Hlavnou charakteristikou vnútorného stavu fyzického systému je jeho vnútornej energie.

Vnútorná energia (U) zahŕňa energiu chaotického (tepelného) pohybu všetkých mikročastíc systému (molekuly, atómy, ióny atď..) a energiu interakcie týchto častíc, t.j. kinetická, potenciálna atď., s výnimkou celkovej pokojovej energie všetkých častíc.

Vlastnosti vnútornej energie

1. V stave termodynamickej rovnováhy sa častice tvoriace makroskopické telesá pohybujú tak, že ich celková energia sa vždy s vysokou presnosťou rovná vnútornej energii telesa.

2. Vnútorná energia je funkciou stavu fyzického systému.

3. Vnútorná energia fyzikálneho systému nezávisí od cesty jeho prechodu z jedného stavu do druhého, ale je určená iba hodnotami vnútornej energie v počiatočnom a konečnom stave: DU = U 2 -U 1.

4. Vnútornú energiu charakterizuje vlastnosť aditivity, t.j. rovná sa celkovej vnútornej energii telies zahrnutých v systéme.

Poznámka: častice plynu majú okrem translačných stupňov voľnosti aj vnútorné. Napríklad, ak sú častice plynu molekuly, potom je okrem elektronického pohybu možná rotácia molekúl, ako aj vibrácie atómov, ktoré tvoria molekuly.

Translačný pohyb častíc plynu sa riadi klasickými zákonmi a ich vnútorné pohyby sú kvantovej povahy. Len za určitých podmienok možno vnútorné stupne voľnosti považovať za klasické.

Na výpočet vnútornej energie ideálneho plynu sa používa zákon ekvidistribúcie energie cez klasické stupne voľnosti. V prípade ideálneho plynu sa berie do úvahy iba kinetická energia translačného pohybu častíc. Ak sú častice plynu jednotlivé atómy, potom každý má tri translačné stupne voľnosti.

Preto má každý atóm priemernú kinetickú energiu:

< e k > =3 kT/2.

Ak plyn pozostáva z atómov N, potom jeho vnútorná energia

Ak sú excitované aj vibračné stupne voľnosti molekúl, potom ich príspevok k vnútornej energii

.

(1.27)

Vzorec (1.27) berie do úvahy, že každý vibračný pohyb molekúl je charakterizovaný priemernými kinetickými a priemernými potenciálnymi energiami, ktoré sú si navzájom rovné. Preto podľa zákona o ekvidistribúcii energie cez stupne voľnosti pripadá v priemere energia kT na vibračný stupeň voľnosti.

Ak je teda molekula dvojatómová, potom celkový počet stupňov voľnostii=6.i Tri z nich sú progresívne ( rýchloi = 3), dve rotačné ( vri =2) a jeden oscilačný ( počítať .

=1).

Pri teplotách, keď sú vibračné stupne voľnosti ešte „zamrznuté“, vnútorná energia dvojatómových molekúl ideálneho plynu

U=N< e k > = (3/2)NkT > = .

Kde e kPočet mólov plynu n = =N/Na

m /M teda Vidíte štartovať raketu. Robí prácu – dvíha astronautov a náklad. Kinetická energia rakety sa zvyšuje pretože ako raketa stúpa, zvyšuje sa rýchlosť. Zvyšuje sa aj potenciálna energia rakety,

ako stúpa stále vyššie nad Zem. Preto súčet týchto energií, tzn zvyšuje sa aj mechanická energia rakety. Pamätáme si, že keď telo pracuje, jeho energia klesá. Raketa však skutočne funguje, ale jej energia neklesá, ale rastie! Aké je riešenie rozporu? Ukazuje sa, že okrem mechanickej energie existuje aj iný typ energie -

vnútornej energie. Práve znižovaním vnútornej energie horiaceho paliva raketa vykonáva mechanickú prácu a navyše zvyšuje svoju mechanickú energiu. Nielen horľavý, ale aj

horúce telesá majú vnútornú energiu, ktorú možno ľahko premeniť na mechanickú prácu. Urobme experiment. Vo vriacej vode zohrejte závažie a položte ho na plechovú škatuľu pripevnenú k manometru. Keď sa vzduch v boxe zahreje, kvapalina v manometri sa začne pohybovať (pozri obrázok). Expandujúci vzduch pôsobí na kvapalinu. Vďaka akej energii sa to deje? Samozrejme, kvôli vnútornej energii závažia. Preto v tomto experimente pozorujeme

premena vnútornej energie tela na mechanickú prácu. vnútornej energie- je to energia telesa, vďaka ktorej možno vykonávať mechanickú prácu bez toho, aby došlo k zníženiu mechanickej energie tohto telesa.

Vnútorná energia každého tela závisí od mnohých dôvodov: od typu a stavu jeho látky, hmotnosti a teploty tela a ďalších. Všetky telesá majú vnútornú energiu: veľké a malé, horúce a studené, pevné, kvapalné a plynné.

Vnútornú energiu len, obrazne povedané, horúcich a horľavých látok a telies možno najľahšie využiť pre ľudské potreby. Ide o ropu, plyn, uhlie, geotermálne pramene v blízkosti sopiek a pod. Okrem toho sa človek v 20. storočí naučil využívať vnútornú energiu takzvaných rádioaktívnych látok. Ide napríklad o urán, plutónium a iné.

Pozrite sa na pravú stranu diagramu. V populárnej literatúre sa často spomínajú tepelné, chemické, elektrické, atómové (jadrové) a iné druhy energie. Všetky sú spravidla typmi vnútornej energie, pretože vďaka nim možno vykonávať mechanickú prácu bez straty mechanickej energie. Pojem vnútornej energie sa budeme podrobnejšie zaoberať v našom ďalšom štúdiu fyziky.

Spolu s mechanickou energiou má každé telo (alebo systém) vnútornú energiu. Vnútorná energia je energia odpočinku. Pozostáva z tepelného chaotického pohybu molekúl, ktoré tvoria teleso, potenciálnej energie ich vzájomného usporiadania, kinetickej a potenciálnej energie elektrónov v atómoch, nukleónov v jadrách a pod.

V termodynamike je dôležité poznať nie absolútnu hodnotu vnútornej energie, ale jej zmenu.

Pri termodynamických procesoch sa mení iba kinetická energia pohybujúcich sa molekúl (tepelná energia nestačí na zmenu štruktúry atómu, tým menej jadra). Preto v skutočnosti pod vnútornou energiou v termodynamike máme na mysli energiu tepelný chaotický molekulárne pohyby.

Vnútorná energia U jeden mol ideálneho plynu sa rovná:

teda vnútorná energia závisí len od teploty. Vnútorná energia U je funkciou stavu systému, bez ohľadu na pozadie.

Je jasné, že vo všeobecnom prípade môže mať termodynamický systém vnútornú aj mechanickú energiu a rôzne systémy si môžu tieto druhy energie vymieňať.

Výmena mechanická energia vyznačujúce sa dokonalým práca A, a výmena vnútornej energie – množstvo preneseného tepla Q.

Napríklad v zime ste hodili horúci kameň do snehu. Kvôli rezerve potenciálnej energie sa vykonala mechanická práca na stlačení snehu a kvôli rezerve vnútornej energie sa sneh roztopil. Ak bol kameň studený, t.j. Ak sa teplota kameňa rovná teplote média, potom sa vykoná len práca, ale nedôjde k výmene vnútornej energie.

Práca a teplo teda nie sú špeciálne formy energie. Nemôžeme hovoriť o rezerve tepla alebo práce. Toto miera preneseného iný systém mechanickej alebo vnútornej energie. Môžeme hovoriť o rezerve týchto energií. Okrem toho môže byť mechanická energia premenená na tepelnú energiu a naopak. Napríklad, ak narazíte kladivom na nákovu, po chvíli sa kladivo a nákova zahrejú (toto je príklad rozptyl energia).

Môžeme uviesť oveľa viac príkladov premeny jednej formy energie na inú.

Skúsenosti ukazujú, že vo všetkých prípadoch Premena mechanickej energie na tepelnú energiu a naopak prebieha vždy v presne ekvivalentných množstvách. To je podstata prvého termodynamického zákona, ktorý vyplýva zo zákona zachovania energie.

Množstvo tepla odovzdaného telu zvyšuje vnútornú energiu a vykonáva prácu na tele:

- toto je ono prvý zákon termodynamiky , alebo zákon zachovania energie v termodynamike.

Podpísať pravidlo: ak sa teplo prenáša z okolia tento systém, a ak systém vykonáva prácu na okolitých telesách, v tomto prípade . Ak vezmeme do úvahy pravidlo znamienka, prvý zákon termodynamiky možno napísať ako:

V tomto výraze U– funkcia stavu systému; d U je jeho celkový diferenciál a δ Q a 5 A nie sú. V každom stave má systém určitú a len túto hodnotu vnútornej energie, takže môžeme písať:

,

Je dôležité poznamenať, že teplo Q a pracovať A závisí od toho, ako sa uskutoční prechod zo stavu 1 do stavu 2 (izochoricky, adiabaticky atď.), a od vnútornej energie U nezávisí. Nedá sa zároveň povedať, že systém má konkrétnu hodnotu tepla a práce pre daný stav.

Zo vzorca (4.1.2) vyplýva, že množstvo tepla sa vyjadruje v rovnakých jednotkách ako práca a energia, t.j. v jouloch (J).

V termodynamike sú obzvlášť dôležité kruhové alebo cyklické procesy, pri ktorých sa systém po prechode sériou stavov vracia do pôvodného stavu. Obrázok 4.1 ukazuje cyklický proces 1– A–2–b–1, kým bola vykonaná práca A.

Ryža. 4.1

Pretože U je teda štátna funkcia

To platí pre akúkoľvek štátnu funkciu.

Ak potom podľa prvého zákona termodynamiky, t.j. Nie je možné zostrojiť periodicky pracujúci motor, ktorý by vykonal viac práce, ako je množstvo energie, ktorá sa mu dodáva zvonka. Inými slovami, stroj na večný pohyb prvého druhu je nemožný. Toto je jedna z formulácií prvého zákona termodynamiky.

Treba poznamenať, že prvý termodynamický zákon neuvádza, ktorým smerom prebiehajú procesy zmeny stavu, čo je jeden z jeho nedostatkov.

Ak načerpáte do hrubostennej nádoby uzavretej zátkou, ktorej dno je pokryté vodou, zátka po určitom čase vyletí z nádoby a v nádobe sa vytvorí hmla. Korok vyletel z téglika, pretože tamojší vzduch naň pôsobil určitou silou. Vzduch fungoval, keď zástrčka vyšla. Je známe, že telo dokáže pracovať, ak má energiu. Preto má vzduch v banke energiu.

Ako vzduch vykonával prácu, jeho teplota klesala a jeho stav sa menil. Zároveň sa nezmenila mechanická energia vzduchu: nezmenila sa ani jeho rýchlosť, ani poloha voči Zemi. V dôsledku toho sa práca nevykonávala mechanickou, ale inou energiou. Táto energia je vnútorná energia vzduchu v banke.

Vnútorná energia teleso je súčet kinetickej energie pohybu jeho molekúl a potenciálnej energie ich interakcie. Kinetická energia ( Ek) molekuly majú, keďže sú v pohybe, potenciálnu energiu ( Ep) pri interakcii. Vnútorná energia je označená písmenom U. Jednotkou vnútornej energie je 1 joule (1 J). U = Ek + En.

Spôsoby zmeny vnútornej energie

Čím väčšia je rýchlosť pohybu molekúl, tým vyššia je teplota tela, teda vnútorná energia závisí od telesnej teploty . Ak chcete premeniť látku z pevného do kvapalného stavu, napríklad na premenu ľadu na vodu, musíte jej dodať energiu. Preto bude mať voda viac vnútornej energie ako ľad rovnakej hmotnosti, a teda aj vnútornej energie závisí od fyzického stavu tela .

Vnútornú energiu je možné meniť pri vykonávaní práce . Ak niekoľkokrát udriete kladivom na kus olova, môžete dokonca hmatom zistiť, že sa kus olova zahreje. V dôsledku toho sa zvýšila jeho vnútorná energia, ako aj vnútorná energia kladiva. Stalo sa to preto, lebo sa pracovalo na kuse olova.

Ak samotné telo pracuje, jeho vnútorná energia klesá a ak sa na ňom pracuje, jeho vnútorná energia sa zvyšuje.

Ak nalejete horúcu vodu do pohára studenej vody, teplota horúcej vody sa zníži a teplota studenej vody sa zvýši. V uvažovanom príklade sa nevykonáva mechanická práca, vnútorná energia telies sa mení o prenos tepla, o čom svedčí pokles jeho teploty.

Molekuly horúcej vody majú väčšiu kinetickú energiu ako molekuly studenej vody. Molekuly horúcej vody prenášajú túto energiu pri zrážkach na molekuly studenej vody a kinetická energia molekúl studenej vody sa zvyšuje. Kinetická energia molekúl horúcej vody klesá.

Všetky makroskopické telesá okolo nás obsahujú častice: atómy alebo molekuly. Keďže sú v neustálom pohybe, majú súčasne dva typy energie: kinetickú a potenciálnu a tvoria vnútornú energiu tela:

U = ∑ E k +∑ E p

Tento koncept zahŕňa aj energiu vzájomného pôsobenia elektrónov, protónov a neutrónov.

Je možné zmeniť vnútornú energiu

Existujú 3 spôsoby, ako to zmeniť:

• vďaka procesu prenosu tepla;
• vykonávaním mechanickej práce;
• prostredníctvom chemických reakcií.

Pozrime sa bližšie na všetky možnosti.

Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia sa zníži a keď sa na tele pracuje, jeho vnútorná energia sa zvýši.

Najjednoduchšími príkladmi zvýšenia energie sú prípady zapálenia pomocou trenia:

• pomocou tinderu;
• pomocou pazúrika;
• pomocou zápaliek.

Tepelné procesy spojené so zmenami teploty sú sprevádzané aj zmenami vnútornej energie. Ak teleso zohrejete, jeho energia sa zvýši.

Výsledkom chemických reakcií je premena látok, ktoré sa navzájom líšia štruktúrou a zložením. Napríklad pri spaľovaní paliva po spojení vodíka s kyslíkom vzniká oxid uhoľnatý. Keď sa kyselina chlorovodíková spája so zinkom, uvoľňuje sa vodík a v dôsledku spaľovania vodíka sa uvoľňuje vodná para.

Vnútorná energia tela sa tiež zmení v dôsledku prechodu elektrónov z jedného elektrónového obalu do druhého.

Energia telies - závislosť a charakteristiky

Vnútorná energia je charakteristická pre tepelný stav tela. Závisí to od:

• stav agregácie a zmeny počas varu a vyparovania, kryštalizácie alebo kondenzácie, topenia alebo sublimácie;
• telesná hmotnosť;
• telesná teplota, charakterizujúca kinetickú energiu častíc;
• druh látky.

Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Táto energia sa v ideálnom prípade skladá z kinetických energií každej častice, ktorá sa náhodne a nepretržite pohybuje, a z potenciálnej energie ich interakcie v konkrétnom tele. Stáva sa to v dôsledku zmeny teploty, čo potvrdzujú Jouleove experimenty.

Na výpočet vnútornej energie monatomického plynu použite rovnicu:

Kde sa v závislosti od zmeny teploty bude meniť vnútorná energia (s rastúcou teplotou rastie a s jej poklesom klesá). Vnútorná energia je funkciou stavu.