内部エネルギーは変化しますか？体の内部エネルギーを変える方法

内部エネルギーは 2 つの方法で変更できます。

物体に仕事をすると、その内部エネルギーが増加します。

体の内部エネルギー(E または U として示される) は、分子相互作用のエネルギーと分子の熱運動の合計です。内部エネルギーシステムの状態の一価関数です。これは、システムが特定の状態になると、その内部エネルギーは、システムの履歴に関係なく、この状態に固有の値になることを意味します。その結果、ある状態から別の状態への遷移中の内部エネルギーの変化は、遷移が行われたパスに関係なく、常に最終状態と初期状態の値の差に等しくなります。

体の内部エネルギーを直接測定することはできません。内部エネルギーの変化のみを決定できます。

この式は、熱力学の第一法則の数式です。

準静的プロセスの場合、次の関係が成り立ちます。

ケルビンで測定された温度

ジュール/ケルビンで測定されるエントロピー

パスカルで測定された圧力

化学ポテンシャル

システム内の粒子数

燃料の燃焼熱。条件付き燃料。燃料を燃焼させるのに必要な空気の量。

燃料の品質は、その発熱量によって判断されます。ソリッドと液体タイプ燃料は、単位質量（kJ / kg）の完全燃焼中に放出される熱量である燃焼比熱の指標です。気体燃料の場合、単位体積（kJ / m3）の燃焼中に放出される熱量である体積発熱量が使用されます。さらに、場合によっては、気体燃料は、1モルの気体の完全燃焼中に放出される熱量（kJ / mol）によって推定されます。

燃焼熱は、熱量計と呼ばれる特別な装置で一定量の燃料を燃焼させることによって、理論的にだけでなく経験的にも決定されます。燃焼熱は、比色計の水温の上昇によって推定されます。この方法で得られた結果は、燃料の元素組成から計算された値に近いものです。

質問14加熱および冷却中の内部エネルギーの変化。体積変化を伴う気体の仕事。

体の内部エネルギーは依存しますその分子の平均運動エネルギーに依存し、このエネルギーは温度に依存します。したがって、体温が変化すると内部エネルギーも変化し、体が熱くなると内部エネルギーが増加し、冷やすと減少します。

体の内部エネルギーは、仕事をしなくても変えることができます。したがって、たとえば、ストーブでやかんの水を加熱するか、スプーンを熱いお茶のグラスに入れることで、それを増やすことができます。火が灯される暖炉、太陽に照らされた家の屋根などが加熱されます.これらすべての場合の体の温度の上昇は、内部エネルギーの増加を意味しますが、この増加は仕事をしなくても発生します.

内部エネルギーの変化仕事をしない体は熱伝達と呼ばれます。熱伝達は、温度が異なる物体 (または同じ物体の一部) 間で発生します。

たとえば、冷たいスプーンがお湯? まず、分子の平均速度と運動エネルギーお湯スプーンが作られている金属粒子の平均速度と運動エネルギーを超えています。しかし、スプーンが水と接触する場所では、熱湯の分子が運動エネルギーの一部をスプーンの粒子に伝達し始め、より速く動き始めます。この場合、水分子の運動エネルギーが減少し、スプーンの粒子の運動エネルギーが増加します。エネルギーとともに、温度も変化します。水は徐々に冷め、スプーンは熱くなります。温度の変化は、水とスプーンの両方で同じになるまで発生します。

熱交換中にある物体から別の物体に伝達される内部エネルギーの一部は、文字で示され、熱量と呼ばれます。

Q は熱量です。

熱量を温度と混同しないでください。温度は度で測定され、熱量は (他のエネルギーと同様に) ジュールで測定されます。

温度の異なる物体が接触すると、熱い物体は一定量の熱を放出し、冷たい物体はそれを受け取ります。

等圧ガス膨張で作業します。ほとんどの熱機関で行われる主な熱力学的プロセスの 1 つは、仕事のパフォーマンスに伴うガス膨張のプロセスです。気体が等圧膨張するときの仕事は簡単に求めることができます。

体積 V1 から体積 V2 へのガスの等圧膨張中に、ピストンがシリンダー内を距離 l 移動する場合 (図 106)、ガスによって実行される仕事 A "は次のようになります。

ここで、p はガスの圧力、はその体積の変化です。

任意のガス膨張プロセスで作業します。体積 V1 から体積 V2 へのガス膨張の任意のプロセスは、一連の交互の等圧プロセスと等容プロセスとして表すことができます。

等温ガス膨張の操作. 等温線と等圧線のセクションの下の図の面積を比較すると、等圧膨張の場合、ガス圧力の同じ初期値での体積 V1 から体積 V2 へのガスの膨張には、より多くの仕事が伴うと結論付けることができます。

ガス圧縮で作業します。気体が膨張するとき、気体の圧力ベクトルの方向は変位ベクトルの方向と一致するため、気体が行う仕事 A "は正 (A" > 0) であり、外力の仕事 A は負です。 A \u003d -A "< 0.

気体を圧縮する場合外力ベクトルの方向は運動の方向と一致するため、外力の仕事 A は正 (A > 0) であり、「気体によって実行される仕事 A」は負 (A) です。< 0).

断熱過程. 熱力学では、等圧、等容、等温過程に加えて、断熱過程が考慮されることがよくあります。

断熱プロセスは、周囲の物体との熱交換がない場合、つまり、Q = 0 の条件下で熱力学系で発生するプロセスです。

質問15 体の平衡のための条件。力の瞬間。バランスの種類。

自然科学および人文科学における多くの関連する現象の平衡またはバランス。

このシステムへのすべての影響が他のものによって補償されるか、まったく存在しない場合、システムは平衡状態にあると見なされます。同様の概念は持続可能性です。平衡は、安定、不安定、または無関心である可能性があります。

代表例平衡：

1. 静的平衡としても知られる機械的平衡は、物体に作用する力とモーメントの合計がゼロである、物体が静止している、または均一に移動している状態です。

2. 化学平衡・化学反応が逆反応と同程度に進行し、その結果、各成分の量が変化しない位置。

3. その必要性を理解し、場合によっては人為的にこのバランスを維持することによって維持される、人や動物の物理的なバランス [948 日、特定されていない出典]。

4. 熱力学的平衡 - 内部プロセスが巨視的パラメーター (温度や圧力など) の変化につながらないシステムの状態。

R代数和のゼロに等しい 力の瞬間また、必ずしも体が休んでいることを意味するものではありません。他の物体から地球に作用する力のモーメントの代数和が非常に小さいため、地球の自転は数十億年にわたって一定の周期で継続します。同じ理由で、回転する自転車の車輪は一定の周波数で回転し続け、この回転を止めるのは外力だけです。

天びんの種類. 実際には、重要な役割は、物体の平衡条件の充足だけでなく、安定性と呼ばれる平衡の質的特性によっても果たされます。体のバランスには、安定、不安定、無関心の 3 種類があります。小さな外的影響の後、体が元の平衡状態に戻る場合、平衡は安定していると呼ばれます。これは、物体が初期位置から任意の方向にわずかに変位した場合に、物体に作用する力の合力がゼロではなくなり、平衡位置に向かう場合に発生します。安定した平衡状態では、たとえば、くぼみの底にボールがあります。

体の平衡のための一般的な条件. 2 つの結論を組み合わせて、定式化できます。一般的なコンディション物体の平衡: 物体に適用されるすべての力のベクトルの幾何学的合計と、回転軸に対するこれらの力のモーメントの代数的合計がゼロに等しい場合、物体は平衡状態にあります。

質問16気化と凝縮。蒸発。沸騰する液体。液体沸騰の圧力依存性。

気化 -液体を落として凝集状態を変化させ、蒸気に変える性質。滴下した液体の表面だけで起こる気化を蒸発といいます。液体全体の気化は沸騰と呼ばれます。圧力に応じて、特定の温度で発生します。ある温度で液体が沸騰する圧力を圧力といいます。飽和蒸気 pnp、その値は液体の種類と温度によって異なります。

蒸発- 物質が液体状態から気体状態 (蒸気) に移行するプロセス。蒸発プロセスは、凝縮プロセス (蒸気から液体状態への遷移) の逆です。蒸発 (気化)、凝縮 (固体または液体) 相から気体 (蒸気) への物質の遷移; 一次相遷移。

結露 -それはプロセスですリバースプロセス蒸発。凝縮中、蒸気分子は液体に戻ります。密閉容器では、液体から出る分子の数が蒸気から液体に戻る分子の数と等しい場合、つまり蒸発速度と凝縮は同じです。このようなシステムは二相システムと呼ばれます。その液体と平衡状態にある蒸気は、飽和と呼ばれます。液体の単位表面積から1秒間に放出される分子の数は、液体の温度に依存します。蒸気から液体に戻る分子の数は、蒸気分子の濃度と、蒸気の温度によって決まる熱運動の平均速度に依存します。

沸騰- 相分離境界の出現を伴う、液体中の気化のプロセス (液体から気体状態への物質の遷移)。大気圧での沸点は、通常、化学的に純粋な物質の主な物理化学的特性の 1 つとして与えられます。

沸騰はタイプによって区別されます：

1.自由対流で大量に沸騰する。

2.強制対流下での沸騰;

3. 関係においても平均温度液体から飽和温度まで:

4. 飽和温度まで過冷却された液体の沸騰 (表面沸騰)。

5. 飽和温度まで加熱された液体の沸騰

バブル

沸騰 , 蒸気が周期的に発生して成長する泡の形で形成されることを核沸騰と呼びます。液体中の核沸騰が遅いと（より正確には、原則として、容器の壁または底に）、蒸気で満たされた泡が現れます。気泡内の液体が激しく蒸発するため、気泡が成長して浮き上がり、蒸気が液体の上の気相に放出されます。この場合、壁近くの層では、液体はわずかに過熱された状態にあります。つまり、その温度は公称沸点を超えています。通常の状態では、この差はわずかです (1 度程度)。

映画

熱流束が特定の臨界値まで増加すると、個々の気泡が融合し、容器の壁の近くに連続的な蒸気層が形成され、定期的に液体の体積に侵入します。このモードはフィルムモードと呼ばれます。

体の内部エネルギーはある種の一定値ではありません。同じ体でも変化する可能性があります。気温が上がると 体、平均速度が増加するにつれて、体の内部エネルギーが増加します、したがって、この物体の分子の運動エネルギーです。反対に、温度が下がると、体の内部エネルギーが減少します。したがって、体の内部エネルギーは、その分子の移動速度の変化とともに変化します。この速度を上げたり下げたりする方法は何ですか? 体験に移りましょう。

薄肉の真ちゅう製のチューブがスタンドに固定されており（図181）、そこに少量のエーテルが注がれ、チューブはコルクでしっかりと閉じられています。チューブをロープで包み、ロープを素早く一方向または他方向に動かします。 しばらくすると、エーテルが沸騰し、その蒸気がコルクを押し出します。この経験は、エーテルの内部エネルギーが増加したことを示しています。結局、それは加熱され、沸騰さえしました。内部エネルギーの増加は、チューブをロープでこするときに行われた仕事の結果として発生しました。

本体は、衝撃、伸張、曲げの際、一般的には変形時にも熱くなります。これらすべての場合において、行われた仕事のために、体の内部エネルギーが増加します。

だから内部エネルギーは 体はによって拡大することができます身体に働きかけます。仕事が体自体によって行われる場合、その内部エネルギーは減少します。これは、次の実験で確認できます。

厚肉を取るガラス容器、コルクで閉じます。特別な穴を通して、水蒸気を含む容器に空気が送り込まれます。 しばらくすると、コルクが容器から飛び出します (図 182)。コルクが飛び出した瞬間、器の中に霧が立ち込めます。その出現は、船内の空気が冷たくなったことを意味します (寒波の間、霧も通りに現れることに注意してください)。

容器内の圧縮空気がコルクを押し出して働きます。彼は同時に減少する彼の内部エネルギーを犠牲にしてこの仕事をします。容器内の空気の冷却によるエネルギーの減少を判断します。

体の内部エネルギーは別の方法で変えることができます。

ストーブの上に立っているやかん、熱いお茶のグラスに浸した金属のスプーン、火が灯されているストーブ、太陽に照らされた家の屋根が加熱されることが知られています。いずれの場合も、体の温度が上昇します。つまり、内部エネルギーも増加します。その増加をどのように説明しますか？

たとえば、熱いお茶に浸した冷たい金属製のスプーンは、どのように加熱されますか? まず、温水分子の速度と運動エネルギーは、冷たい金属粒子の速度と運動エネルギーよりも大きくなります。 スプーンが水と接触する場所では、温水分子が運動エネルギーの一部を冷たい金属粒子に移します。したがって、水分子の速度とエネルギーは平均して減少し、金属粒子の速度とエネルギーは増加します。水の温度が低下し、スプーンの温度が上昇します-それらの温度は徐々に等しくなります。分子の運動エネルギーの減少に伴い 水が減り全体の内部エネルギーがグラスに水が入り、スプーンの内部エネルギーが増加します。

体内で何の仕事もせず、エネルギーが粒子から粒子へと移動する内部エネルギーの変化のプロセスは、熱伝達と呼ばれます。したがって、体の内部エネルギーは 2 つの方法で変更できます。 機械仕事または熱伝達.

体がすでに加熱されている場合、これが2つの方法のどちらで行われたかを示すことはできません. したがって、加熱された鋼の針を手に持っていると、それがどのように加熱されたか、つまりこすったり、炎に入れたりすることはできません。

質問。 1.身体に働きかけると、身体の内部エネルギーが増加することを示す例を挙げてください。 2. 内部エネルギーによって身体が機能することを示す実験を説明してください。 3.熱伝達によって体の内部エネルギーを増加させる例を挙げてください。 4. に基づいて説明する分子構造熱伝達物質。 5. 体の内部エネルギーを変化させる 2 つの方法は?

エクササイズ。

合板の上に 5 コペイカ硬貨を置くか、木の板. コインをボードに押し付けて、最初は一方向に、次に反対方向に素早く動かします。何回か注意 暖かくなるようにコインを動かす必要があります、熱い。行われた仕事と体の内部エネルギーの増加との関係について結論を出してください。

内部エネルギーは、物体を構成するすべての粒子の運動エネルギーと、これらの粒子間の相互作用のポテンシャルエネルギーの合計です。これには、電子と原子核の相互作用エネルギーと相互作用エネルギーが含まれます。構成部品カーネル。

内部エネルギーはその温度に依存します。温度は、物質の粒子の平均運動エネルギーを特徴付けます。温度が変化すると、粒子間の距離が変化するため、粒子間の相互作用エネルギーも変化します。

内部エネルギーは、物質が物質から物質を通過するときにも変化します。凝集状態別のものに。物質の温度または凝集状態の変化に関連するプロセスは呼ばれます熱の. 熱プロセスには、身体の内部エネルギーの変化が伴います。

化学反応, 核反応また、体の内部エネルギーtkの変化も伴います。反応に関与する粒子の相互作用エネルギーが変化します。ある殻から別の殻への電子の遷移中に原子がエネルギーを放出または吸収すると、内部エネルギーが変化します。

の一つ 内部エネルギーを変える方法は仕事. したがって、2つの物体の摩擦中に、それらの温度が上昇します。彼らの内部エネルギーは増加します。たとえば、金属の加工 - 穴あけ、旋削、フライス加工。

2体が接触したとき異なる温度エネルギーは、温度の高い物体から温度の低い物体に移動します。より低い温度である物体から別の物体にエネルギーを伝達するプロセスは、 熱伝達。

したがって、自然界には、体内の内部エネルギーが変化する2つのプロセスがあります。

a) 機械的エネルギーから内部エネルギーへの変換、およびその逆。仕事が行われている間;

b) 熱伝達; 仕事をしていない間。

熱々で混ぜたら冷水、そして経験的に、お湯が放出する熱量と受け取る熱量は冷水、互いに等しいです。経験によると、物体間で熱交換が発生すると、冷却体の内部エネルギーが減少するのと同じだけ、すべての加熱体の内部エネルギーが増加します。したがって、エネルギーはある物体から別の物体に移動しますが、すべての物体の総エネルギーは変化しません。これ エネルギーの保存と変換の法則.

自然界で起こるすべての現象において、エネルギーは発生せず、消滅しません。種が変わるだけで、その価値は保たれます。

たとえば、一定の速度で飛んでいる鉛の弾丸が障害物に当たって熱くなります。

または、雪雲から落ちてくる流氷が地面の近くで溶けます。

物体、原子、または分子の粒子は、無秩序な絶え間ない運動 (いわゆる熱運動) を実行します。したがって、各粒子にはある程度の運動エネルギーがあります。

さらに、物質の粒子は、電気的な引力と反発力、および核力によって互いに相互作用します。したがって、粒子のシステム全体与えられた体位置エネルギーも持っています。

粒子の熱運動の運動エネルギーとそれらの相互作用のポテンシャルエネルギーが一緒に形成されます新しい種類体の機械的エネルギー (つまり、体全体の動きの運動エネルギーと他の体との相互作用の位置エネルギー) に還元されないエネルギー。このタイプのエネルギーは内部エネルギーと呼ばれます。

物体の内部エネルギーは、その粒子の熱運動の総運動エネルギーと、粒子間の相互作用のポテンシャルエネルギーを加えたものです。

熱力学系の内部エネルギーは、系に含まれる物体の内部エネルギーの合計です。

したがって、身体の内部エネルギーは、次の項によって形成されます。

1. 物体粒子の連続カオス運動の運動エネルギー。

2. 分子間相互作用の力による分子 (原子) のポテンシャルエネルギー。

3. 原子の電子のエネルギー。

4. 核内エネルギー。

の理想気体物質の最も単純なモデルの場合、内部エネルギーの明示的な式を得ることができます。

8.1 単原子理想気体の内部エネルギー

理想気体の粒子間の相互作用のポテンシャルエネルギーはゼロです (理想気体モデルでは、距離にある粒子の相互作用を無視していることを思い出してください)。したがって、単原子理想気体の内部エネルギーは、その原子の並進運動の全運動エネルギーに減少します。このエネルギーは、ガス原子の数 N に 1 つの原子の平均運動エネルギー E を掛けることによって求めることができます。

U=NE=N		kT=NA

U=32mRT:

理想気体の内部エネルギー (質量と化学組成変化しない）は、その温度のみの関数です。実際の気体、液体、または固体の場合、内部エネルギーは体積にも依存します。体積が変化すると、粒子の相対位置が変化し、その結果、相互作用のポテンシャルエネルギーが変化するためです。

8 多原子気体では、分子の回転や分子内の原子の振動も考慮する必要があります。

8.2 ステート関数

内部エネルギーの最も重要な特性は、それが熱力学系の状態の関数であることです。つまり、内部エネルギーは、システムを特徴付ける一連の巨視的パラメーターによって一意に決定され、システムの「前史」、つまり、システムが以前にどのような状態にあり、どのように具体的にこの状態になったかには依存しません。 .

したがって、ある状態から別の状態へのシステムの遷移中、その内部エネルギーの変化は、システムの初期状態と最終状態によってのみ決定され、初期状態から最終状態への遷移経路には依存しません。システムが元の状態に戻ると、内部エネルギーの変化はゼロになります。

経験によると、体の内部エネルギーを変化させる方法は 2 つしかありません。

機械的作業を行う;

熱伝達。

簡単に言えば、基本的に2つだけでやかんを加熱できます違う方法：何かでこするか、火にかけます:-)これらの方法をさらに詳しく考えてみましょう。

8.3 内部エネルギーの変化：仕事をする

身体に働きかけると、身体の内部エネルギーが増加します。

例えば、ハンマーで叩いた後の釘は熱で少し変形します。しかし、温度は物体の粒子の平均運動エネルギーの尺度です。釘を加熱すると、その粒子の運動エネルギーが増加します。実際、粒子は、ハンマーの打撃と板に対する釘の摩擦によって加速されます。

変形は、粒子同士の相対的な変位に他なりません。衝撃後、釘は圧縮変形し、その粒子は互いに接近し、それらの間の反発力が増加し、これが釘粒子の位置エネルギーの増加につながります。

それで、爪の内部エネルギーが増加しました。これは、ハンマーとボード上の摩擦力によって行われた作業の結果でした。

仕事が体自体によって行われると、体の内部エネルギーが減少します。たとえば、ピストンの下の断熱容器内の圧縮空気が膨張するとします。

特定の負荷を持ち上げ、それによって作業を行います9。このようなプロセスの間、空気はその分子によって冷却され、移動するピストンの後に衝突し、運動エネルギーの一部を空気に与えます。（同じように、サッカー選手は、速く飛んでいるボールを足で止め、ボールから遠ざけて速度を落とします。）したがって、空気の内部エネルギーは減少します。

したがって、空気はその内部エネルギーによって機能します。容器は断熱されているため、外部ソースからの空気へのエネルギー流入はなく、空気はそれ自体の蓄えからのみエネルギーを引き出して仕事を行うことができます。

8.4 内部エネルギーの変化：熱伝達

熱伝達とは、内部エネルギーが高温の物体から低温の物体に移動するプロセスであり、機械的作業の実行とは関係ありません。熱伝達は、物体を直接接触させるか、中間媒体を介して（さらには真空を介して）行うことができます。熱伝達は、熱伝達とも呼ばれます。

9 断熱容器内のプロセスは断熱と呼ばれます。熱力学第一法則を考えて断熱過程を調べます。

熱伝達には、伝導、対流、熱放射の 3 種類があります。次に、それらをさらに詳しく見ていきます。

8.5 熱伝導率

片端の鉄の棒を火の中に入れると、ご存知のように、長時間手に持つことはできません。高温領域に入ると、鉄原子はより激しく振動し始め (つまり、追加の運動エネルギーを獲得し)、隣接する原子に強い打撃を与えます。

隣接する原子の運動エネルギーも増加し、これらの原子は隣接する原子に追加の運動エネルギーを与えます。そのため、部分ごとに、火の中に置かれた端から私たちの手に棒に沿って熱が徐々に広がります。これが熱伝導率です (図 18)10。

米。 18.熱伝導率

熱伝導率は、熱運動と体粒子の相互作用による、体のより加熱された部分からより加熱されていない部分への内部エネルギーの移動です。

異なる物質の熱伝導率は異なります。金属は熱伝導率が高い：最高の指揮者熱は銀、銅、金です。液体の熱伝導率ははるかに低くなります。ガスは熱伝導が非常に悪いため、すでに断熱材に属しています。それらの間の距離が大きいため、ガス分子は互いに弱く相互作用します。そのため、たとえば、窓に二重フレームが作られています。空気の層が熱の逃げを防ぎます)。

したがって、レンガ、羊毛、毛皮などの多孔質体は熱伝導率が低くなります。それらは毛穴に空気を含んでいます。理由がないわけではないれんが造りの家最も暖かいと考えられており、寒い季節には毛皮のコートやジャケットにダウンや合成のウィンターライザーを重ねて着ます。

しかし、空気の熱伝導が非常に悪い場合、なぜ部屋はバッテリーから暖まるのですか? これは、異なるタイプの熱伝達対流によるものです。

8.6 対流

対流とは、流れの循環と物質の混合の結果として、液体または気体の内部エネルギーが移動することです。

バッテリーの近くの空気は加熱され、膨張します。この空気に作用する重力は同じままですが、周囲の空気からの浮力が増加するため、加熱された空気は天井に向かって浮き始めます。その代わりに寒さがやってくる

10 ウェブサイトからの画像 Educationelectronicsusa.com。

同じことが繰り返されるair11。

その結果、対流の一例として機能する空気循環が確立され、室内の熱の分配は気流によって行われます。

完全に類似したプロセスが液体で観察できます。やかんや水を入れた鍋をストーブの上に置くと、主に対流によって水が加熱されます (ここでは、水の熱伝導率の寄与は非常に重要ではありません)。

空気と液体の対流を図 19 に示します12。

米。 19.対流

固体には対流はありません。粒子の相互作用力は大きく、粒子は固定された空間点 (ノード) の近くで振動します。結晶格子)、そしてそのような条件下では物質の流れは形成できません。

部屋を暖房するときに対流が循環するためには、加熱された空気がどこかに浮かぶ必要があります。ラジエーターが天井の下に設置されている場合、暖かい空気が循環しないため、天井の下に残ります。そのため、暖房器具は部屋の下部に配置されています。同じ理由で、やかんが火にかけられ、その結果、加熱された水の層が上昇し、より冷たい層に取って代わられます。

それどころか、エアコンはできるだけ高く配置する必要があります。冷却された空気が沈み始め、その場所に暖かい空気が入ります。循環は逆方向部屋を暖房するときの流れの動きと比較して。

8.7 熱放射

地球はどのようにして太陽からエネルギーを得るのですか? 熱伝導と対流は除外されます。私たちは 1 億 5000 万キロメートルの空気のない空間で隔てられています。

熱伝達の 3 番目のタイプは熱放射です。放射線は、物質中と真空中の両方で伝播できます。それはどのように発生しますか？

電場と磁場は互いに密接に関係しており、1 つの顕著な性質を持っていることがわかりました。もしも電界時間とともに変化すると、磁場が生成され、一般的に言えば、磁場も時間とともに変化します13。次に、交番磁界が交番電界を生成し、交番電界が再び交番磁界を生成し、交番電界が再び交番電界を生成します。 . .

11 自然界では、同じプロセスがより大規模に絶えず起こっています。これが、風が発生する方法です。

12枚の画像はphysics.arizona.eduから。

13 これについては、電気力学の電磁誘導のトピックで詳しく説明します。

このプロセスの開発の結果として、電磁波が「フックされた」電場と磁場が空間を伝播します。音と同じように、電磁波には伝搬速度と周波数があります。この場合それは、場の大きさと方向が波の中で変動する周波数です。可視光特別なケース電磁波。

真空中の電磁波の伝搬速度は、秒速 30 万 km と非常に高速です。つまり、地球から月まで、光は 1 秒強で移動します。

電磁波の周波数範囲は非常に広いです。電磁波のスケールについては、対応するシートで詳しく説明します。ここでは、可視光がこのスケールの小さな範囲であることに注意してください。その下には赤外線の周波数があり、紫外線の周波数の上にあります。

一般に電気的に中性である原子には、正に帯電した陽子と負に帯電した電子が含まれていることを思い出してください。これらの荷電粒子は、原子とともに無秩序な運動を行い、交流電界を生成し、それによって電磁波を放射します。これらの波は、その源が物質粒子の熱運動であることを思い出させるために、熱放射と呼ばれます。

どんな物体も熱放射の源です。この場合、放射線はその内部エネルギーの一部を運び去ります。別の物体の原子と出会った放射線は、その振動で原子を加速します。電界、そしてこの体の内部エネルギーが増加します。これが私たちが日光浴をする方法です。

常温では、熱放射の周波数は赤外線の範囲にあるため、目はそれを認識しません（「光る」方法はわかりません）。物体が加熱されると、その原子はより高い周波数の波を放出し始めます。鉄の釘は、その熱放射が可視範囲の下部 (赤) に入るような温度まで真っ赤に加熱することができます。そして、太陽は私たちには黄白色に見えます。太陽の表面の温度は非常に高く（6000 C）、その放射のスペクトルには、すべての周波数の可視光と紫外線が含まれているため、日光浴をしています。

3 種類の熱伝達をもう一度見てみましょう (図 20)14。

米。 20. 熱伝達の 3 つのタイプ: 伝導、対流、放射

beodom.com からの 14 枚の画像。

MKT によると、すべての物質は連続的な熱運動を行い、互いに相互作用する粒子で構成されています。そのため、身体が静止していて位置エネルギーがゼロであっても、身体を構成する微粒子の運動と相互作用の総エネルギーであるエネルギー（内部エネルギー）を持っています。内部エネルギーの組成には次のものが含まれます。

分子の並進運動、回転運動、振動運動の運動エネルギー。
原子と分子の相互作用のポテンシャルエネルギー;
原子内および核内エネルギー。

熱力学では、プロセスは分子内の原子の振動運動が励起されない温度で考慮されます。これらのプロセスでは、内部エネルギーの最初の 2 つの成分のみが変化します。それが理由です

下 内部エネルギー熱力学では、物体のすべての分子と原子の運動エネルギーとそれらの相互作用のポテンシャルエネルギーの合計を理解しています。

物体の内部エネルギーは、その熱状態を決定し、ある状態から別の状態への移行中に変化します。この状態では、身体が通過した結果としてのプロセスに関係なく、身体は明確に定義された内部エネルギーを持っています与えられた状態. したがって、内部エネルギーは非常に頻繁に呼ばれます 身体状態機能.

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)

どこ私- 自由度。単原子ガス（不活性ガスなど）の場合私= 3、二原子の場合 - 私 = 5.

これらの式から、理想気体の内部エネルギーは 温度と分子数のみに依存体積や圧力に依存しません。したがって、理想気体の内部エネルギーの変化は、その温度の変化によってのみ決定され、気体がある状態から別の状態に移行するプロセスの性質には依存しません。

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)

どこで ∆ T = T 2 - T 1 .

実在気体の分子は互いに相互作用するため、位置エネルギーを持っています W p 、分子間の距離に依存し、その結果、ガスが占める体積に依存します。したがって、実在気体の内部エネルギーは、その温度、体積、および分子構造に依存します。

*式の導出

分子の平均運動エネルギー \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

気体中の分子の数 \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\)。

したがって、理想気体の内部エネルギーは

\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)

とすれば k·N A= Rは普遍気体定数です。

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) は、理想気体の内部エネルギーです。

内部エネルギーの変化

実用的な問題を解決するために、重要な役割を果たすのは内部エネルギー自体ではなく、その変化 Δ う = う 2 - う 1. 内部エネルギーの変化は、エネルギー保存則に基づいて計算されます。

体の内部エネルギーは、次の 2 つの方法で変化します。

作るとき 機械作業. a）外力が物体の変形を引き起こす場合、それを構成する粒子間の距離が変化し、その結果、粒子の相互作用のポテンシャルエネルギーが変化します。さらに、非弾性変形では、体の温度が変化します。粒子の熱運動の運動エネルギーが変化します。しかし、体が変形すると、体の内部エネルギーの変化の尺度である仕事が行われます. b) 物体の内部エネルギーは、別の物体との非弾性衝突中にも変化します。前に見たように、物体の非弾性衝突中、それらの運動エネルギーは減少し、内部エネルギーに変わります（たとえば、金床に置かれたワイヤーをハンマーで数回叩くと、ワイヤーが熱くなります）。物体の運動エネルギーの変化の尺度は、運動エネルギーの定理によれば、作用する力の仕事です。この作業は、内部エネルギーの変化の尺度としても役立ちます。 c) 物体の内部エネルギーの変化は、摩擦力の作用下で発生します。これは、経験から知られているように、摩擦には常に摩擦物体の温度の変化が伴うためです。摩擦力の仕事は、内部エネルギーの変化の尺度として役立ちます。
助けを借りて 熱伝達. 例えばバーナーの炎に物体を入れると温度が変化するため、内部エネルギーも変化します。ただし、ボディ自体またはそのパーツの目に見える動きがなかったため、ここでは作業は行われませんでした。

仕事をしていないシステムの内部エネルギーの変化は呼ばれます 熱交換（熱伝達）。

熱伝達には、伝導、対流、放射の 3 種類があります。

A) 熱伝導率体の粒子の熱的無秩序な動きによる、直接接触する体 (または体の部分) 間の熱交換のプロセスです。固体の分子の振動の振幅は、その温度が高いほど大きくなります。気体の熱伝導率は、衝突中の気体分子間のエネルギー交換によるものです。液体の場合、両方のメカニズムが機能します。物質の熱伝導率は、固体の状態で最大になり、気体の状態で最小になります。

b) 対流液体または気体の加熱された流れによる、それらが占める体積の一部から別の部分への熱の移動です。

c) での熱伝達 放射線電磁波を使って遠隔で行う。

内部エネルギーを変更する方法をさらに詳しく考えてみましょう。

機械作業

熱力学的プロセスを考慮する場合、マクロボディ全体の機械的動きは考慮されません。ここでの仕事の概念は、体の体積の変化に関連しています。互いに対してマクロボディの可動部分。このプロセスにより、粒子間の距離が変化し、多くの場合、粒子の移動速度が変化するため、体内の内部エネルギーが変化します。

等圧プロセス

最初に等圧過程を考えてみましょう。ある温度で可動ピストンを備えたシリンダー内にガスがあるとします T 1 (図 1)。

ガスをゆっくりと温度まで加熱します T 2. ガスは等圧的に膨張し、ピストンは位置から移動します 1 位置に 2 距離Δ l. この場合、気体の圧力が外部物体に作用します。なぜなら p= const、次に圧力力ふ = p・Sも一定。したがって、この力の仕事は次の式で計算できます。

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

どこで ∆ Ⅴ- ガス量の変化。

気体の体積が変化しない場合 (等容過程)、気体が行う仕事はゼロです。

ガスは、その体積を変化させる過程でのみ機能します。

拡大時（Δ Ⅴ> 0) 気体 ( あ> 0); 圧縮下 (Δ Ⅴ < 0) газа совершается ネガティブな仕事 (あ < 0).

外力の仕事を考えるとあ " (あ " = –あ)、展開 (Δ Ⅴ> 0) ガスあ " < 0); при сжатии (ΔⅤ < 0) あ " > 0.

2 つの気体状態の Clapeyron-Mendeleev 方程式を書きましょう。

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

したがって、 等圧プロセス

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

ν = 1 mol の場合、Δ Τ = 1 K が得られます R数値的に等しいあ.

したがって、 普遍気体定数の物理的意味: 等圧的に 1 K 加熱されたとき、理想気体 1 モルが行う仕事に数値的に等しい。

等圧プロセスではない

チャート上 p (Ⅴ) 等圧プロセスでは、仕事は図 2 で影を付けた長方形の面積に等しくなります。

プロセスの場合 等圧ではない(図 2、b)、関数曲線 p = へ(Ⅴ) で構成される破線として表すことができます。多数アイソコアとアイソバー。等容セクションの作業はゼロに等しく、すべての等圧セクションの合計作業は次のようになります。

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\) または \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )

それらの。に等しくなります 影付きの面積.

で 等温プロセス (T= const) 仕事は、図 2、c に示す影付きの図の面積に等しくなります。

最後の式を使用して仕事を決定できるのは、ガスの圧力がその体積の変化に伴ってどのように変化するかがわかっている場合のみです。関数の形が知られている p = へ(Ⅴ).

したがって、ガスの体積が同じ変化をしたとしても、仕事はガスの初期状態から最終状態への移行方法（つまり、プロセス：等温、等圧...）に依存することは明らかです。したがって、次のように結論付けることができます。

熱力学における仕事はプロセス関数であり、状態関数ではありません。

熱量

ご存知のように、さまざまな機械的プロセス中に、機械的エネルギーに変化があります。 W. 機械的エネルギーの変化の尺度は、システムに適用される力の仕事です。

\(~\DeltaW = A.\)

熱伝達中、体の内部エネルギーに変化が生じます。熱伝達中の内部エネルギーの変化の尺度は熱量です。

熱量は、熱伝達中の内部エネルギーの変化の尺度です。

したがって、仕事と熱量の両方がエネルギーの変化を特徴付けますが、内部エネルギーと同一ではありません。それらは、システム自体の状態を特徴付けるものではありませんが (内部エネルギーが行うように)、状態が変化したときに、ある形態から別の形態への (ある物体から別の物体への) エネルギー遷移のプロセスを決定し、本質的にプロセスの性質に依存します。

仕事と熱の主な違いは、

この作品は、あるタイプから別のタイプへのエネルギーの変換（機械的から内部的へ）を伴う、システムの内部エネルギーを変化させるプロセスを特徴付けています。
熱量は、エネルギー変換を伴わない、ある物体から別の物体への内部エネルギーの移動のプロセスを特徴付けます（より加熱されたものからより加熱されていないものへ）。

暖房（冷房）

経験によると、質量のある物体を加熱するのに必要な熱量は メートル温度 T 1～温度 T 2 は次の式で計算されます。

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

どこ c- 物質の比熱容量（表の値）;

\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)

ユニット比熱単位は SI で、ジュール/キログラム - ケルビン (J/(kg K)) です。

比熱 cは、質量 1 kg の物体を 1 K 加熱するために与えなければならない熱量に数値的に等しい。

比熱容量に加えて、体の熱容量などの量も考慮されます。

熱容量体 C数値的には、体温を 1 K 変化させるのに必要な熱量に等しい:

\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)

物体の熱容量の SI 単位はジュール/ケルビン (J/K) です。

気化（凝縮）

一定温度で液体を蒸気に変えるために必要な熱量は、

\(~Q = L\cdot m,\)

どこ L- 気化比熱 (表の値)。蒸気が凝縮すると、同じ量の熱が放出されます。

気化比熱の SI 単位は、キログラムあたりのジュール (J/kg) です。

融解（結晶化）

塊のある結晶体を溶かすには メートル融点では、体が熱量を報告する必要があります

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

どこ λ - 融解比熱 (表の値)。体の結晶化中に、同じ量の熱が放出されます。

融解比熱の SI 単位は、キログラムあたりのジュール (J/kg) です。

燃料燃焼

燃料塊の完全燃焼中に放出される熱量 メートル,

\(~Q = q \cdot m,\)

どこ q- 燃焼比熱 (表の値)。

燃焼比熱の SI 単位は、キログラムあたりのジュール (J/kg) です。

文学

Aksenovich L. A.物理学高校：仮説。タスク。テスト: Proc. 一般を提供する機関のための手当。環境、教育 / L. A. Aksenovich、N. N. Rakina、K. S. Farino; エド。 K・S・ファリーノ。 - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

内部エネルギーは変化しますか？ 体の内部エネルギーを変える方法