Nende interaktsioonid.

Siseneb sisemine energia energia muundumiste tasakaal looduses. Pärast sisemise energia avastamist see sõnastati energia jäävuse ja muundamise seadus. Vaatleme mehaaniliste ja sisemiste energiate vastastikust teisenemist. Laske plii kuulil toetuda pliiplaadile. Tõstame selle üles ja laseme lahti. Palli tõstes andsime sellele potentsiaalset energiat. Kui pall kukub, siis see väheneb, kuna pall vajub järjest madalamale. Kuid kiiruse suurenemisega suureneb palli kineetiline energia järk-järgult. Sfääri potentsiaalne energia muundatakse kineetiliseks energiaks. Siis aga tabas pall juhtplaati ja jäi seisma. Nii selle kineetiline kui ka potentsiaalne energia plaadi suhtes võrdus nulliga. Palli ja plaati pärast kokkupõrget uurides näeme, et nende olek on muutunud: pall on veidi lamenenud ja plaadile tekkis väike mõlk; nende temperatuuri mõõtes leiame, et nad on soojenenud.

Kuumutamine tähendab kehamolekulide keskmise kineetilise energia suurenemist. Deformatsiooni käigus muutub kehaosakeste omavaheline paigutus, mistõttu muutub ka nende potentsiaalne energia.

Seega võib väita, et kuuli löögi tulemusena plaadile muundub mehaaniline energia, mis pallil katse alguses oli. keha siseenergia.

Siseenergia vastupidist üleminekut mehaaniliseks ei ole raske jälgida.

Näiteks kui võtta paksu seinaga klaasnõu ja pumbata sinna õhku läbi korgis oleva augu, siis mõne aja pärast lendab kork anumast välja. Sel hetkel tekib laevas udu. Udu tekkimine tähendab, et õhk laevas on muutunud külmemaks ja seetõttu on selle siseenergia vähenenud. Seda seletatakse asjaoluga, et anumas olev suruõhk, surudes korgi välja (st paisudes), tegi selle töö ära, vähendades oma sisemist energiat. Pistiku kineetiline energia on suurenenud tänu suruõhu siseenergiale.

Seega on üks keha siseenergia muutmise viise keha (või teiste kehade) molekulide poolt sellel kehal tehtav töö. Sisemise energia muutmise viis ilma tööd tegemata on soojusülekanne.

Ideaalse monoatomilise gaasi siseenergia.

Kuna ideaalsed gaasimolekulid ei interakteeru üksteisega, siis eeldatakse, et nende potentsiaalne energia on null. Ideaalse gaasi siseenergia määrab ainult selle molekulide juhusliku translatsioonilise liikumise kineetiline energia. Selle arvutamiseks peate korrutama ühe aatomi keskmise kineetilise energia aatomite arvuga ... Võttes seda arvesse k N A = R, saame ideaalse gaasi siseenergia väärtuse:

.

Ideaalse üheaatomilise gaasi siseenergia on otseselt võrdeline selle temperatuuriga. Kui kasutame Clapeyroni-Mendelejevi võrrandit, võib ideaalse gaasi siseenergia avaldise esitada järgmiselt:

.

Tuleb märkida, et ühe aatomi keskmise kineetilise energia avaldise kohaselt ja liikumise juhuslikkuse tõttu iga kolme võimaliku liikumissuuna või igaühe puhul vabaduse aste, piki telge X, Y ja Z on sama energiaga.

Vabadusastmete arv Kas molekuli võimalike sõltumatute liikumissuundade arv.

Gaasi, mille iga molekul koosneb kahest aatomist, nimetatakse kaheaatomiliseks. Iga aatom võib liikuda kolmes suunas, seega on võimalike liikumissuundade koguarv 6. Molekulidevahelise sideme tõttu väheneb vabadusastmete arv ühe võrra, mistõttu kaheaatomilise molekuli vabadusastmete arv on viis.

Kaheaatomilise molekuli keskmine kineetiline energia on. Seega on ideaalse kaheaatomilise gaasi siseenergia võrdne:

.

Ideaalse gaasi siseenergia valemeid saab üldistada:

.

kus i Kas gaasimolekulide vabadusastmete arv ( i= 3 üheaatomilise ja i= 5 kaheaatomilise gaasi jaoks).

Ideaalsete gaaside puhul sõltub siseenergia ainult ühest makroskoopilisest parameetrist - temperatuurist ja ei sõltu mahust, kuna potentsiaalne energia on null (ruumala määrab molekulide keskmise kauguse).

Päris gaaside potentsiaalne energia ei ole null. Seetõttu määravad siseenergia termodünaamikas üldiselt üheselt nende kehade olekut iseloomustavad parameetrid: ruumala. (V) ja temperatuur (T).

Sisemine energia on molekulide liikumise ja vastasmõju energia.

Kõikide keha moodustavate molekulide kineetiline energia ja nende vastasmõju potentsiaalne energia on keha siseenergia.

Kui keha seiskub, peatub mehaaniline liikumine, kuid selle molekulide juhuslik (termiline) liikumine suureneb. Mehaaniline energia muundatakse keha siseenergiaks

Sisemine energiasõltub kehatemperatuurist, agregatsiooni seisundist ja muudest teguritest.

Keha siseenergia ei sõltu ei keha mehaanilisest liikumisest ega selle keha asendist teiste kehade suhtes.

Kui arvestada ühe molekuli kineetilist ja potentsiaalset energiat, siis on see väga väike väärtus, kuna molekuli mass on väike. Kuna keha sisaldab palju molekule, on keha siseenergia, mis on võrdne kõigi molekulide energiate summaga, suur.

Sisemise energia muutmise viisid

Temperatuuri tõustes suureneb keha siseenergia, kuna selle keha molekulide keskmine liikumiskiirus suureneb. Vastupidi, temperatuuri langedes väheneb keha siseenergia.

Kogemus: kui kuumutada kummikorgiga pudelit, lendab kork mõne aja pärast välja.

Seega muutub keha siseenergia molekulide liikumiskiiruse muutumisel.

Sisemist energiat saab muuta kahel viisil:

1) mehaaniliste tööde tegemine. Sisemine energia suureneb, kui kehaga tööd tehakse, ja väheneb, kui keha teeb tööd.

2) soojusülekande teel (soojusjuhtivus, konvektsioon, kiirgus). Kui keha annab soojust välja, siis sisemine energia väheneb ja kui saab soojust, siis see suureneb.

Soojusülekande tüübid. Katsed, mis illustreerivad soojusülekande liike. Soojusülekanne looduses, tehnoloogia, mehaanika.

Soojusülekanne (soojusülekanne)- See on siseenergia muutmise protsess, mis toimub ilma tööd tegemata.

1)

Soojusjuhtivus - soojusülekande liik, mille puhul energia kandub kokkupuutel ühelt kehalt teisele või selle ühest osast teise. Erinevatel ainetel on erinev soojusjuhtivus. Metallide soojusjuhtivus on kõrge, vedelike puhul väiksem ja gaaside puhul madal. Soojusjuhtivusega aine ülekandumist ei toimu.

2) Konvektsioon- soojusülekande tüüp, milles energiat edastatakse gaasi- ja vedelikujugadega. Konvektsiooni on kahte tüüpi: loomulik ja sunnitud. Tahketes ainetes konvektsiooni ei toimu, kuna nende osakestel ei ole suurt liikuvust. Looduses ja inimelus võib leida palju konvektsiooni ilminguid. Konvektsiooni kasutatakse ka inseneritöös.

3) Kiirgus - soojusülekande liik, milles energiat kannavad elektromagnetlained. Tumeda pinnaga kehad neelavad ja kiirgavad energiat paremini kui heleda pinnaga kehad. Seda kasutatakse praktikas.

* Soojusvahetusel tarnitud soojushulk võrdub moodulites vastuvõetud soojushulgaga või nende summa on võrdne nulliga. Seda nimetatakse soojusbilansi tasemeks.

Füüsikalise süsteemi sisemise oleku peamine omadus on selle sisemine energia.

Sisemine energia (U) hõlmab süsteemi kõigi mikroosakeste (molekulid, aatomid, ioonid jne) kaootilise (termilise) liikumise energiat ja nende osakeste interaktsioonienergiat, s.o. kineetiline, potentsiaalne jne, välja arvatud kõigi osakeste kogu puhkeenergia.

Sisemised energiaomadused

1. Termodünaamilise tasakaalu seisundis liiguvad makroskoopilisi kehasid moodustavad osakesed nii, et nende koguenergia on alati suure täpsusega võrdne keha siseenergiaga.

2. Siseenergia on füüsilise süsteemi oleku funktsioon.

3. Füüsikalise süsteemi siseenergia ei sõltu selle ühest olekust teise ülemineku teest, vaid selle määravad ainult siseenergia väärtused alg- ja lõppolekus: D U = U 2 -U 1.

4. Siseenergiat iseloomustab liiteomadus, s.o. see võrdub süsteemi kuuluvate kehade siseenergia kogusummaga.

Märkus: gaasiosakestel on lisaks translatsioonivabadusastmetele ka sisemised. Näiteks kui gaasiosakesed on molekulid, siis on lisaks elektroonilisele liikumisele võimalik ka molekulide pöörlemine, aga ka molekule moodustavate aatomite vibratsioon.

Gaasiosakeste translatsiooniline liikumine järgib klassikalisi seadusi ja nende siseliikumine on kvantloomuline. Ainult teatud tingimustel saab sisemisi vabadusastmeid pidada klassikaliseks.

Ideaalse gaasi siseenergia arvutamiseks kasutatakse klassikaliste vabadusastmete järgi energia võrdse jaotumise seadust. Ideaalse gaasi puhul võetakse arvesse ainult osakeste translatsioonilise liikumise kineetilist energiat. Kui gaasiosakesed on üksikud aatomid, on igaühel kolm translatsioonivabadusastet.

Seetõttu on igal aatomil keskmine kineetiline energia:

< e k > =3 kT/2.

Kui gaas koosneb N aatomist, siis selle siseenergia

Kui aga ergastatakse ka molekulide vibratsioonilisi vabadusastmeid, siis nende panus siseenergiasse

.

(1.27)

Valem (1.27) võtab arvesse, et molekulide iga vibratsioonilist liikumist iseloomustavad keskmised kineetilised ja keskmised potentsiaalsed energiad, mis on omavahel võrdsed. Seetõttu on vabadusastmete vahel energia võrdse jaotumise seaduse kohaselt ühe vibratsioonilise vabadusastme keskmine energia kT.

Seega, kui molekul on kaheaatomiline, siis on selle vabadusastmete koguarvi= 6. Kolm neist on translatiivsed (i kiire = 3), kaks pöörlevat (i vr = 2) ja üks vibratsiooniline (i loendama = 1). Temperatuuridel, mil vibratsioonilised vabadusastmed on veel "külmunud", on ideaalse gaasi kaheaatomiliste molekulide siseenergia .

Kui vibratsioonilised vabadusastmed on “lahti külmunud”, siis ideaalse gaasi kaheaatomiliste molekulide siseenergia on U = U post + U bp + U arv =.

Seega monatoomilise ideaalgaasi siseenergia

kus< e k > = .

Gaasi moolide arv n= N/N a = m/ M siis

Praktiliste küsimuste lahendamisel ei mängi olulist rolli mitte sisemine energia ise, vaid selle muutus Δ U = U 2 - Uüks . Siseenergia muutus arvutatakse energia jäävuse seaduste alusel.

Keha siseenergiat saab muuta kahel viisil:

1. Pühendumisel mehaaniline töö.

a) Kui väline jõud põhjustab keha deformatsiooni, siis muutuvad seda moodustavate osakeste vahelised kaugused ja sellest tulenevalt muutub ka osakeste vastasmõju potentsiaalne energia. Lisaks muutub mitteelastsete deformatsioonide korral kehatemperatuur, st. osakeste soojusliikumise kineetiline energia muutub. Aga kui keha on deformeerunud, siis tehakse tööd, mis on keha siseenergia muutumise mõõdupuu.

b) Keha siseenergia muutub ka mitteelastsel kokkupõrkel teise kehaga. Nagu varem nägime, väheneb kehade mitteelastsel kokkupõrkel nende kineetiline energia, see muutub siseenergiaks (näiteks kui lüüa mitu korda haamriga alasil lebavale traati, siis traat kuumeneb). Keha kineetilise energia muutumise mõõt on kineetilise energia teoreemi järgi mõjuvate jõudude töö. See töö võib olla ka siseenergia muutuste mõõdupuu.

c) Keha siseenergia muutus toimub hõõrdejõu mõjul, kuna kogemusest teadaolevalt kaasneb hõõrdumisega alati ka hõõrdekehade temperatuuri muutus. Hõõrdejõu töö võib olla siseenergia muutumise mõõdik.

2. Kasutades soojusülekanne... Näiteks kui keha asetada põleti leeki, muutub selle temperatuur, mistõttu muutub ka tema siseenergia. Tööd siin aga ei tehtud, sest polnud näha ei keha enda ega selle osade liikumist.

Süsteemi siseenergia muutmist ilma tööd tegemata nimetatakse soojusvahetus(soojusülekanne).

Soojusülekannet on kolme tüüpi: juhtivus, konvektsioon ja kiirgus.

a) Soojusjuhtivus nimetatakse soojusvahetuse protsessiks kehade (või kehaosade) vahel nende otsese kokkupuute ajal, mis on tingitud kehaosakeste termilisest kaootilisest liikumisest. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on tahke aine molekulide vibratsiooni amplituud. Gaaside soojusjuhtivus tuleneb energiavahetusest gaasimolekulide vahel nende kokkupõrke ajal. Vedelike puhul töötavad mõlemad mehhanismid. Aine soojusjuhtivus on maksimaalne tahkes olekus ja minimaalne gaasilises olekus.

b) Konvektsioon tähistab soojusülekannet kuumutatud vedeliku või gaasi voogude kaudu mõnest ruumiosast, mille nad hõivavad, teistele.

c) Soojusülekanne kl kiirgust teostatakse eemalt elektromagnetlainete abil.

Vaatleme üksikasjalikumalt sisemise energia muutmise viise.

Soojuse kogus

Nagu teate, toimub erinevate mehaaniliste protsesside käigus mehaanilise energia muutus W... Mehaanilise energia muutumise mõõt on süsteemile rakendatavate jõudude töö:

Soojusvahetusega toimub muutus keha siseenergias. Siseenergia muutuse mõõt soojusvahetuse käigus on soojushulk.

Soojuse kogus on siseenergia muutuse mõõt soojusvahetuse protsessis.

Seega iseloomustavad nii töö kui ka soojushulk energia muutumist, kuid ei ole identsed siseenergiaga. Need ei iseloomusta süsteemi enda olekut (nagu seda teeb siseenergia), vaid määravad energia ülemineku protsessi ühelt tüübilt teisele (ühest kehast teise) oleku muutumisel ja sõltuvad sisuliselt protsessi olemusest. .

Peamine erinevus töö ja soojuse vahel on see

§ töö iseloomustab süsteemi siseenergia muutumise protsessi, millega kaasneb energia muundumine ühest liigist teise (mehaanilisest siseenergiasse);

§ soojushulk iseloomustab siseenergia ülekandmise protsessi ühelt kehalt teisele (rohkemalt kuumutatult vähem kuumutatud), millega ei kaasne energia muundumisi.

§ Soojusmahtuvus, soojushulk, mis kulub temperatuuri muutmiseks 1 °C võrra. Rangema määratluse järgi soojusmahtuvus- termodünaamiline suurus, mis määratakse järgmise avaldise abil:

Kus Δ K- soojushulk, millest süsteemi teatab ja mille Delta muudab selle temperatuuri; T. Lõpliku erinevuse suhe Δ K/ ΔТ nimetatakse keskmiseks soojusmahtuvus, lõpmata väikeste suuruste suhe d Q / dT- tõsi soojusmahtuvus... Alates d K ei ole siis olekufunktsiooni totaalne diferentsiaal soojusmahtuvus oleneb üleminekuteest süsteemi kahe oleku vahel. Eristama soojusmahtuvus süsteem tervikuna (J / K), spetsiifiline soojusmahtuvus[J / (g · K)], molaarne soojusmahtuvus[J / (mol · K)]. Kõik alltoodud valemid kasutavad molaarseid koguseid soojusmahtuvus.

32. küsimus:

Sisemist energiat saab muuta kahel viisil.

Soojushulk (Q) on keha siseenergia muutus, mis tekib soojusülekande tulemusena.

Soojushulka mõõdetakse SI ühikutes džaulides.
[Q] = 1 J.

Aine erisoojusmahtuvus näitab, kui palju soojust on vaja antud aine massiühiku temperatuuri muutmiseks 1 °C võrra.
Erisoojuse SI ühik:
[c] = 1J / kg · kraadi C.

33. küsimus:

33 Termodünaamika esimene seadus, süsteemi poolt vastuvõetud soojushulk, kasutatakse selle siseenergia muutmiseks ja väliskehadega töötamiseks. dQ = dU + dA, kus dQ on soojuse elementaarhulk, dA on elementaartöö, dU on siseenergia juurdekasv. Termodünaamika esimese seaduse rakendamine isoprotsessidele
Termodünaamiliste süsteemidega toimuvate tasakaaluprotsesside hulgast paistavad silma isoprotsessid, mille juures oleku üks peamisi parameetreid jääb konstantseks.
Isokooriline protsess (V= konst). Selle protsessi skeem (isohooria) koordinaatides R, V kujutatud sirgjoonega, mis on paralleelne ordinaatteljega (joonis 81), kus protsess 1-2 on isohooriline küte ja 1 -3 - isohooriline jahutamine. Isohoorilises protsessis ei tööta gaas väliskehadel, Isotermiline protsess (T= konst). Nagu §-s 41 juba märgitud, kirjeldab isotermilist protsessi Boyle-Mariotte'i seadus
, et temperatuur gaasi paisumise ajal ei langeks, on vaja isotermilise protsessi käigus anda gaasile soojushulk, mis on võrdne välise paisumistööga.

34. küsimus:

34 Adiabaatiline nimetatakse protsessiks, milles soojusvahetus puudub ( dQ = 0) süsteemi ja keskkonna vahel. Kõik kiired protsessid võib liigitada adiabaatilisteks protsessideks. Näiteks heli levimise protsessi keskkonnas võib pidada adiabaatiliseks protsessiks, kuna helilaine levimiskiirus on nii suur, et laine ja keskkonna vaheline energiavahetus ei jõua toimuda. Adiabaatilisi protsesse kasutatakse sisepõlemismootorites (silindrites põleva segu paisumine ja kokkutõmbumine), külmutusseadmetes jne.
Termodünaamika esimesest seadusest ( dQ = d U + dA) adiabaatilise protsessi puhul järeldub sellest, et
p / С V = γ, leiame

Integreerides võrrandi vahemikus p 1 kuni p 2 ja vastavalt V 1 kuni V 2 ning võimendades, saame avaldise

Kuna olekud 1 ja 2 valitakse meelevaldselt, saame kirjutada

1. lehekülg

Aine siseenergia on ainet moodustavate molekulide energia. Tavalistes termodünaamilistes protsessides muutuvad ainult siseenergia kineetilised ja potentsiaalsed osad. Esimene sõltub molekulide liikumiskiirustest (translatsioon, pöörlemine, vibratsioon), teine ​​on tingitud molekulide vastastikuse mõju (tõmbe- või tõukejõu) olemasolust ja nendevahelisest kaugusest.

Aine siseenergia on selle koguenergia, mis koosneb ainet moodustavate aatomite ja molekulide kineetilisest ja potentsiaalsest energiast, samuti aatomeid ja molekule moodustavatest elementaarosakestest.

Aine siseenergia oleneb ainult tema füüsikalisest olekust ega sõltu sellest, kuidas või kuidas antud aine sellesse olekusse viiakse. See tuleneb otseselt energia jäävuse seadusest. Tõepoolest, määrakem numbritega 1 ja 2 süsteemi kaks suvalist olekut. Olgu V sellele üleminekule kulutatud energia. Sundime nüüd süsteemi tegema esimest üleminekut edasisuunas ja teist vastupidises suunas. Esimesel üleminekul kulutatakse energiat [/, teisel antakse U, seega saavad süsteemi ümbritsevad väliskehad energiat U - V ja süsteemis endas muutusi ei toimu. U on positiivne või negatiivne, ükskõikne; igal juhul viis meie mõttekäik meid vastuollu energia jäävuse seadusega.

Aine siseenergia antud tingimustes ei sõltu mitte ainult selle keemilisest olemusest, vaid ka agregatsiooni olekust ja kristallide puhul nende muutumisest.

Aine siseenergia on selle koguenergia, mis liidetakse ainet moodustavate aatomite ja molekulide, samuti aatomeid ja molekule moodustavate elementaarosakeste kineetilisest ja potentsiaalsest energiast. See hõlmab: 1) kõigi osakeste translatsiooni-, pöörlemis- ja vibratsioonilise liikumise energiat; 2) nendevahelise vastasmõju (tõmbe- ja tõrjumise) potentsiaalne energia; 3) molekulisisene keemiline energia; 4) aatomisisene energia; 5) tuumaenergia; 6) gravitatsioonienergia; 7) kiirgusenergia, mis täidab keha poolt hõivatud ruumi ja tagab kehasisese termilise tasakaalu selle üksikute osade vahel. Siseenergia ei sisalda potentsiaalset energiat, mis tuleneb süsteemi asendist ruumis, ega süsteemi kui terviku liikumise kineetilist energiat.

Aine siseenergia muundatakse kiirgusenergiaks.

Aine siseenergia on kõigi molekulide kineetiliste energiate ja molekulidevahelise interaktsiooni potentsiaalsete energiate summa. Mida suurem on siseenergia hulk, seda rohkem on kehas soojust ja seda kõrgem on selle temperatuur.

Aine siseenergia suurenemine aurustumisel ilma temperatuuri muutumiseta toimub peamiselt seetõttu, et aurule üleminekul suureneb molekulide keskmine kaugus. Samal ajal suureneb nende potentsiaalne energia, kuna molekulide liigutamiseks suurte vahemaade taha on vaja kulutada tööd molekulide üksteise külgetõmbejõudude ületamiseks.

Aine siseenergia all mõistetakse molekulide liikumise kineetilise energia, nende vastasmõju potentsiaalse energia, aga ka molekulide sees olevate aatomite vibratsioonienergia summat. Keha seisundi määramisel on siseenergia hulk rangelt määratletud, seetõttu viidatakse sellele ka keha seisundi parameetritele.

Sel juhul muundatakse aine siseenergia kiirgusenergiaks (footonite või elektromagnetlainete energiaks), mis langedes seda neelama suutvatele kehadele, muutub taas siseenergiaks. Näiteks kui kosmoselaev lendab planeetidevahelises ruumis, neelab selle pind päikesekiirgust.

Kuna ainete siseenergia on ruumala, rõhu ja temperatuuri funktsioon, siis ilmselgelt sõltuvad reaktsioonide soojusmõjud nende reaktsioonide toimumise tingimustest. Suurima tähtsusega on temperatuuri mõju protsesside soojusmõjudele.

Näidake, et kujul pTf (V) oleva olekuvõrrandiga aine siseenergia ei sõltu mahust.

Näidake, et kujul p / (F) T oleva olekuvõrrandiga aine siseenergia ei sõltu mahust.

Aine siseenergia muutumise tõttu kuumutamisel sõltuvad peaaegu kõik viimaste füüsikalised omadused suuremal või vähemal määral temperatuurist, kuid selle mõõtmiseks valitakse võimalusel neist need, mis muutusega üheselt muutuvad. temperatuuril, ei mõjuta muud tegurid ja neid on suhteliselt lihtne mõõta. Need nõuded on kõige täielikumalt kooskõlas selliste tööainete omadustega nagu mahupaisumine, rõhu muutus suletud ruumalas, elektritakistuse muutus, termoelektromootori jõu ja kiirguse intensiivsus, mis on temperatuuri mõõtmise seadme aluseks.