплопередача
всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой
температурой.
Когда температуры тел выравниваются, теплопередача
прекращается. Способами теплопередачи являются теплопроводность, конвекция и
излучение.
О них мы поговорим на следующих уроках.

Итак, изменить внутреннюю
энергию тела можно с помощью механической работы или теплопередачи.

Упражнения.

Изменится ли внутренняя
энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить в воздух?

Нет, потому что бросок не
изменил ни температуру мяча, ни его агрегатное состояние. Над мячом не была
совершена работа, и сам мяч не совершал работы. Теплопередача тоже
отсутствовала, поэтому внутренняя энергия меча не изменилась.

Изменится ли внутренняя
энергия мяча, если, находясь в комнате, его подбросить так, чтоб он отскочил от
потолка?

Да, потому что при ударе
о потолок мяч на время деформируется, а, следовательно, его внутренняя энергия
возрастёт, так как над мячом была совершена работа.

Изменится ли внутренняя
энергия льда, если его растопить?

Конечно. Ведь растопить
лед — значит, превратить его в воду, а это изменение агрегатного состояния, да
и температуры тоже. Кроме того, чтобы растопить лёд нужно осуществить
теплопередачу.

Изменится ли внутренняя
энергия кусочка мела, если провести им по доске? Конечно. Ведь мел пишет только
тогда, когда трение достаточно велико, а трение, как мы помним из примера,
совершает работу над телом. Кроме того, часть мела останется на доске. Это
изменит количество молекул, содержащихся в данном кусочке, а, как мы помним,
внутренняя энергия тела — это суммарная энергия всех молекул этого тела.

Внутренняя энергия тела

Что такое внутренняя энергия тела

Любое тело или предмет обладают энергией. Например, летящий самолет или падающий шар обладают механической энергией. В зависимости от взаимодействия с внешними телами различают два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладают все предметы, которые тем или иным способом движутся в пространстве. Это самолет, птица, летящий в ворота мяч, перемещающийся автомобиль и др. Вторым видом механической энергии является потенциальная. Этой энергией обладают, например, поднятый камень или мяч над поверхностью земли, сжатая пружина и т.п. При этом кинетическая энергия тела может переходить в потенциальную и наоборот.

Самолеты, вертолет и дирижабль обладают кинетической энергией

Сжатая пружина обладает потенциальной энергией

Рассмотрим пример. Тренер поднимает мяч и держит его в руках. При этом мяч обладает потенциальной энергией. Когда тренер бросает мяч на землю, то у него появляется кинетическая энергия, пока он летит. После того, как мяч отскакивает,  также происходит перетекание энергии до тех пор, пока мяч не будет лежать на поле. В этом случае и кинетическая и потенциальная энергии равны нулю. Но у мяча при этом повысилась внутренняя энергия молекул из-за взаимодействия с полем.

Но существует еще внутренняя энергия молекул тела, например, того же мяча. Пока мы его перемещаем или поднимаем, внутренняя энергия не изменяется. Внутренняя энергия не зависит от механического воздействия или движения, а зависит только от температуры, агрегатного состояния и других особенностей.

В каждом теле имеется множество молекул, они могут обладать как кинетической энергией движения, так и потенциальной энергией взаимодействия. При этом внутренняя энергия является суммой энергий всех молекул тела.

Как изменить внутреннюю энергию тела

Внутренняя энергия зависит от скорости движения молекул в теле. Чем быстрее они движутся, тем выше энергия тела. Обычно это происходит при нагревании тела. Если же мы его охлаждаем, то происходит обратный процесс  — внутренняя энергия уменьшается.

Если мы нагреваем кастрюлю при помощи огня (плиты), то мы совершаем над этим предметом работу и, соответственно, изменяем его внутреннюю энергию.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя основными способами. Совершая работу над телом, мы увеличиваем его внутреннюю энергию и наоборот, если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Вторым способом изменения внутренней энергии является процесс теплопередачи. Обратите внимание, что во втором варианте над телом не совершается работы. Так, например, нагревается стул зимой, стоящий рядом возле горячей батареи. Теплопередача всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой.

Таким образом, зимой нагревается воздух от батарей. Проведем небольшой эксперимент, который можно выполнить в домашних условиях. Наберите стакан горячей воды и поставьте его в чашу или контейнер с холодной. Через время температура воды в обоих сосудах станет одинаковой. Это и является процессом теплопередачи, то есть изменения внутренней энергии без совершения работы. Существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

37. Внутренняя энергия

915. Закрытую пробирку погрузили в горячую воду. Изменилась ли кинетическая и потенциальная энергия молекул воздуха в пробирке? Если изменилась, то как?
Согласно MKT температура газа пропорциональна средней кинетической энергии молекул. Соответственно кинетическая энергия молекул увеличится. Потенциальная энергия останется неизменной, так как она зависит от расстояния между молекулами.

916. Две одинаковые колбы соединены с одинаковыми манометрами (рис. 254 и 255). Одну колбу опустили в сосуд с горячей водой, а другую — в сосуд с холодной. При этом уровни поверхности жидкости в манометрах изменились (относительно штриховой линии) и установились так, как показано на рисунках. Определите, в каком сосуде температура воды выше. В какой колбе кинетическая энергия молекул воздуха увеличилась?
В сосуде В температура больше, чем в сосуде А. Кинетическая энергия молекул в нем увеличилась.

917. По условиям предыдущей задачи определите: а) в какой колбе внутренняя энергия воздуха увеличилась, в какой — уменьшилась; б) в какой колбе внутренняя энергия воздуха изменилась больше относительно первоначального значения, а в какой — меньше; в) в каком манометре механическая работа, произведенная по подъему жидкости, больше; г) за счет какой энергии совершалась механическая работа по подъему жидкостей в манометрах. 
а) внутренняя энергия воздуха увеличилась в сосуде В.
б) в сосуде В внутренняя энергия изменилась больше относительно первоначального уровня.
в) в манометре, соединенном с сосудом В, механическая работа, произведенная по поднятию жидкости, больше.
г) за счет разности сил давления атмосферного воздуха и воздуха в колбе.

918. В один стакан налита холодная вода, в другой — столько же кипятка. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией?
В стакане с кипятком.

919. Два медных бруска одинаковой формы и массами 100 и 500 г были взяты при комнатной температуре и погружены в кипящую воду на одинаковое время. Изменилась ли их внутренняя энергия? Одинаково ли изменилось значение внутренней энергии этих брусков относительно друг друга? Ответы объясните.
Да; нет: у бруска массой 0,5 кг численное значение внутренней энергии увеличилось больше, чем у бруска массой 0,1 кг. Изменение внутренней энергии тем больше, чем больше число молекул в образце.

920. В сосуде нагрели воду. Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась? Можно ли сказать, что воде передано некоторое количество теплоты? Ответы объясните.
Да, поскольку внутренняя энергия зависит от температуры.
Да, поскольку для изменения внутренней энергии системы необходимо сообщить ей некоторое количество теплоты.

921. После обработки на точильном круге зубило становится горячим. Зубило, вынутое из горна, тоже горячее. Одинакова ли причина повышения температуры?
Причины повышения температуры имеют различный характер. В первом случае температура повысилась за счет совершения работы, во втором — за счет теплопередачи.

922. В закрытой трубке находится капля ртути (рис. 256). Трубку с одного конца нагрели. Объясните, за счет какой энергии совершается работа по перемещению ртути в трубке.
За счет изменения внутренней энергии воздуха в трубке.

923. При трении головки спички о коробок спичка воспламеняется. Объясните явление.
При трении температура повышается, и становится возможна химическая реакция с выделением теплоты.

924. Спичка загорается при трении ее о коробок. Она вспыхивает и при внесении ее в пламя свечи. В чем сходство и различие причин, приведших к воспламенению спички в обоих случаях?
Сходства: спичка загорелась при повышении температуры ее головки.
Различия: в первом случае температура повысилась за счет работы силы трения, во втором — за счет полученной теплоты Q от пламени свечи.

925. Можно ли сказать (см. предыдущую задачу), что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась; что ей передано некоторое количество теплоты; что она нагрелась до температуры воспламенения?
Первое и третье утверждения верны во всех случаях; второе — только когда спичку внесли в пламя.

926. Почему врач, поставив медицинский термометр больному, смотрит показание термометра не раньше, чем через 5—7 мин?
Требуется время для того, чтобы сравнялись температуры термометра и тела посредством теплопередачи.

927. Какие превращения энергии происходят в опыте (рис. 257)?
Внутренняя энергия топлива горелки передается системе вода-пар, и внутренняя энергия воды и пара увеличивается, а та в свою очередь переходит в механическую энергию вылетевшей пробки.

928. Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. За счет чего увеличивается его потенциальная энергия?
Пренебрегая силой сопротивления, сумма потенциальной энергии воды и потенциальной и кинетической энергий пузырька должна быть постоянной. Следовательно, потенциальная энергия пузырька за некоторый промежуток времени увеличивается на такую величину, на которую уменьшается потенциальная энергия воды.

929. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при сжатии и расширении воздуха; б) при нагревании воды в кастрюле; в) при сжатии и растяжении резины; г) при таянии льда. 
а) за счет изменения потенциальной энергии молекул газа, она зависит от расстояния между ними.
б) за счет изменения кинетической энергии молекул воды.
в)см. пункт а).
г) см. пункт б).

930. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы при: трении, ударе, сжатии.
При трении ножа о точило температура ножа увеличивается, его внутренняя энергия также увеличивается. При ударе молотка по гвоздю температура и внутренняя энергия гвоздя увеличиваются. Тоже происходит при сжатии воздуха в велосипедном насосе.

931. В одном сосуде разреженный газ. В другом таком же сосуде — сжатый. В каком сосуде газ имеет большую потенциальную энергию взаимодействия молекул и почему?
Во втором, поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними.

932. Почему пила нагревается, если ею пилить длительное время?
За счет силы трения совершается работа по изменению внутренней энергии пилы.

933. Объясните, на каком физическом явлении основан способ добывания огня трением.
На повышении внутренней энергии и температуры за счет работы силы трения.

934.Почему, если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки?
Сила трения совершает работу по увеличению внутренней энергии и температуры рук.

935. Стеклянную банку с нагретым воздухом поставили на резиновую пленку (от детского надувного шара), укрепленную на обруче тагана-треножника (рис. 258). За счет убыли какой энергии приобрела потенциальную энергию резиновая пленка? Что является причиной деформации пленки?
За счет убыли внутренней энергии в банке, которая перешла в окружающую среду. Причина деформации пленки — разность давлений атмосферы и воздуха в банке.

936. Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках кататься невозможно?
При скольжении по льду внутренняя энергия коньков и льда увеличивается и между ними создается водяная прослойка, уменьшающая силу трения.

937. Почему при вбивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку?
При забивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, поскольку энергия удара расходуется на преодоление сил трения при перемещении гвоздя в дереве. Когда гвоздь уже заколочен, при ударах его шляпка нагревается сильнее, так как энергия удара расходуется главным образом на увеличение внутренней энергии гвоздя.

938. Ответьте на вопросы: а) Какие превращения энергии происходят при торможении движущегося автомобиля? б) Почему вода фонтана не поднимается до уровня воды в воронке (см. рис. 147)? в) Как изменяется внутренняя энергия газа в пузырьке, который всплывает со дна водоема?
а) кинетическая энергия автомобиля расходуется на работу против силы трения и переходит во внутреннюю энергию покрышек и дороги.
б) вода в фонтане не поднимается до уровня воды в воронке, так как часть кинетической энергии расходуется на преодоление трения и в конечном счете переходит во внутреннюю энергию воды и трубки.
в) внутренняя энергия газа в пузырьке, всплывающем со дна водоема, уменьшается по мере подъема пузырька вверх (воздух внутри пузырька совершает работу по увеличению своего объема).

939. Почему шариковые, роликовые и игольчатые подшипники у машин нагреваются меньше, чем подшипники скольжения?
Сила трения в подшипниках скольжения больше.

940. Что является причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы?
Трение спутников об атмосферу Земли.

941. При скоростной обработке металла температура в точках отделения стружки от изделия повышается на 800—900 °С. Объясните причину явления.
При обработке металла его температура увеличивается за счет совершения работы силы трения.

942. При опиловке металла напильником один ученик за 5 мин снял слой толщиной 2 мм. Другой ученик при обработке такой же детали за то же время снял таким же напильником слой толщиной 3 мм. Почему повысилась температура деталей? У кого из учащихся деталь после обработки приобрела более высокую температуру? Почему?
Температура повысилась за счет работы силы трения. У второго ученика деталь нагрелась сильнее, так как он совершил большую работу.

943. Как объяснить, что при откачивании воздуха из баллона внутренняя энергия оставшейся части воздуха уменьшилась?
Внутренняя энергия уменьшается, поскольку при откачивании уменьшается число частиц в баллоне.

944. Две серебряные чайные ложки различной массы опустили в стакан с горячей водой. Будут ли равны температуры ложек и изменения их внутренних энергий через 1 с после погружения; через 0,5 ч?
Их температура будут различными через 1 с и одинаковыми — через 0,5 ч. Изменения внутренней энергии в обоих случаях будут различными.

Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Теплопроводность, конвекция, излучение.

Учителиь физики Никамбаева Г М.

с. Карабулак ОСШ№22

тип сообщение новых знаний

тема: Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Теплопроводность, конвекция, излучение.

  1. Цель: ввести понятие внутренней энергии как суммы кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия и способах её изменения – теплопередача и совершение работы. знание и понимание учащимися видов теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучения;

  2. Задачи:

обучающие: изучение понятия «внутренняя энергия», от чего зависит и не зависит внутренняя энергия тела; способы изменения внутренней энергии тела; ввести понятие «теплопередача» и познакомить м её видами;

развитие умения работать на компьютере, воспринимать информацию Internet;

развивающие: продолжить развитие умения анализировать опыты и делать на их основе выводы, формирование умения работать в группах;

воспитательные: развитие коммуникативной компетенции.

Ход урока

1. Организационный момент

Поприветствовать учащихся;

Проверить санитарно- гигиеническое состояние класса (проветрен ли класс, вымыта доска, наличие мела), если есть не совпадения с санитарно-гигиеническими нормами попросить учеников их исправить вместе с учителем, отметить отсутствующих на уроке.

Отметить отсутствующих на уроке.

Актуализация знаний.

Учитель. Руководство фронтальной работой с текстом 1.Механическая и внутренняя энергия

Ученики. Отвечают на вопросы, систематизируют знания о кинетической и потенциальной энергии тела.

Вопросы:

  1. Какие виды механической энергии существуют?

  2. Какую энергию называют потенциальной? От каких величин она зависит?

  3. Какую энергию называют потенциальной? От каких величин она зависит?

  4. В каком случае кинетическую энергию тела можно считать равной нулю?

Целеполагание.

Учитель. Демонстрирует опыт по превращению одного вида механической энергии в другой «Падение свинцового шарика). 1.Механическая и внутренняя энергия

Ставит проблему: можно ли утверждать, что когда мячик остановится, его энергия исчезнет и нарушится фундаментальный закон природы – закон сохранения энергии?

Мотивирует деятельность учащихся для решения поставленной цели.

Ученики. Наблюдают, понимают проблему и проникаются необходимостью решить её на уроке.

Вопросы:

  1. Какие превращения энергии происходят при подъёме и падении свинцового шара?

  2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их  соударения?

5. объяснение темы

План изложения нового материала:

1. Теплопроводность.

2. Явление конвекции в жидкостях и газах.

З. Излучение.

Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи может производиться по- разному. Различают три вида теплопередачи:

Как вы думаете: что такое теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача? Выслушав ответы, объясняет новый материал.

  1. Теплопроводность (используя ресурс №1 учитель объясняет, что такое теплопроводность).

Теплопроводность – такой тип теплообмена, когда тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содержании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемещается. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие — плохие проводники тепла. Это — различные породы древесины, строительный кирпич, котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теплопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

  1. Конвекция (используется ресурс №2)

Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться (этот опыт проиллюстрирован в презентации). Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, поэтому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жидкость.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это — длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении конвекционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемешивание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности является то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не переносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения — примеры конвекции. Также в качестве примеров конвекции можно привести ветры, которые дуют в земной атмосфере.

3. Излучение или лучистый теплообмен (применяем ресурс №3)

Под излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело является источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отдают в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной температуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

6. Этап понимания

  1. В сосуде нагрели воду. Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась? Ответ поясните.

  2. Два медных бруска одинаковой формы и массами 100г и 500г были взяты при комнатной температуре и погружены в кипящую воду на одинаковое время. Изменилась ли их внутренняя энергия? Одинаково ли изменилось значение внутренней энергии этих брусков относительно друг друга? Ответ поясните.

6.Способы изменения внутренней энергии тела

7. этап закрепления

С целью закрепления изученного материла можно провести краткий опрос-беседу по следующим вопросам:

— Приведите примеры, какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность?

—Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

— Почему конвекция невозможна в твердых телах?

— Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой. Отвечает на вопросы.

  1. Домашнее задание. §4-6. Ответить на вопросы. Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады о применении теплопередачи в природе и технике. Примерными темами докладов могут быть: «Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос», «Виды теплопередачи в быту», «Теплопередача в атмосфере», «Учет и использование видов тепло — передачи в сельском хозяйстве» и др.

6.3: Первый закон термодинамики: внутренняя энергия

Цели обучения

  • Для расчета изменений внутренней энергии

Чтобы изучить поток энергии во время химической реакции, нам нужно различать систему, небольшую, четко определенную часть Вселенной, которая нас интересует (например, химическая реакция), и ее окружение, остальную часть Вселенная, включая контейнер, в котором происходит реакция (Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).В последующем обсуждении смесь химических веществ, которая подвергается реакции, всегда является системой, а поток тепла может исходить от системы к окружающей среде или наоборот.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Система и ее окружение. Система — это та часть Вселенной, которую мы интересуемся изучением, например химическая реакция внутри колбы. Окружающая среда — это остальная часть Вселенной, включая контейнер, в котором происходит реакция.

В химии важны три типа систем.Открытая система может обмениваться материей и энергией с окружающей средой. Кастрюля с кипящей водой — это открытая система, потому что горелка подает энергию в виде тепла, а вещество в виде водяного пара теряется при кипении воды. Замкнутая система может обмениваться энергией, но не веществом, с окружающей средой. Запечатанный пакет готового обеда, брошенный в кастрюлю с кипящей водой, представляет собой закрытую систему, потому что тепловая энергия передается системе от кипящей воды, но не происходит обмен веществ (если пакет не протекает, и в этом случае он больше не закрытая система).Изолированная система не обменивается ни энергией, ни материей с окружающей средой. Между системой и ее окружением всегда происходит обмен энергией, хотя этот процесс может происходить очень медленно. По-настоящему изолированной системы на самом деле не существует. Изолированный термос, содержащий горячий кофе, напоминает изолированную систему, но в конечном итоге кофе остывает, поскольку тепло передается в окружающую среду. Во всех случаях количество тепла, теряемого системой, равно количеству тепла, полученного окружающей средой, и наоборот.То есть полная энергия системы плюс ее окружение постоянна , что должно быть истинным, если энергия сохраняется .

Состояние системы — это полное описание системы в данный момент времени, включая ее температуру и давление, количество вещества, которое она содержит, ее химический состав и физическое состояние вещества. Функция состояния — это свойство системы, величина которого зависит только от текущего состояния системы, а не от ее предыдущей истории.Температура, давление, объем и потенциальная энергия — все это функции состояния. Например, температура духовки не зависит от того, сколько шагов она могла предпринять для достижения этой температуры. Точно так же давление в шине не зависит от того, как часто воздух нагнетается в шину для достижения этого давления, как и конечный объем воздуха в шине. С другой стороны, тепло и работа не являются функциями состояния, поскольку они зависят от пути . Например, автомобиль, стоящий на верхнем уровне гаража, имеет одинаковую потенциальную энергию независимо от того, был ли он поднят краном, установлен там вертолетом, поднят или поднят группой студентов (Рисунок \ (\ PageIndex) {2} \)).Однако объем работы, затраченной на его получение, может сильно различаться в зависимости от выбранного пути. Если бы ученики решили перенести машину на вершину пандуса, они бы выполнили гораздо больше работы, чем если бы они просто подтолкнули машину вверх по пандусу (если, конечно, они не забыли отпустить стояночный тормоз, и в этом случае Затраченные работы существенно увеличились бы!). Однако потенциальная энергия автомобиля одинакова, независимо от того, какой путь они выберут.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Высота как пример функции состояния.Изменение высоты между состоянием 1 (внизу гаража) и состоянием 2 (на верхнем уровне гаража) одинаково для обоих путей A и B; это не зависит от того, какой путь идет снизу вверх. Напротив, пройденное расстояние и работа, необходимая для достижения вершины, действительно зависят от выбранного пути. Высота — это функция состояния, но расстояние и работа — это функции состояния , а не .

Направление теплового потока

Реакция порошкообразного алюминия с оксидом железа (III), известная как термитная реакция, генерирует огромное количество тепла — фактически достаточного для плавления стали (рис. \ (\ PageIndex {3} \)).Сбалансированное химическое уравнение реакции выглядит следующим образом:

\ [\ ce {2Al (s) + Fe_2O_3 (s) -> 2Fe (s) + Al_2O_3 (s)} \ label {5.2.1} \]

Рис. \ (\ PageIndex {3} \): Реакция термитов выделяет столько тепла, что производимое ею железо выходит расплавленным, что делает эту реакцию полезной при сварке. Изображение предоставлено Kingfisher [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], из Wikimedia Commons.

Мы также можем записать это химическое уравнение как

\ [\ ce {2Al (s) + Fe_2O_3 (s) \ rightarrow 2Fe (s) + Al_2O_3 (s)} + \ text {heat} \ label {5.2.2} \]

, чтобы указать, что тепло является одним из продуктов. Химические уравнения, в которых тепло отображается как реагент или продукт, называются термохимическими уравнениями . В этой реакции система состоит из атомов алюминия, железа и кислорода; все остальное, включая контейнер, составляет окружение. Во время реакции выделяется столько тепла, что железо разжижается. В конце концов, система остывает; железо затвердевает по мере передачи тепла в окружающую среду.Процесс, в котором тепло ( q ) передается от системы к ее окружению, описывается как экзотермический. По соглашению \ (q <0 \) для экзотермической реакции.

Когда вы держите кубик льда в руке, тепло из окружающей среды (включая вашу руку) передается в систему (лед), в результате чего лед тает, а ваша рука становится холодной. Мы можем описать этот процесс следующим термохимическим уравнением:

\ [\ ce {heat + H_2O (s) \ rightarrow H_2O (l)} \ label {5.2.3} \]

Когда тепло передается с на системе из ее окружения, процесс является эндотермическим. По соглашению \ (q> 0 \) для эндотермической реакции.

Тепло технически не является компонентом химических реакций

С технической точки зрения, наличие члена \ (тепло \) в химической реакции, как в Уравнениях \ (\ ref {5.2.2} \) и \ (\ ref {5.2.3} \), является плохой формой, поскольку это не настоящий вид в реакции. Однако это удобный подход для представления экзотермического и эндотермического поведения, который обычно используется химиками.

Первый Закон

Связь между изменением энергии системы и ее окружением определяется первым законом термодинамики , который утверждает, что энергия Вселенной постоянна. Математически этот закон можно выразить следующим образом:

\ [U_ {univ} = ΔU_ {sys} + ΔU_ {surr} = 0 \ label {5.2.4a} \]

\ [\ Delta {U_ {sys}} = — ΔU_ {surr} \ label {5.2.4b} \]

, где индексы univ, sys и surr относятся к вселенной, системе и окружению соответственно.Таким образом, изменение энергии системы идентично по величине, но противоположно по знаку изменению энергии ее окружения.

Все системы, химические или другие, имеют тенденцию двигаться к состоянию с наименьшей возможной энергией.

Важным фактором, определяющим исход химической реакции, является тенденция всех систем, химических или иных, двигаться к самому низкому возможному общему энергетическому состоянию. Когда кирпич падает с крыши, его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию; когда он достигает уровня земли, он достигает состояния с более низкой потенциальной энергией.Любой, кто находится поблизости, заметит, что энергия передается в окружающую среду, поскольку шум от удара отражается, и пыль поднимается, когда кирпич падает на землю. Точно так же, если искра воспламеняет смесь изооктана и кислорода в двигателе внутреннего сгорания, диоксид углерода и вода образуются спонтанно, в то время как потенциальная энергия (в виде относительного положения атомов в молекулах) выделяется в окружающую среду в виде тепла и Работа. Содержание внутренней энергии смеси продуктов \ (CO_2 / H_2O \) меньше, чем у смеси реагентов изооктан / \ (O_2 \).Однако эти два случая различаются по форме передачи энергии в окружающую среду. В случае падающего кирпича энергия передается как работа, выполняемая над всем, что оказывается на пути кирпича; в случае сжигания изооктана энергия может выделяться исключительно в виде тепла (если реакция осуществляется в открытом контейнере) или в виде смеси тепла и работы (если реакция осуществляется в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. ). Поскольку тепло и работа — это единственные два способа передачи энергии между системой и ее окружением, любое изменение внутренней энергии системы является суммой переданного тепла (q) и проделанной работы (w):

\ [ΔU_ {sys} = q + w \ label {5.2.5} \]

Хотя \ (q \) и \ (w \) сами по себе не являются функциями состояния, их сумма (\ (ΔU_ {sys} \)) не зависит от пройденного пути и, следовательно, является функцией состояния. Основная задача разработчиков любой машины, преобразующей энергию в работу, состоит в том, чтобы максимально увеличить объем получаемой работы и минимизировать количество энергии, выделяемой в окружающую среду в виде тепла. Примером может служить сжигание угля для производства электроэнергии. Хотя максимальное количество энергии, доступное в процессе, фиксируется содержанием энергии в реагентах и ​​продуктах, доля этой энергии, которая может быть использована для выполнения полезной работы, не фиксирована.

Поскольку мы фокусируемся почти исключительно на изменениях энергии системы, мы не будем использовать «sys» в качестве индекса, если нам не нужно явно различать систему и ее окружение.

Хотя \ (q \) и \ (w \) не являются функциями состояния, их сумма (\ (ΔU_ {sys} \)) не зависит от пройденного пути и, следовательно, является функцией состояния.

Таким образом, согласно первому закону, мы можем определить \ (ΔU \) для любого процесса, если мы можем измерить как \ (q \), так и \ (w \). Теплота \ (q \) может быть рассчитана путем измерения изменения температуры окружающей среды.Работа, \ (w \), может иметь разные формы, но ее тоже можно измерить. Одной из важных форм работы в химии является работа с объемом давления , выполняемая расширяющимся газом. При постоянном внешнем давлении (например, атмосферном)

\ [w = −PΔV \ label {5.2.6} \]

Отрицательный знак, связанный с выполненной работой \ (PV \), указывает на то, что система теряет энергию при увеличении объема. То есть расширяющийся газ действительно воздействует на свое окружение, в то время как газ, который сжимается, воздействует на него окружением.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Проба идеального газа в цилиндре двигателя сжимается от 400 мл до 50,0 мл во время такта сжатия при постоянном давлении 8,00 атм. В то же время 140 Дж энергии передается от газа окружающей среде в виде тепла. Каково полное изменение внутренней энергии (ΔU) газа в джоулях?

Дано : начальный объем, конечный объем, внешнее давление и количество энергии, переданной в виде тепла

Запрошено: общее изменение внутренней энергии

Стратегия:

  1. Определите знак \ (q \) для использования в уравнении \ (\ ref {5.2.5} \).
  2. По формуле \ (\ ref {5.2.6} \) вычислите \ (w \) по заданным значениям. Подставьте это значение в уравнение \ (\ ref {5.2.5} \), чтобы вычислить \ (ΔU \).

Решение

A Из уравнения \ (\ ref {5.2.5} \) мы знаем, что ΔU = q + w. Нам дана величина q (140 Дж), и нам нужно только определить ее знак. Поскольку энергия передается от системы (газа) в окружающую среду, q по соглашению отрицательно.

B Поскольку газ сжимается, мы знаем, что в системе проводятся работы, поэтому \ (w \) должно быть положительным.Из уравнения \ (\ ref {5.2.5} \),

\ [w = -P _ {\ textrm {ext}} \ Delta V = -8,00 \ textrm {atm} (\ textrm {0,0500 L} — \ textrm {0,400 L}) \ left (\ dfrac {\ textrm {101,3 J}} {\ mathrm {L \ cdot atm}} \ right) = 284 \ textrm {J} \]

Таким образом,

\ [\ begin {align *} ΔU & = q + w \\ [4pt] & = −140 \, J + 284 \, J \\ [4pt] & = 144 \, J \ end {align *} \ ]

В этом случае, хотя работа выполняется с газом, увеличивая его внутреннюю энергию, тепло течет из системы в окружающую среду, уменьшая его внутреннюю энергию на 144 Дж.Проделанная работа и переданное тепло могут иметь противоположные знаки.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Образец идеального газа расширяется от начального объема 0,200 л до конечного объема 3,50 л при постоянном внешнем давлении 0,995 атм. При этом 117 Дж тепла передается от окружающей среды к газу. Каково полное изменение внутренней энергии (ΔU) газа в джоулях?

Ответ

−216 Дж

По соглашению (для химиков) и тепловой поток, и работа имеют отрицательный знак, когда энергия передается от системы к ее окружению и наоборот.

Сводка

В химии небольшая часть Вселенной, которую мы изучаем, — это система , а остальная часть Вселенной — это окружение . Открытые системы могут обмениваться как материей, так и энергией со своим окружением, закрытые системы могут обмениваться энергией, но не веществом со своим окружением, а изолированные системы не могут обмениваться ни материей, ни энергией со своим окружением. Функция состояния — это свойство системы, которое зависит только от ее текущего состояния , а не от ее истории.Реакция или процесс, в котором тепло передается от системы к ее окружению, — это экзотермический . Реакция или процесс, в котором тепло передается системе из окружающей среды, — это эндотермический . Первый закон термодинамики гласит, что энергия Вселенной постоянна. Изменение внутренней энергии системы — это сумма переданного тепла и проделанной работы. Тепловой поток равен изменению внутренней энергии системы плюс проделанная фотоэлектрическая работа.Когда объем системы постоянен, изменения ее внутренней энергии можно рассчитать, подставив закон идеального газа в уравнение для ΔU.

Внутренняя энергия — Chemistry LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Уравнения изменения внутренней энергии
  2. Краткие заметки
  3. Внешние ссылки
  4. Участники и атрибуты

Внутренняя энергия системы отождествляется со случайным, неупорядоченным движением молекул; полная (внутренняя) энергия в системе включает потенциальную и кинетическую энергию.Это контрастирует с внешней энергией, которая является функцией образца по отношению к внешней среде (например, кинетическая энергия, если образец движется, или потенциальная энергия, если образец находится на высоте от земли и т. Д.). Символ изменения внутренней энергии — \ (ΔU \).

Энергия в меньшем масштабе

  • Внутренняя энергия включает энергию в микроскопическом масштабе
  • Это сумма всех микроскопических энергий, таких как:
    1. поступательная кинетическая энергия
    2. колебательная и вращательная кинетическая энергия
    3. потенциальная энергия от межмолекулярных сил
Пример

Один грамм воды при 0 ° C по сравнению с 1 граммом меди при 0 ° C НЕ имеют такой же внутренней энергии, потому что, хотя их кинетические энергии равны, вода имеет гораздо более высокую потенциальную энергию, поэтому ее внутренняя энергия намного больше чем внутренняя энергия меди.

Уравнения изменения внутренней энергии

Первый закон термодинамики

ΔU = q + w

, где q — тепло, а w — работа

Изолированная система не может обмениваться теплом или работать с окружающей средой, делая изменение внутренней энергии равным нулю.

ΔU изолированная система = 0

Энергия сохраняется

ΔU система = -ΔU окружение

Признаки внутренней энергии

  • Энергия , входящая в , система ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ (+) , что означает, что тепло поглощено , q> 0 .Таким образом, работа выполнена в системе , w> 0
  • Энергия , выходящая из , система имеет ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ (-) , что означает, что тепло выделяется системой, q <0 и работа выполняется системой, w <0
  • Начиная с Δ U изолирован система = 0, ΔU система = -ΔU окружающая среда и энергия сохраняется .

Краткие заметки

  • Система содержит ТОЛЬКО внутреннюю энергию
  • система НЕ содержит энергии в виде тепла или работы
  • Тепло и работа существуют только при изменении системы
  • Внутренняя энергия — функция состояния

Внешние ссылки

  • Левин Ира Н.«Термодинамическая внутренняя энергия идеального газа жестких роторов». J. Chem. Educ. 1985 : 62, 53.

Авторы и авторство

Внутренняя энергия и энтальпия | Введение в химию

Цель обучения
  • Рассмотреть энтальпию реакции

Ключевые моменты
    • При постоянном объеме теплота реакции равна изменению внутренней энергии системы.
    • При постоянном давлении теплота реакции равна изменению энтальпии системы.
    • Большинство химических реакций происходит при постоянном давлении, поэтому энтальпия чаще используется для измерения теплоты реакции, чем внутренняя энергия.

Условия
  • энтальпия. В термодинамике — мера теплосодержания химической или физической системы.
  • внутренняя энергия Свойство, характеризующее состояние термодинамической системы, изменение которого равно поглощенному теплу за вычетом работы, совершаемой системой.
  • первый закон термодинамики Тепло и работа — это формы передачи энергии; внутренняя энергия замкнутой системы изменяется по мере того, как тепло и работа передаются в нее или из нее.

В термодинамике работа ( W ) определяется как процесс передачи энергии от одной системы к другой. Первый закон термодинамики гласит, что энергия замкнутой системы равна количеству тепла, подводимого к системе, за вычетом количества работы, выполняемой системой над своим окружением.Количество энергии для замкнутой системы записывается следующим образом:

[латекс] \ Delta U = Q — W [/ латекс]

В этом уравнении U — это полная энергия системы, Q — тепло, а Вт — работа. В химических системах наиболее распространенным типом работы является работа давления-объема ( PV ), при которой объем газа изменяется. Подставляя это для работы в приведенное выше уравнение, мы можем определить изменение внутренней энергии для химической системы:

[латекс] \ Delta U = Q-P \ Delta V [/ латекс]

Изменение внутренней энергии при постоянном объеме

Давайте исследуем изменение внутренней энергии [латекс] \ Delta U [/ латекс] при постоянном объеме.При постоянном объеме [латекс] \ Delta V = 0 [/ латекс] уравнение для изменения внутренней энергии сводится к следующему:

[латекс] \ Delta U = Q_V [/ латекс]

Нижний индекс V добавлен к Q , чтобы указать, что это теплопередача, связанная с химическим процессом при постоянном объеме. Однако эту внутреннюю энергию часто очень трудно вычислить в реальных условиях, потому что химики, как правило, проводят свои реакции в открытых колбах и стаканах, которые позволяют газам уходить в атмосферу.Следовательно, объем не поддерживается постоянным, и вычисление [латекс] \ Delta U [/ латекс] становится проблематичным. Чтобы исправить это, мы вводим понятие энтальпии , которое гораздо чаще используется химиками.

Стандартная энтальпия реакции

Энтальпия реакции определяется как внутренняя энергия реакционной системы, плюс произведение давления и объема. Выдается:

[латекс] H = U + PV [/ латекс]

Добавив термин PV , можно измерить изменение энергии в химической системе, даже если эта система действительно воздействует на окружающую среду.Чаще всего нас интересует изменение энтальпии данной реакции, которое можно выразить следующим образом:

[латекс] \ Delta H = \ Delta U + P \ Delta V [/ латекс]

Когда вы запускаете химическую реакцию в лаборатории, реакция происходит при постоянном давлении, потому что атмосферное давление вокруг нас относительно постоянно. Мы рассмотрим изменение энтальпии для реакции при постоянном давлении, чтобы понять, почему энтальпия является таким полезным понятием для химиков.

Энтальпия реакции при постоянном давлении

Давайте еще раз посмотрим на изменение энтальпии для данного химического процесса.Выдается следующим образом:

[латекс] \ Delta H = \ Delta U + P \ Delta V [/ латекс]

Однако мы также знаем, что:

[латекс] \ Delta U = Q-W = Q-P \ Delta V [/ латекс]

Подставляя для объединения этих двух уравнений, получаем:

[латекс] \ Delta H = Q-P \ Delta V + P \ Delta V = Q_P [/ latex]

Таким образом, при постоянном давлении изменение энтальпии просто равно количеству тепла, выделяемого / поглощаемого реакцией. Из-за этой связи изменение энтальпии часто называют просто «теплотой реакции».”

Энтальпия Объяснение того, почему энтальпию можно рассматривать как «теплосодержание» в системе постоянного давления.
Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Энергия, энтальпия и первый закон термодинамики

Энергия, энтальпия и первый закон
Термодинамика


Химическая термодинамика

Термодинамика определяется как отрасль науки, которая занимается
взаимосвязь между теплом и другими формами энергии, такими как работа.Часто бывает
обобщены в виде трех законов, которые описывают ограничения на то, как различные формы энергии могут
быть взаимопревращенными. Химическая термодинамика — это раздел термодинамики,
относится к химическим реакциям.

Законы термодинамики
Первый закон: Энергия сохраняется; его нельзя ни создать, ни уничтожить.
Второй закон: В изолированной системе естественные процессы являются спонтанными, когда они приводят к
увеличение беспорядка или энтропии.
Третий закон: энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура
кристалл равен абсолютному нулю (0 К).

Было много попыток построить устройство, нарушающее законы
термодинамика. Все потерпели неудачу. Термодинамика — одна из немногих областей науки в мире.
для которых нет исключений.


Система и окружение

Одно из основных предположений термодинамики — это идея, что мы можем
произвольно разделите Вселенную на систему и ее окружение
граница между системой и ее окружением может быть такой же реальной, как стенки стакана
который отделяет решение от остальной вселенной (как на рисунке ниже).

Или он может быть таким же воображаемым, как набор точек, которые просто разделяют воздух.
над поверхностью металла от остальной атмосферы (как на рисунке ниже).


Внутренняя энергия

Одним из термодинамических свойств системы является ее внутренняя энергия ,
E , который представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, которые
образуют систему.Внутреннюю энергию системы можно понять, исследуя
простейшая из возможных систем: идеальный газ. Поскольку частицы в идеальном газе не
взаимодействуют, эта система не имеет потенциальной энергии. Внутренняя энергия идеального газа равна
следовательно, сумма кинетических энергий частиц в газе.

Кинетическая молекулярная теория предполагает, что температура газа равна
прямо пропорциональна средней кинетической энергии его частиц, как показано на
рисунок ниже.

Следовательно, внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна
температура газа.

E sys = 3 / 2 RT

В этом уравнении R — постоянная идеального газа в джоулях на моль.
кельвин (Дж / моль-К) и T — температура в кельвинах.

Внутренняя энергия систем более сложных, чем идеальный газ
нельзя измерить напрямую. Но внутренняя энергия системы по-прежнему пропорциональна
его температура. Таким образом, мы можем отслеживать изменения внутренней энергии системы с помощью
наблюдая, что происходит с температурой системы. Когда температура
системы увеличивается, мы можем сделать вывод, что внутренняя энергия системы также
выросла.

Предположим пока, что термометр, погруженный в стакан с водой
на плите — 73.5 o C, как показано на рисунке ниже. Это измерение может
описывать только состояние системы в данный момент времени. Он не может сказать нам,
воду нагревали непосредственно от комнатной температуры до 73,5 o C или нагревали из комнаты
температура до 100 o C, а затем дают остыть.

Температура, таким образом, является функцией состояния . Это зависит только от
состояние системы в любой момент времени, а не путь, по которому система
государственный.Поскольку внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре,
внутренняя энергия также является функцией состояния. Любое изменение внутренней энергии системы
равно разнице между его начальным и конечным значениями.

E sys
= E f E i


Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики можно выразить в следующем уравнении:
который утверждает, что энергия Вселенной постоянна.Энергию можно передавать из
систему в ее окружение или наоборот, но она не может быть создана или уничтожена.

Первый закон термодинамики : E унив
= E sys
+ E surr
= 0

Более полезная форма первого закона описывает, как сохраняется энергия.Это
говорит, что изменение внутренней энергии системы равно сумме тепла
полученные или утраченные системой, а также работа, выполненная системой или в ней.

Первый закон термодинамики : E sys
= q + w

Знаковое соглашение для отношения между внутренней энергией
систему и тепло, получаемое или теряемое системой, можно понять, подумав о
конкретный пример, такой как стакан с водой на горячей плите.Когда плита повернута
при включении система получает тепло от окружающей среды. В результате и температура, и
внутренняя энергия системы увеличивается, а E составляет положительный . Когда конфорка выключена,
вода теряет тепло в окружающую среду при охлаждении до комнатной температуры, а E отрицательное значение .

Взаимосвязь между внутренней энергией и работой можно понять с помощью
Рассмотрим другой конкретный пример: вольфрамовая нить внутри лампочки.Когда работаешь
осуществляется в этой системе путем пропускания электрического тока через вольфрамовую проволоку,
система нагревается и E , следовательно, положительный . (В конце концов, проволока становится достаточно горячей
светиться.) И наоборот, E
отрицательное значение , когда система работает со своим окружением.

Условные обозначения для тепла, работы и внутренней энергии кратко изложены в
рисунок ниже. Внутренняя энергия и температура системы уменьшаются ( E <0), когда система либо теряет тепло, либо работает со своим окружением.И наоборот, внутренняя энергия и повышение температуры ( E
> 0), когда система получает тепло от окружающей среды или когда она работает
в системе.


Система и работа

Система обычно определяется как химическая реакция, а граница
контейнер, в котором протекает реакция.В ходе реакции тепло либо
испускается или поглощается системой. Кроме того, система либо работает на нем.
окружение или какие-то работы, сделанные в его окрестностях. Любое из этих взаимодействий может
влияют на внутреннюю энергию системы.

E sys
= q + w

С химической реакцией обычно связаны два вида работы: электрическая
работа
и работа расширения .Химические реакции могут повлиять на их
окружение, пропуская электрический ток по внешнему проводу. Реакции тоже делают
работать с их окружением, когда объем системы увеличивается в течение
реакция Количество работы расширения, совершаемой реакцией, равно произведению
давление, против которого система расширяется, умноженное на изменение объема
система.

w = — PV

Знаковое соглашение для этого уравнения отражает тот факт, что внутреннее
энергия системы уменьшается, когда система действительно работает со своим окружением.


Энтальпия относительно внутренней энергии

Что произойдет, если мы создадим набор условий, при которых работа не будет
что делает система в своем окружении или наоборот, во время химической реакции? Под
В этих условиях тепло, выделяемое или поглощаемое реакцией, будет равно
изменение внутренней энергии системы.

E sys
= q (тогда и только тогда, когда w = 0)

Самый простой способ достичь этих условий — запустить реакцию при
постоянный объем, при котором работа расширения невозможна.При постоянном объеме тепло
выделяется или поглощается реакцией, равно изменению внутренней энергии, которая
происходит во время реакции.

E sys
= q v (при постоянном объеме)

На рисунке ниже показан калориметр, в котором реакции могут проводиться при
постоянный объем. Однако большинство реакций проводят в открытых колбах и лабораторных стаканах. Когда это
сделано, объем системы не постоянный, потому что газ может входить или выходить из
контейнер во время реакции.Однако система находится под постоянным давлением, поскольку
общее давление внутри контейнера всегда равно атмосферному давлению.

Если во время реакции из колбы выходит газ, система
работать над его окрестностями. Если в результате реакции в колбу втягивается газ, окружающая среда
работать над системой. Мы все еще можем измерить количество тепла, выделяемого или поглощаемого во время
реакции, но она больше не равна изменению внутренней энергии
система, потому что часть тепла была преобразована в работу.

E sys
= q + w

Мы можем обойти эту проблему, введя понятие энтальпии
( H ), который представляет собой сумму внутренней энергии системы плюс произведение
давление газа в системе, умноженное на объем системы.

H sys = E sys + PV

Для простоты индекс «sys» будет опущен.
символ внутренней энергии системы и энтальпии системы из
сейчас на.Поэтому мы будем сокращать соотношение между энтальпией системы
и внутренняя энергия системы следующим образом.

H = E + PV

Изменение энтальпии системы во время химической реакции равно
равна изменению его внутренней энергии плюс изменение произведения давления
раз больше объема системы.

H
= E + ( PV )

Предположим, что реакция протекает в стакане из пенополистирола, как показано на
рисунок ниже.

Поскольку реакция протекает при постоянном давлении, изменение
энтальпия, возникающая в ходе реакции, равна изменению внутренней энергии
система плюс произведение постоянного давления на изменение объема
система.

H
= E + PV (при постоянном давлении)

Подстановка первого закона термодинамики в это уравнение дает
следующий результат.

H
= ( q p + w ) + PV

Предполагая, что единственная работа, совершаемая реакцией, — это работа расширения
дает уравнение, в котором члены PV сокращаются.

H
= ( q p PV ) + PV

Таким образом, тепло, выделяемое или поглощаемое во время химической реакции при
постоянное давление равно изменению энтальпии системы.

H
= q p (при постоянном давлении)

Связь между изменением внутренней энергии системы
во время химической реакции и энтальпию реакции можно резюмировать следующим образом.

1. Тепло, выделяемое или поглощаемое при протекании реакции при константе .
объем
равен изменению внутренней энергии системы.

E sys
= q v

2.Тепло, выделяемое или поглощаемое при протекании реакции при константе
давление
равно изменению энтальпии системы.

H sys
= q p

3. Изменение энтальпии системы во время химической реакции равно
равна изменению внутренней энергии плюс изменение произведения давления
количества газа в системе и его объема.

H sys
= E sys
+ ( PV )

4.Разница между E и H для системы небольшая
для реакций, в которых участвуют только жидкости и твердые вещества, потому что изменений практически нет
в объеме системы во время реакции. Разница может быть относительно большой,
однако для реакций, в которых участвуют газы, при изменении количества молей
газ в процессе реакции.

Практическая задача 1:

Какая из следующих
процессы выполняются с постоянным объемом, а какие — при постоянном давлении?

(а) кислотно-основное титрование

(б) разложение CaCo 3 путем нагревания известняка в тигле с бунзеном.
горелка

(c) реакция между металлическим цинком и водным раствором ионов Cu 2+ до
образуют металлическую медь и ионы Zn 2+

(d) измерение калорий в 1 унции.подача хлопьев для завтрака путем сжигания хлопьев
в калориметре бомбы

Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на «Практика»
Задача 1.

Введение в Первый закон

Первый закон термодинамики гласит, что энергия сохраняется. Энергия никогда не создается и не уничтожается. Энергия просто меняет формы.
Таким образом, если система претерпевает изменение, которое приводит к увеличению (или уменьшению) количества имеющейся энергии, эта энергия должна исходить (или уходить)
где-нибудь еще.Мы отслеживаем поток энергии двумя способами:

Тепло, которому мы даем символ \ (q \)

Работа, которую даем символу \ (w \)


Первый закон термодинамики


Внутренняя энергия

Внутренняя энергия системы — это полная энергия этой системы (потенциальная + кинетическая). Мы заинтересованы в отслеживании внутренней энергии, поскольку это позволяет нам узнать, входит ли энергия в систему или из нее. Если происходит изменение внутренней энергии системы, то между системой и окружающей средой должен происходить обмен энергией.Этот поток энергии имеет форму тепла или работы. Следовательно, мы приравниваем любое изменение внутренней энергии системы к сумме тепла и работы.

\ [\ Delta U = q + w \]

Если изменение внутренней энергии равно \ (\ Delta U \) (иногда \ (\ Delta E \) используется для изменения внутренней энергии), тепло равно \ (q \), а работа \ (w \ ).
Изменение внутренней энергии может быть положительным или отрицательным (как и тепло и работа). Изменение определяется как конечная внутренняя энергия за вычетом начальной внутренней энергии

.

\ [\ Delta U = U_f — U_i \]

Таким образом, отрицательное изменение означает, что конечная энергия ниже начальной.Это приводит к появлению энергии «вне системы». На словах это можно выразить как поток энергии «из системы» или «высвобожденный системой».
Положительное изменение указывает на то, что система «поглощает энергию», или «увеличивает энергию», или «поглощает энергию».

\ (\ Delta U

\ (\ Delta U> 0 \) Энергия переходит из окружающей среды в систему

То же верно и для знака тепла.

\ (q

\ (q> 0 \) Тепло течет из окружающей среды в систему.Поглощается тепло.

\ (ш

\ (w> 0 \) работает в системе. Окружение действительно работает над системой.


Первый закон — Тепло и работа — Пример 1


Первый закон — Тепло и работа — Пример 2


Тепло

Тепло — это поток энергии от высокой температуры к низкой. Тепловой поток может привести к изменению температуры, или тепло может поступать в систему или выходить из нее без каких-либо изменений температуры.Чтобы справиться с этим, лучше всего разбить процессы на эти две ситуации.

В первом случае идет тепло и изменяется температура. Величина изменения температуры зависит от количества тепла и теплоемкости системы. Теплоемкость связывает изменение температуры с количеством тепла. Теплоемкость (\ (C \)) — обширное свойство. Чем больше материала, тем выше теплоемкость. Поэтому при расчете фактического изменения температуры важно знать теплоемкость объекта, с которым вы работаете.

\ [q = C \ Delta T \]

Здесь \ (C \) — теплоемкость. Теплоемкость выражается в единицах энергии на температуру. Обычно мы будем использовать J K -1 . Поскольку это большое количество, оно часто приводится в интенсивной форме. Например, вам может потребоваться теплоемкость на моль. Это молярная теплоемкость (\ (C _ {\ rm m} \)). Это будет иметь единицы Дж моль -1 K -1 . В качестве альтернативы теплоемкость может быть
«удельная теплоемкость» (\ (C _ {\ rm s} \)).Это теплоемкость на массу. Это могут быть единицы J g -1 K -1 . В результате для некоторых расчетов требуется умножить молярную или удельную теплоемкость на количество молей (\ (n \)) или на массу (\ (m \)) вещества. Обратите внимание на единицы, и вы будете держать их прямо. Вот формулы для теплоты с использованием молярной теплоемкости и удельной теплоемкости:

\ [{\ rm моляр:} \ hskip20pt q = n \; C _ {\ rm m} \; \ Delta T \]

\ [{\ rm specific:} \ hskip20pt q = m \; C _ {\ rm s} \; \ Delta T \]

Также возможен тепловой поток без изменения температуры.В этом случае энергия, которая втекает или выходит, не изменяет тепловую кинетическую энергию,
но вместо этого он изменяет потенциальную энергию системы. Потенциальная энергия может измениться, если происходит химическое или физическое изменение, такое как фазовый переход. Мы рассмотрим это далее в разделе термохимии.


Термодинамический поток энергии


Работа

Работа — это энергия, связанная с силой, действующей на расстоянии.Есть много разных форм работы, но в химии нас интересуют только две из них.
Объемная работа давления (или работа PV), которая связана со сжатием или расширением материалов. И электрические работы, связанные с протеканием тока и электрическим потенциалом.
На данный момент мы сосредоточим все наше внимание на фотоэлектрических работах, а позже мы обратимся к электромонтажным работам в контексте электрохимии.

Работа с давлением и объемом важна, когда система меняет объем. Это связано с тем, что для изменения своего объема он должен будет противостоять силе давления, оказываемого на систему.Поскольку атмосфера всегда оказывает на нас давление, любое расширение всегда действует против этой силы.

Работу

PV лучше всего представить как изменение объема газа в цилиндре с подвижным поршнем. Давление, оказывающее давление на поршень, имеет некоторую силу на единицу площади.
По мере расширения газа поршень толкается вверх, и для этого требуется некоторая энергия (сила, действующая на расстоянии). Работа равна силе x расстояние. Для газа в баллоне это давление, умноженное на изменение объема.

В частности, мы рассмотрим случай расширения или сжатия при постоянном внешнем давлении, поскольку этот случай обычно важен в химии. Для этого случая

\ [w = -P_ {ex} \ Delta V \]

, где w — работа, \ (P_ {ex} \) — внешнее давление, а \ (\ Delta V = V_f — V_i \) — изменение объема газа.
Отрицательный знак — это соблюдение нашего соглашения о знаках для энергии, поступающей в систему или из нее. Расширение снизит энергию системы (выход энергии).Поскольку этот процесс увеличивает объем, \ (\ Delta V \) будет положительным. Чтобы сделать работу отрицательной, мы добавляем отрицательный знак.
При постоянном внешнем давлении, если нет изменения объема, значит, нет работы.

Следует отметить, что работа по расширению может зависеть от того, как выполняется расширение (постоянное давление, изменение давления, один шаг, 20 шагов …).
Мы будем иметь дело почти исключительно со случаем постоянного внешнего давления.
Однако вы должны понимать, что, хотя величина будет меняться в зависимости от процесса, знак не изменится.Расширение всегда получается, так что ж

Важно быть осторожным с вашими агрегатами при объединении энергии, рассчитанной для работы и тепла. Работа почти всегда заканчивается единицей измерения давления, умноженного на объем (энергию).
Например, Л-атм. В большинстве случаев вам необходимо преобразовать это в Джоули. 101,325 Дж = 1 л-атм (также 100 Дж = 1 л-бар).


Работа, тепло и внутренняя энергия — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите работу, выполняемую системой, теплопередачу между объектами и изменение внутренней энергии системы
  • Расчет работы, теплопередачи и изменения внутренней энергии в простом процессе

Мы обсуждали концепции работы и энергии ранее в механике.Примеры и связанные с ними вопросы теплопередачи между различными объектами также обсуждались в предыдущих главах. Здесь мы хотим расширить эти концепции до термодинамической системы и окружающей ее среды. В частности, мы подробно остановились на концепциях теплопередачи и теплопередачи в предыдущих двух главах. Здесь мы хотим понять, как работа выполняется термодинамической системой или с ней; как тепло передается между системой и окружающей средой; и как общая энергия системы изменяется под влиянием проделанной работы и теплопередачи.

Работа, выполненная системой

Сила, созданная из любого источника, может выполнять работу, перемещая объект через смещение. Тогда как же работает термодинамическая система? (Рисунок) показывает газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем на одном конце. Если газ расширяется относительно поршня, он передает силу на расстояние и действует на поршень. Если поршень сжимает газ при движении внутрь, работа также выполняется — в данном случае с газом. Работу, связанную с такими изменениями объема, можно определить следующим образом: Пусть давление газа на торце поршня равно p .Тогда сила, действующая на поршень от газа, составляет па , где А, — площадь торца. Когда поршень выталкивается наружу на бесконечно малое расстояние dx , величина работы, совершаемой газом, составляет

.

Так как объем газа изменяется, это становится

.

Для конечного изменения объема от мы можем проинтегрировать это уравнение от, чтобы найти чистую работу:

Работа, совершаемая ограниченным газом при перемещении поршня на расстояние dx , определяется выражением

Этот интеграл имеет смысл только для квазистатического процесса, что означает процесс, который происходит бесконечно малыми шагами, поддерживая систему в тепловом равновесии.(Мы рассмотрим эту идею более подробно позже в этой главе.) Только тогда существует четко определенная математическая связь (уравнение состояния) между давлением и объемом. Эту зависимость можно изобразить на диаграмме pV зависимости давления от объема, где кривая представляет собой изменение состояния. Мы можем аппроксимировать такой процесс как процесс, который происходит медленно, через серию состояний равновесия. Интеграл интерпретируется графически как площадь под кривой pV (заштрихованная область на (Рисунок)).Работа, совершаемая газом, положительна для расширения и отрицательна для сжатия.

Когда газ расширяется медленно, работа, выполняемая системой, представлена ​​заштрихованной областью под кривой pV .

Рассмотрим два процесса с участием идеального газа, которые представлены путями AC и ABC на (рисунок). Первый процесс представляет собой изотермическое расширение, при котором объем газа изменяется от. Этот изотермический процесс представлен кривой между точками A и C .Газ поддерживается при постоянной температуре T , поддерживая его в тепловом равновесии с резервуаром тепла при этой температуре. Из (Рисунок) и закона идеального газа,

Пути ABC , AC и ADC представляют три различных квазистатических перехода между состояниями равновесия A и C .

Расширение изотермическое, поэтому T остается постоянным на протяжении всего процесса. Поскольку n и R также постоянны, единственная переменная в подынтегральном выражении — В , поэтому работа, совершаемая идеальным газом в изотермическом процессе, составляет

.

Обратите внимание, что if (расширение), W положительно, как и ожидалось.

Прямые линии от A до B и затем от B до C представляют собой другой процесс. Здесь газ под давлением сначала расширяется изобарно (постоянное давление) и квазистатически из, после чего он охлаждается квазистатически при постоянном объеме, пока его давление не упадет до. От A до B давление постоянно на уровне p , поэтому работа на этой части пути составляет

Объем с B до C не изменился, поэтому работы не выполнялись.Тогда сеть на пути ABC равна

.

Сравнение выражений для работы, совершаемой газом в двух процессах (рисунок), показывает, что они совершенно разные. Это иллюстрирует очень важное свойство термодинамической работы: это путь зависимый . Мы не можем определить работу, совершаемую системой при переходе из одного состояния равновесия в другое, если не знаем ее термодинамический путь. Разные ценности работы связаны с разными путями.

Проверьте свое понимание Сколько работы совершает газ, как показано на (Рисунок), когда он квазистатически расширяется по пути ADC ?

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия термодинамической системы по определению представляет собой сумму механических энергий всех молекул или объектов в системе. Если кинетическая и потенциальная энергии молекулы и равны и соответственно, то внутренняя энергия системы — это среднее значение полной механической энергии всех сущностей:

, где суммирование ведется по всем молекулам системы, а столбцы над K и U указывают средние значения.Кинетическая энергия отдельной молекулы включает вклады, обусловленные ее вращением и вибрацией, а также ее поступательную энергию, где скорость молекулы измеряется относительно центра масс системы. Потенциальная энергия связана только с взаимодействиями между молекулой i и другими молекулами системы. Фактически, ни расположение системы, ни ее движение не имеют никакого значения с точки зрения внутренней энергии. На внутреннюю энергию системы не влияет ее перемещение из подвала на крышу 100-этажного дома или установка на движущийся поезд.

В идеальном одноатомном газе каждая молекула представляет собой отдельный атом. Следовательно, нет вращательной или колебательной кинетической энергии и. Кроме того, нет межатомных взаимодействий (несмотря на столкновения), поэтому мы устанавливаем его равным нулю. Следовательно, внутренняя энергия обусловлена ​​только поступательной кинетической энергией и

Из обсуждения в предыдущей главе мы знаем, что средняя кинетическая энергия молекулы в идеальном одноатомном газе равна

.

, где T — температура газа по Кельвину.Следовательно, средняя механическая энергия на молекулу идеального одноатомного газа также равна

.

Внутренняя энергия — это просто количество молекул, умноженное на среднюю механическую энергию на молекулу. Таким образом, для n моль идеального одноатомного газа

Обратите внимание, что внутренняя энергия данного количества идеального одноатомного газа зависит только от температуры и полностью не зависит от давления и объема газа. Для других систем внутреннюю энергию нельзя выразить так просто.Однако увеличение внутренней энергии часто может быть связано с повышением температуры.

Из нулевого закона термодинамики мы знаем, что, когда две системы находятся в тепловом контакте, они в конечном итоге достигают теплового равновесия, в этот момент они имеют одинаковую температуру. В качестве примера предположим, что мы смешиваем два одноатомных идеальных газа. Теперь энергия, приходящаяся на молекулу идеального одноатомного газа, пропорциональна его температуре. Таким образом, когда два газа смешиваются, молекулы более горячего газа должны терять энергию, а молекулы более холодного газа должны получать энергию.Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие, после чего температура и, следовательно, средняя кинетическая энергия поступательного движения, приходящаяся на одну молекулу, одинаковы для обоих газов. Подход к равновесию для реальных систем несколько сложнее, чем для идеального одноатомного газа. Тем не менее, мы все же можем сказать, что между системами происходит обмен энергией до тех пор, пока их температуры не станут одинаковыми.

Сводка

  • Положительная (отрицательная) работа совершается термодинамической системой, когда она расширяется (сжимается) под действием внешнего давления.
  • Тепло — это энергия, передаваемая между двумя объектами (или двумя частями системы) из-за разницы температур.
  • Внутренняя энергия термодинамической системы — это ее полная механическая энергия.

Концептуальные вопросы

Можно ли определить, вызвано ли изменение внутренней энергии теплопередачей, выполненной работой или их комбинацией?

Когда жидкость испаряется, ее внутренняя энергия не равна добавленному теплу.Почему?

Часть энергии уходит на преобразование фазы жидкости в газ.

Почему при накачивании шины велосипедный насос нагревается?

Возможно ли, чтобы температура системы оставалась постоянной, когда тепло поступает в нее или из нее? Если да, приведите примеры.

Да, до тех пор, пока проделанная работа равна добавленному теплу, внутренняя энергия не изменится, а следовательно, и температура не изменится. Когда вода замерзает или когда лед тает при отводе или добавлении тепла, соответственно, температура остается постоянной.

Проблемы

Газ под давлением 2,00 атм подвергается квазистатическому изобарическому расширению с 3,00 до 5,00 л. Сколько работы совершает газ?

Для квазистатического сжатия 0,50 моль идеального газа до одной пятой его первоначального объема требуется 500 Дж работы. Рассчитайте температуру газа, предполагая, что она остается постоянной во время сжатия.

Установлено, что при квазистатическом расширении разреженного газа от 0,50 до 4,0 л он совершает 250 Дж работы.Если предположить, что температура газа остается постоянной на уровне 300 К, сколько молей газа присутствует?

При квазистатическом изобарическом расширении 500 Дж работы совершает газ. Если давление газа составляет 0,80 атм, каково частичное увеличение объема газа, если исходное значение составляло 20,0 л?

Когда газ претерпевает квазистатическое изобарическое изменение объема от 10,0 до 2,0 л, требуется 15 Дж работы от внешнего источника. Какое давление газа?

Идеальный газ квазистатически и изотермически расширяется из состояния с давлением p и объемом V в состояние с объемом 4V.Покажите, что работа, совершаемая газом при расширении, равна pV (ln 4).

Как показано ниже, рассчитайте работу, совершаемую газом в квазистатических процессах, представленных путями (a) AB; (б) АБР; (c) ACB; и (d) ADCB.

(a) Рассчитайте работу, совершаемую газом по замкнутому пути, показанному ниже. Изогнутая часть между R и S полукруглая. б) Если процесс осуществляется в обратном направлении, какую работу выполняет газ?

Идеальный газ квазистатически расширяется до трехкратного первоначального объема.Какой процесс требует большей работы от газа, изотермический или изобарический? Определите соотношение проделанной работы в этих процессах.

Разбавленный газ под давлением 2,0 атм и объемом 4,0 л проходит следующие квазистатические этапы: (а) изобарическое расширение до объема 10,0 л, (б) изохорическое изменение до давления 0,50 атм, (в) изобарическое сжатие до объема 4,0 л, и (г) изохорическое изменение до давления 2,0 атм. Покажите эти шаги на диаграмме pV и определите по вашему графику чистую работу, выполненную газом.

Какова средняя механическая энергия атомов идеального одноатомного газа при 300 К?

Какова внутренняя энергия 6,00 моль идеального одноатомного газа?

Рассчитайте внутреннюю энергию 15 мг гелия при температуре

Два одноатомных идеальных газа A и B имеют одинаковую температуру. Если 1,0 г газа A имеет ту же внутреннюю энергию, что и 0,10 г газа B, каково (а) соотношение количества молей каждого газа и (б) соотношение атомных масс двух газов?

Коэффициенты Ван-дер-Ваальса для кислорода равны и.Используйте эти значения, чтобы построить изотерму Ван-дер-Ваальса кислорода при 100 К. На том же графике изотермы одного моля идеального газа.

Найдите работу, выполненную в квазистатических процессах, показанных ниже. Состояния даны как значения (p, V) для точек в плоскости pV: 1 (3 атм, 4 L), 2 (3 атм, 6 L), 3 (5 атм, 4 L), 4 (2 атм. , 6 л), 5 (4 атм, 2 л), 6 (5 атм, 5 л) и 7 (2 атм, 5 л).

а. 600 Дж; б. 0; c. 500 Дж; d. 200 Дж; е. 800 Дж; f. 500 Дж

Глоссарий

внутренняя энергия
среднее значение полной механической энергии всех молекул или объектов в системе
квазистатический процесс
эволюция системы, которая идет так медленно, что вовлеченная система всегда находится в термодинамическом равновесии

термодинамика — путаница в отношении внутренней энергии и температуры во время фазового перехода

Я узнал, что для идеального газа внутренняя энергия — это исключительно
функция температуры (потому что мы игнорируем потенциальную энергию от
достопримечательности).

Верно.

Молекулы идеального газа считаются точечными массами без межмолекулярных (ван-дер-ваальских) сил. Следовательно, точечные массы идеального газа не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, молекулам идеального газа не требуется энергия, чтобы отделиться друг от друга, и энергия не выделяется, когда молекулы сближаются, пока молекулы остаются далеко друг от друга, так что газ продолжает демонстрировать поведение идеального газа.Это означает, что внутренняя энергия идеального газа состоит только из кинетической энергии (без потенциальной энергии) и что любая энергия, добавленная к газу или отведенная из него, приводит только к изменению его внутренней кинетической энергии и соответствующему изменению температуры, согласно

$$ \ Delta U = mC_ {v} \ Delta T = \ Delta KE $$

Где $ C_ {v} $ — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме. Это применимо к любому процессу, а не только к процессу постоянного объема (вы можете найти доказательства).

Однако, поскольку во время фазового перехода температура останется
постоянная но внутренняя энергия не будет, как это может быть? Не
это означает, что есть два значения U для одного значения T?

Поскольку, по определению, молекулы идеального газа так далеко друг от друга, что отсутствуют межмолекулярные силы и потенциальная энергия, идеальный газ не претерпевает фазового перехода.

Но газ будет демонстрировать идеальное газовое поведение только до тех пор, пока давление газа достаточно низкое и / или температура достаточно высока, чтобы молекулы оставались далеко друг от друга. Если давление становится слишком высоким и / или температура слишком низка, молекулы сближаются, и газ больше не ведет себя как идеальный газ, поскольку между ними возникают межмолекулярные (ван-дер-ваальские) силы. Теперь у газа есть компонент внутренней потенциальной энергии, поскольку внутренняя энергия газа обусловлена ​​межмолекулярными силами, а также его компонент кинетической энергии, так что

$$ U = KE + PE $$

Теперь возможно переключение фаз.В этот момент да, температура останется постоянной (если фазовый переход происходит при постоянном давлении), но это не означает, что будут «два значения $ U $ для одного значения $ T $». Это означает, что в $ U $ будут два компонента: компонент кинетической энергии и компонент потенциальной энергии, где температура обусловлена ​​компонентом KE.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.