Môže sa zmeniť vnútorná energia? Spôsoby zmeny vnútornej energie tela

Vnútornú energiu je možné meniť dvoma spôsobmi.

Ak sa na tele pracuje, jeho vnútorná energia sa zvyšuje.

Vnútorná energia tela(označované ako E alebo U) je súčet energií molekulárnych interakcií a tepelných pohybov molekuly. Vnútorná energia je jedinečná funkcia stavu systému. To znamená, že kedykoľvek sa systém ocitne v danom stave, jeho vnútorná energia nadobudne hodnotu inherentnú tomuto stavu, bez ohľadu na predchádzajúcu históriu systému. V dôsledku toho sa zmena vnútornej energie počas prechodu z jedného stavu do druhého bude vždy rovnať rozdielu medzi jej hodnotami v konečnom a počiatočnom stave, bez ohľadu na cestu, po ktorej sa prechod uskutočnil.

Vnútornú energiu telesa nemožno merať priamo. Môžete určiť iba zmenu vnútornej energie:

Tento vzorec je matematickým vyjadrením prvého zákona termodynamiky

Pre kvázistatické procesy platí nasledujúci vzťah:

Teplota meraná v kelvinoch

Entropia meraná v jouloch/kelvinoch

Tlak meraný v pascaloch

Chemický potenciál

Počet častíc v systémoch

Teplo spaľovania paliva. Podmienečné palivo. Množstvo vzduchu potrebného na spaľovanie paliva.

Kvalita paliva sa posudzuje podľa jeho výhrevnosti. Charakterizovať pevné a tekuté typy palivo slúži ako indikátor špecifické teplo spaľovanie, čo je množstvo tepla uvoľneného pri úplnom spálení jednotky hmotnosti (kJ/kg). Pre plynné palivá sa používa ukazovateľ objemová výhrevnosť, čo je množstvo tepla uvoľneného pri spaľovaní jednotkového objemu (kJ/m3). Okrem toho sa plynné palivá v niektorých prípadoch hodnotia podľa množstva tepla uvoľneného pri úplnom spálení jedného mólu plynu (kJ/mol).

Spalné teplo sa zisťuje nielen teoreticky, ale aj experimentálne, spaľovaním určitého množstva paliva v špeciálnych zariadeniach nazývaných kalorimetre. Spalné teplo sa odhaduje zvýšením teploty vody v kolorimetri. Výsledky získané touto metódou sú blízke hodnotám vypočítaným z elementárneho zloženia paliva.

Otázka 14Zmena vnútornej energie počas vykurovania a chladenia. Práca plynu pri zmene objemu.

Vnútorná energia tela závisí na priemernej kinetickej energii jeho molekúl a táto energia zase závisí od teploty. Zmenou teploty telesa teda meníme jeho vnútornú energiu.Pri zahrievaní telesa jeho vnútorná energia rastie a pri ochladzovaní klesá.

Vnútornú energiu tela je možné zmeniť aj bez práce. Môže sa napríklad zvýšiť ohriatím kanvice s vodou na sporáku alebo spustením lyžice do pohára horúceho čaju. Vyhrieva sa krb, v ktorom sa zapaľuje oheň, strecha domu osvetlená slnkom atď.. Zvýšenie teploty telies vo všetkých týchto prípadoch znamená zvýšenie ich vnútornej energie, ale toto zvýšenie nastáva bez vykonania práce .

Zmena vnútornej energie telo bez vykonávania práce sa nazýva prenos tepla. Výmena tepla prebieha medzi telesami (alebo časťami toho istého telesa), ktoré majú rôzne teploty.

Ako napríklad dochádza k výmene tepla pri kontakte studenej lyžice s horúca voda? Po prvé, priemerná rýchlosť a kinetická energia molekúl horúca voda prekročiť priemernú rýchlosť a kinetickú energiu častíc kovu, z ktorého je lyžica vyrobená. Ale na tých miestach, kde sa lyžica dostane do kontaktu s vodou, začnú molekuly horúcej vody prenášať časť svojej kinetickej energie na častice lyžice a tie sa začnú pohybovať rýchlejšie. Kinetická energia molekúl vody klesá a kinetická energia častíc lyžice sa zvyšuje. Spolu s energiou sa mení aj teplota: voda sa postupne ochladzuje a lyžica sa zahrieva. Ich teplota sa mení, až kým nebude rovnaká pri vode aj na lyžičke.

Časť vnútornej energie prenesenej z jedného telesa na druhé pri výmene tepla sa označuje písmenom a nazýva sa množstvo tepla.

Q je množstvo tepla.

Množstvo tepla by sa nemalo zamieňať s teplotou. Teplota sa meria v stupňoch a množstvo tepla (ako každá iná energia) sa meria v jouloch.

Keď sa telesá s rôznymi teplotami dostanú do kontaktu, teplejšie teleso odovzdá určité teplo a chladnejšie telo ho prijme.

Práca pri izobarickej expanzii plynu. Jedným z hlavných termodynamických procesov vyskytujúcich sa vo väčšine tepelných motorov je proces expanzie plynu s výkonom práce. Je ľahké určiť prácu vykonanú počas izobarickej expanzie plynu.

Ak sa pri izobarickej expanzii plynu z objemu V1 do objemu V2 ​​posunie piest vo valci o vzdialenosť l (obr. 106), potom sa práca A“ vykonaná plynom rovná

Kde p je tlak plynu a je zmena jeho objemu.

Pracujte s ľubovoľným procesom expanzie plynu.Ľubovoľný proces expanzie plynu z objemu V1 do objemu V2 ​​možno znázorniť ako súbor striedajúcich sa izobarických a izochorických procesov.

Práca pri izotermickej expanzii plynu. Porovnaním plôch obrázkov pod rezom izotermy a izobary môžeme konštatovať, že expanzia plynu z objemu V1 do objemu V2 ​​pri rovnakej počiatočnej hodnote tlaku plynu je sprevádzaná v prípade izobarickej expanzie vykonaním väčšej práce.

Pracujte počas kompresie plynu. Keď sa plyn rozpína, smer vektora tlakovej sily plynu sa zhoduje so smerom vektora posunutia, preto je práca A" vykonaná plynom kladná (A" > 0) a práca A vonkajších síl je záporná: A = -A"< 0.

Keď je plyn stlačený smer vektora vonkajšej sily sa zhoduje so smerom posunutia, preto práca A vonkajších síl je kladná (A > 0) a práca A" vykonaná plynom je záporná (A"< 0).

Adiabatický proces. Okrem izobarických, izochorických a izotermických procesov sa v termodynamike často uvažuje o adiabatických procesoch.

Adiabatický proces je proces, ktorý sa vyskytuje v termodynamickom systéme bez výmeny tepla s okolitými telesami, t.j. za podmienky Q = 0.

Otázka 15 Podmienky pre telesnú rovnováhu. Moment sily. Druhy rovnováhy.

Rovnováha alebo rovnováha určitého počtu súvisiacich javov v prírodných a humanitných vedách.

Systém sa považuje za rovnovážny, ak sú všetky vplyvy na tento systém kompenzované inými alebo úplne chýbajú. Podobným konceptom je udržateľnosť. Rovnováha môže byť stabilná, nestabilná alebo indiferentná.

Typické príklady rovnováha:

1. Mechanická rovnováha, známa aj ako statická rovnováha, je stav telesa v pokoji alebo v rovnomernom pohybe, v ktorom je súčet síl a momentov, ktoré naň pôsobia, nulový.

2. Chemická rovnováha- poloha, v ktorej chemická reakcia prebieha v rovnakom rozsahu ako spätná reakcia a nemá za následok zmenu množstva každej zložky.

3. Fyzická rovnováha ľudí a zvierat, ktorá je udržiavaná pochopením jej nevyhnutnosti a v niektorých prípadoch aj umelým udržiavaním tejto rovnováhy [zdroj neuvedený 948 dní].

4. Termodynamická rovnováha je stav systému, v ktorom jeho vnútorné procesy nevedú k zmenám makroskopických parametrov (ako je teplota a tlak).

R nulová rovnosť algebraického súčtu momenty sily neznamená, že telo je nevyhnutne v pokoji. Niekoľko miliárd rokov rotácia Zeme okolo svojej osi pokračuje s konštantnou periódou práve preto, že algebraický súčet momentov síl pôsobiacich na Zem z iných telies je veľmi malý. Z rovnakého dôvodu rotujúce koleso bicykla pokračuje v rotácii konštantnou frekvenciou a iba vonkajšie sily toto otáčanie zastavia.

Druhy rovnováhy. V praxi dôležitú úlohu zohráva nielen splnenie podmienky rovnováhy telies, ale aj kvalitatívna charakteristika rovnováhy, nazývaná stabilita. Existujú tri typy rovnováhy telies: stabilné, nestabilné a ľahostajné. Rovnováha sa nazýva stabilná, ak sa telo po malých vonkajších vplyvoch vráti do pôvodného rovnovážneho stavu. K tomu dochádza, ak sa pri miernom posunutí telesa v ľubovoľnom smere z pôvodnej polohy stane výslednica síl pôsobiacich na teleso nenulová a smeruje do rovnovážnej polohy. Napríklad guľa je v stabilnej rovnováhe na dne vybrania.

Všeobecný stav pre telesnú rovnováhu. Spojením týchto dvoch záverov môžeme formulovať Všeobecná podmienka rovnováha telesa: teleso je v rovnováhe, ak sa geometrický súčet vektorov všetkých síl, ktoré naň pôsobia, a algebraický súčet momentov týchto síl voči osi otáčania rovnajú nule.

Otázka 16Vyparovanie a kondenzácia. Odparovanie. Vriaca kvapalina. Závislosť varu kvapaliny od tlaku.

Vyparovanie - vlastnosť kvapôčok kvapalín meniť svoj stav agregácie a meniť sa na paru. Tvorba pary, ktorá sa vyskytuje iba na povrchu kvapôčky kvapaliny, sa nazýva vyparovanie. Vyparovanie v celom objeme kvapaliny sa nazýva var; vyskytuje sa pri určitej teplote v závislosti od tlaku. Tlak, pri ktorom kvapalina pri danej teplote vrie, sa nazýva tlak nasýtené pary pnp, jeho hodnota závisí od typu kvapaliny a jej teploty.

Odparovanie- proces prechodu látky z kvapalného do plynného skupenstva (para). Vyparovací proces je opakom kondenzačného procesu (prechod z parného do kvapalného skupenstva. Vyparovanie (vyparovanie), prechod látky z kondenzovanej (tuhej alebo kvapalnej) fázy do plynnej (pary); I. rád. fázový prechod.

Kondenzácia - je to proces spätný proces odparovanie. Počas kondenzácie sa molekuly pary vracajú späť do kvapaliny. V uzavretej nádobe môže byť kvapalina a jej para v stave dynamickej rovnováhy, keď sa počet molekúl opúšťajúcich kvapalinu rovná počtu molekúl vracajúcich sa do kvapaliny z pary, to znamená, keď sú rýchlosti vyparovania a kondenzácia sú rovnaké. Takýto systém sa nazýva dvojfázový. Para, ktorá je v rovnováhe so svojou kvapalinou, sa nazýva nasýtená. Počet molekúl emitovaných z jednotkovej plochy povrchu kvapaliny za jednu sekundu závisí od teploty kvapaliny. Počet molekúl vracajúcich sa z pary do kvapaliny závisí od koncentrácie molekúl pary a od priemernej rýchlosti ich tepelného pohybu, ktorá je určená teplotou pary.

Vriaci- proces vyparovania v kvapaline (prechod látky z kvapaliny do plynné skupenstvo), s výskytom hraníc fázovej separácie. Teplota varu pri atmosférickom tlaku sa zvyčajne udáva ako jedna z hlavných fyzikálno-chemických charakteristík chemicky čistej látky.

Varenie sa rozlišuje podľa typu:

1. varenie s voľnou konvekciou vo veľkom objeme;

2. varenie pri nútenej konvekcii;

3. ako aj vo vzťahu k priemerná teplota teplota kvapaliny do nasýtenia:

4. var kvapaliny podhriatej na teplotu nasýtenia (povrchový var);

5. var kvapaliny zohriatej na teplotu nasýtenia

Bublina

Vriaci , pri ktorom sa para vo forme periodicky nukleujúcich a rastúcich bublín nazýva nukleátový var. Pri pomalom vare jadier sa v kvapaline (presnejšie zvyčajne na stenách alebo dne nádoby) objavujú bubliny naplnené parou. V dôsledku intenzívneho odparovania kvapaliny vo vnútri bublín tieto rastú, plávajú a para sa uvoľňuje do parnej fázy nad kvapalinou. V tomto prípade je kvapalina vo vrstve blízko steny v mierne prehriatom stave, t.j. jej teplota presahuje nominálny bod varu. Za normálnych podmienok je tento rozdiel malý (rádovo jeden stupeň).

Film

Keď sa tepelný tok zvýši na určitú kritickú hodnotu, jednotlivé bubliny sa zlúčia a vytvoria súvislú vrstvu pary pri stene nádoby, ktorá sa periodicky rozpadá do objemu kvapaliny. Tento režim sa nazýva filmový režim.

©2015-2019 stránka
Všetky práva patria ich autorom. Táto stránka si nenárokuje autorstvo, ale poskytuje bezplatné používanie.
Dátum vytvorenia stránky: 20.08.2016

Vnútorná energia telesa nie je nejaký druh konštantnej veličiny: môže sa meniť pre to isté teleso. Ako teplota stúpa telesa, vnútorná energia telesa sa zvyšuje so zvyšujúcou sa priemernou rýchlosťou a teda aj kinetickú energiu molekúl tohto telesa. S poklesom teploty naopak vnútorná energia tela klesá. Vnútorná energia telesa sa teda mení, keď sa mení rýchlosť pohybu jeho molekúl. Akým spôsobom je možné túto rýchlosť zvýšiť alebo znížiť? Obráťme sa na skúsenosti.

Na stojane (obr. 181) je tenkostenná mosadzná rúrka, do ktorej sa naleje trochu éteru, rúrka je tesne uzavretá zátkou. Okolo rúrky je ovinuté lano a lano sa rýchlo pohybuje jedným alebo druhým smerom. Po určitom čase éter vrie a jeho para vytlačí zátku. Tento experiment ukazuje, že vnútorná energia éteru sa zvýšila: koniec koncov sa zahrial a dokonca aj varil. K zvýšeniu vnútornej energie došlo v dôsledku práce vykonanej pri trení rúrky s lanom.

Telesá sa zahrievajú aj pri nárazoch, vysúvaní a ohýbaní a celkovo pri deformácii. Vo všetkých týchto prípadoch sa vďaka dokonalej práci zvyšuje vnútorná energia tiel.

Takže vnútorná energia telá sa dajú zväčšiť o robiť prácu na tele. Ak prácu vykonáva samotné telo, jeho vnútorná energia klesá. To možno pozorovať v nasledujúcom experimente.

Vezmite hrubostenné sklenená nádoba, uzavretý zátkou. Vzduch obsahujúci vodnú paru sa čerpá do nádoby cez špeciálny otvor. Po určitom čase zátka vyskočí z nádoby (obr. 182). Vo chvíli, keď korok vyskočí, v nádobe sa objaví hmla. Jeho vzhľad znamená, že vzduch v plavidle sa ochladil (nezabudnite, že počas chladného počasia sa vonku objavuje aj hmla).

Stlačený vzduch v nádobe, vytláčajúci zátku, funguje. Túto prácu robí na úkor svojej vnútornej energie, ktorá klesá. Pokles energie posudzujeme ochladzovaním vzduchu v nádobe.

Vnútornú energiu tela je možné meniť aj iným spôsobom.

Je známe, že kanvica s vodou stojaca na sporáku, kovová lyžica spustená do pohára horúceho čaju, sporák, v ktorom je zapálený oheň, strecha domu osvetlená slnkom sa zahrieva. Vo všetkých prípadoch sa teplota telies zvyšuje, čo znamená, že sa zvyšuje aj ich vnútorná energia. Ako vysvetliť jeho nárast?

Ako sa napríklad zahrieva studená kovová lyžička ponorená do horúceho čaju? Po prvé, rýchlosť a kinetická energia molekúl horúcej vody je väčšia ako rýchlosť a kinetická energia studených kovových častíc. V miestach, kde sa lyžica dostane do kontaktu s vodou, molekuly horúcej vody odovzdajú časť svojej kinetickej energie studeným časticiam kovu. Preto sa rýchlosť a energia molekúl vody v priemere znižuje a rýchlosť a energia kovových častíc sa zvyšuje: teplota vody klesá a teplota lyžice sa zvyšuje - ich teploty sa postupne vyrovnávajú. S poklesom kinetickej energie molekúl vody ubúda a vnútorná energia všetkých voda v pohári a vnútorná energia lyžice sa zvyšuje.

Proces zmeny vnútornej energie, pri ktorom sa na telese nepracuje, ale energia sa prenáša z jednej častice na druhú, sa nazýva prenos tepla. Takže vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi: vykonávanie mechanickej práce alebo prenosu tepla.

Keď je telo už zahriate, nevieme uviesť, ktorým z dvoch spôsobov sa tak stalo. Keď teda držíme v rukách nahriatu oceľovú pletaciu ihlicu, nevieme povedať, akým spôsobom bola zahriata – trením alebo umiestnením do plameňa.

Otázky. 1. Uveďte príklady, ktoré ukazujú, že vnútorná energia tela sa zvyšuje, keď sa na tele pracuje. 2. Opíšte experiment, ktorý ukazuje, že teleso môže pracovať vďaka vnútornej energii. 3. Uveďte príklady zvýšenia vnútornej energie telesa prenosom tepla. 4. Vysvetlite na základe molekulárna štruktúra látky prenášajúce teplo. 5. Aké sú dva spôsoby zmeny vnútornej energie tela?

Cvičenie.

Umiestnite päťkopeckú mincu na list preglejky alebo drevená doska. Pritlačte mincu na dosku a rýchlo ňou pohybujte, najskôr jedným smerom, potom druhým smerom. Všimnite si, koľkokrát musíte posunúť mincu tak, aby sa zahriala, horúce. Urobte záver o súvislosti medzi vykonanou prácou a zvýšením vnútornej energie tela.

Vnútorná energia je súčet kinetických energií všetkých častíc, ktoré tvoria telo, a potenciálnych energií vzájomného pôsobenia týchto častíc. To zahŕňa energiu interakcie elektrónov s jadrami a energiu interakcie komponentov jadier.

Vnútorná energia závisí od jej teploty. Teplota charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc látky. Pri zmene teploty sa mení vzdialenosť medzi časticami, preto sa mení aj energia interakcie medzi nimi.

Vnútorná energia sa tiež mení, keď sa látka pohybuje od jedného stav agregácie inému. Procesy spojené so zmenami teploty alebo stavu agregácie látky sa nazývajú tepelný. Tepelné procesy sú sprevádzané zmenami vnútornej energie tela.

Chemické reakcie, jadrové reakcie sú sprevádzané aj zmenou vnútornej energie tela, pretože mení sa interakčná energia častíc zúčastňujúcich sa reakcií. Vnútorná energia sa mení, keď je energia emitovaná alebo absorbovaná atómami počas prechodu elektrónov z jedného obalu do druhého.

Jeden z spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu je Job. Takže, keď sa dve telesá trú o seba, ich teplota sa zvyšuje, t.j. ich vnútorná energia sa zvyšuje. Napríklad pri spracovaní kovov – vŕtanie, sústruženie, frézovanie.

Keď sa dve telá dostanú do kontaktu s rozdielne teploty Dochádza k prenosu energie z telesa s vysokou teplotou na teleso s nízkou teplotou. Proces prenosu energie z jedného telesa do druhého, ktoré má nižšiu teplotu, sa nazýva prenos tepla.

V prírode teda existujú dva procesy, pri ktorých sa vnútorná energia tela mení:

a) premena mechanickej energie na vnútornú energiu a naopak; súčasne sa vykonáva práca;

b) prenos tepla; v tomto prípade sa nevykonáva žiadna práca.

Ak zmiešate horúce a studená voda, potom môžete experimentálne overiť, že množstvo tepla odovzdaného horúcou vodou a množstvo prijatého tepla studená voda, sú si navzájom rovné. Skúsenosti ukazujú, že ak dôjde k výmene tepla medzi telesami, potom sa vnútorná energia všetkých vykurovacích telies zvýši o toľko, koľko sa zníži vnútorná energia chladiacich telies. Energia sa teda presúva z jedného telesa do druhého, ale celková energia všetkých telies zostáva nezmenená. Toto zákon zachovania a premeny energie.

Vo všetkých javoch vyskytujúcich sa v prírode sa energia ani neobjavuje, ani nezaniká. Len sa transformuje z jedného typu na druhý, pričom jeho význam zostáva rovnaký.

Napríklad olovená guľka letiaca určitou rýchlosťou narazí na prekážku a zahreje sa.

Alebo sa kúsok ľadu padajúci zo snehového mraku topí pri zemi.

Častice akéhokoľvek telesa, atómy alebo molekuly podliehajú chaotickému, nepretržitému pohybu (takzvaný tepelný pohyb). Preto má každá častica určitú kinetickú energiu.

Okrem toho častice hmoty navzájom interagujú prostredníctvom síl elektrickej príťažlivosti a odpudzovania, ako aj prostredníctvom jadrových síl. Preto celý systém častíc dané telo Má tiež potenciálnu energiu.

Vzniká kinetická energia tepelného pohybu častíc a potenciálna energia ich vzájomného pôsobenia nový druh energiu, ktorá nie je redukovaná na mechanickú energiu telesa (t.j. kinetickú energiu pohybu telesa ako celku a potenciálnu energiu jeho interakcie s inými telesami). Tento druh energie sa nazýva vnútorná energia.

Vnútorná energia telesa je celková kinetická energia tepelného pohybu jeho častíc plus potenciálna energia ich vzájomnej interakcie.

Vnútorná energia termodynamického systému je súčtom vnútorných energií telies zahrnutých v systéme.

Vnútornú energiu tela teda tvoria nasledujúce pojmy.

1. Kinetická energia nepretržitého chaotického pohybu častíc tela.

2. Potenciálna energia molekúl (atómov) v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie.

3. Energia elektrónov v atómoch.

4. Vnútrojadrová energia.

IN V prípade najjednoduchšieho modelu ideálnej plynnej látky je možné získať explicitný vzorec pre vnútornú energiu.

8.1 Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Potenciálna energia interakcie medzi časticami ideálneho plynu je nulová (pripomeňme, že v modeli ideálneho plynu zanedbávame interakciu častíc na diaľku). Preto sa vnútorná energia monatomického ideálneho plynu redukuje na celkovú kinetickú energiu translačného pohybu jeho atómov. Túto energiu možno nájsť vynásobením počtu atómov plynu N priemernou kinetickou energiou E jedného atómu:

U = 3 2 m RT:

Vidíme, že vnútorná energia ideálneho plynu (hmotnosť a chemické zloženie ktoré sú nezmenené) je funkciou len jeho teploty. V skutočnom plyne, kvapaline alebo pevnej látke bude vnútorná energia závisieť aj od objemu, pretože pri zmene objemu sa mení relatívne usporiadanie častíc a v dôsledku toho aj potenciálna energia ich interakcie.

8 V prípade polyatómového plynu treba brať do úvahy aj rotáciu molekúl a vibrácie atómov v molekulách.

8.2 Stavová funkcia

Najdôležitejšou vlastnosťou vnútornej energie je, že je funkciou stavu termodynamického systému. Vnútorná energia je totiž jednoznačne určená súborom makroskopických parametrov charakterizujúcich systém a nezávisí od „prehistórie“ systému, teda od toho, v akom stave sa systém nachádzal predtým a ako konkrétne v tomto stave skončil. .

Pri prechode systému z jedného stavu do druhého je teda zmena jeho vnútornej energie určená len počiatočným a konečným stavom systému a nezávisí od cesty prechodu z počiatočného stavu do konečného stavu. Ak sa systém vráti do pôvodného stavu, potom je zmena jeho vnútornej energie nulová.

Skúsenosti ukazujú, že existujú iba dva spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu tela:

vykonávanie mechanických prác;

prenos tepla.

Jednoducho povedané, varnú kanvicu zohrejete len dvoma rôzne cesty: potrieť niečím alebo zapáliť :-) Pozrime sa na tieto metódy podrobnejšie.

8.3 Zmena vnútornej energie: vykonaná práca

Ak sa na tele pracuje, vnútorná energia tela sa zvyšuje.

Napríklad po údere kladivom sa klinec zahreje a mierne zdeformuje. Ale teplota je mierou priemernej kinetickej energie častíc v tele. Zahrievanie klinca naznačuje zvýšenie kinetickej energie jeho častíc: v skutočnosti sú častice urýchlené nárazom kladiva a trením klinca o dosku.

Deformácia nie je nič iné ako vzájomné premiestňovanie častíc; Po náraze dochádza k tlakovej deformácii nechtu, jeho častice sa k sebe približujú, odpudzujúce sily medzi nimi sa zvyšujú, čo vedie k zvýšeniu potenciálnej energie častíc nechtov.

Vnútorná energia nechtu sa teda zvýšila. Bol to výsledok práce, ktorá sa na ňom vykonávala; prácu vykonalo kladivo a trecia sila na doske.

Ak prácu vykonáva telo samo, potom vnútorná energia tela klesá. Nechajte expandovať napríklad stlačený vzduch v tepelne izolovanej nádobe pod piestom

a zdvihne určitú záťaž, čím vykoná prácu9. Počas tohto procesu sa vzduch ochladí, jeho molekuly narážajú na pohybujúci sa piest, čím mu dodávajú časť svojej kinetickej energie. (Rovnakým spôsobom futbalista zastavujúc nohou rýchlo letiacu loptu, robí pohyb chodidlom smerom od lopty a tlmí jej rýchlosť.) Preto vnútorná energia vzduchu klesá.

Vzduch teda pracuje na úkor svojej vnútornej energie: keďže nádoba je tepelne izolovaná, do ovzdušia neplynie žiadna energia zo žiadnych vonkajších zdrojov a vzduch môže čerpať energiu na prácu len zo svojich vlastných zásob. .

8.4 Zmena vnútornej energie: prenos tepla

Prenos tepla je proces prenosu vnútornej energie z teplejšieho telesa na chladnejšie, ktorý nie je spojený s výkonom mechanickej práce. K prenosu tepla môže dochádzať buď priamym kontaktom telies, alebo cez stredné médium (a dokonca aj cez vákuum). Prenos tepla sa tiež nazýva prenos tepla.

9 Proces v tepelne izolovanej nádobe sa nazýva adiabatický. Budeme študovať adiabatický proces pohľadom na prvý zákon termodynamiky.

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, konvekcia a tepelné žiarenie. Teraz sa na ne pozrieme podrobnejšie.

8.5 Tepelná vodivosť

Ak vložíte jeden koniec železnej tyče do ohňa, potom, ako vieme, nebudete ju držať v ruke dlho. Akonáhle sú v oblasti vysokej teploty, atómy železa začnú vibrovať intenzívnejšie (t. j. získavajú dodatočnú kinetickú energiu) a spôsobujú silnejšie dopady na svojich susedov.

Zvyšuje sa aj kinetická energia susedných atómov a teraz tieto atómy dodávajú svojim susedom dodatočnú kinetickú energiu. Takže od sekcie k sekcii sa teplo postupne šíri pozdĺž tyče od konca umiestnenej v ohni až po našu ruku. Ide o tepelnú vodivosť (obr. 18)10.

Ryža. 18. Tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť je prenos vnútornej energie z viac zahrievaných oblastí tela do menej zahrievaných v dôsledku tepelného pohybu a interakcie častíc tela.

Tepelná vodivosť rôznych látok je odlišná. Kovy majú vysokú tepelnú vodivosť: najlepších sprievodcov teplo sú striebro, meď a zlato. Tepelná vodivosť kvapalín je oveľa nižšia. Plyny vedú teplo tak zle, že sa považujú za tepelné izolátory: molekuly plynu v dôsledku veľkých vzdialeností medzi nimi slabo interagujú. Preto majú napríklad okná dvojité rámy: vrstva vzduchu bráni úniku tepla).

Preto sú pórovité telesá ako tehla, vlna alebo kožušina zlými vodičmi tepla. Vo svojich póroch obsahujú vzduch. Niet divu tehlové domy sú považované za najteplejšie a v chladnom počasí ľudia nosia kožuchy a bundy s vrstvou páperia alebo syntetickej výplne.

Ale ak vzduch vedie teplo tak zle, prečo sa potom miestnosť vyhrieva od radiátora? Stáva sa to v dôsledku iného typu prenosu tepla, konvekcie.

8.6 Konvekcia

Konvekcia je prenos vnútornej energie v kvapalinách alebo plynoch v dôsledku cirkulácie tokov a miešania látok.

Vzduch v blízkosti batérie sa zahrieva a expanduje. Gravitačná sila pôsobiaca na tento vzduch zostáva rovnaká, ale vztlaková sila z okolitého vzduchu sa zväčšuje, takže ohriaty vzduch začne plávať k stropu. Na jej miesto príde studená

10 Obrázok z webovej stránky educationelectronicsusa.com.

air11, s ktorým sa opakuje to isté.

V dôsledku toho sa vytvorí cirkulácia vzduchu, ktorá slúži ako príklad konvekcie, distribúcia tepla v miestnosti sa uskutočňuje prúdmi vzduchu.

Úplne podobný proces možno pozorovať v kvapalinách. Keď na sporák postavíte rýchlovarnú kanvicu alebo panvicu s vodou, voda sa ohrieva predovšetkým konvekciou (príspevok tepelnej vodivosti vody je veľmi zanedbateľný).

Konvekčné prúdy vo vzduchu a kvapaline sú znázornené12 na obr.

Ryža. 19. Konvekcia

V pevných látkach nie je konvekcia: interakčné sily medzi časticami sú veľké, častice oscilujú v blízkosti pevných priestorových bodov (uzlov) kryštálová mriežka) a za takýchto podmienok sa nemôžu vytvárať žiadne toky hmoty.

Pre cirkuláciu konvekčných prúdov pri vykurovaní miestnosti je potrebné, aby ohriaty vzduch mal kde plávať. Ak je radiátor nainštalovaný pod stropom, nebude cirkulovať, teplý vzduch zostane pod stropom. Preto sú vykurovacie zariadenia umiestnené v spodnej časti miestnosti. Z rovnakého dôvodu je kanvica umiestnená na oheň, v dôsledku čoho zohriate vrstvy vody, stúpajúce, ustupujú chladnejším.

Naopak, klimatizácia by mala byť umiestnená čo najvyššie: potom ochladený vzduch začne klesať a jeho miesto zaujme teplejší vzduch. Obeh pôjde do opačný smer v porovnaní s pohybom tokov pri vykurovaní miestnosti.

8.7 Tepelné žiarenie

Ako Zem prijíma energiu zo Slnka? Tepelné vedenie a konvekcia sú vylúčené: delí nás 150 miliónov kilometrov bezvzduchového priestoru.

Tretím typom prenosu tepla pri práci je tepelné žiarenie. Žiarenie sa môže šíriť v hmote aj vo vákuu. Ako vzniká?

Ukazuje sa, že elektrické a magnetické pole Sú navzájom úzko prepojené a majú jednu pozoruhodnú vlastnosť. Ak elektrické pole sa mení s časom, potom vytvára magnetické pole, ktoré sa vo všeobecnosti tiež mení s časom13. Striedavé magnetické pole zase generuje striedavé elektrické pole, ktoré opäť generuje striedavé magnetické pole, ktoré opäť generuje striedavé elektrické pole. . .

11 V prírode neustále prebieha ten istý proces, ale v oveľa väčšom rozsahu: takto vzniká vietor.

12 Obrázky z physics.arizona.edu.

13 Podrobnejšie o tom bude reč v elektrodynamike, v téme o elektromagnetickej indukcii.

V dôsledku vývoja tohto procesu sa v priestore šíri elektromagnetická vlna, pričom elektrické a magnetické polia sú navzájom spojené. Rovnako ako zvuk, aj elektromagnetické vlny majú rýchlosť a frekvenciu šírenia v tomto prípade Toto je frekvencia, s ktorou kolíše veľkosť a smer polí vo vlne. Viditeľné svetlo špeciálny prípad elektromagnetické vlny.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je obrovská: 300 000 km/s. Svetlo teda prejde zo Zeme na Mesiac za niečo vyše sekundy.

Frekvenčný rozsah elektromagnetických vĺn je veľmi široký. Viac o škále elektromagnetických vĺn si povieme v príslušnom letáku. Tu len poznamenávame, že viditeľné svetlo je malý rozsah tohto rozsahu. Pod ňou ležia frekvencie infračerveného žiarenia, nad frekvenciou ultrafialového žiarenia.

Pripomeňme si teraz, že atómy, hoci sú vo všeobecnosti elektricky neutrálne, obsahujú kladne nabité protóny a záporne nabité elektróny. Tieto nabité častice, ktoré vykonávajú chaotický pohyb spolu s atómami, vytvárajú striedavé elektrické polia a tým vyžarujú elektromagnetické vlny. Tieto vlny sa nazývajú tepelné žiarenie, aby sa pripomenulo, že ich zdrojom je tepelný pohyb častíc hmoty.

Zdrojom tepelného žiarenia je akékoľvek teleso. V tomto prípade žiarenie unáša časť svojej vnútornej energie. Po stretnutí s atómami iného telesa ich žiarenie svojim kmitaním urýchľuje elektrické pole a vnútorná energia tohto tela sa zvyšuje. Takto sa vyhrievame na slnečných lúčoch.

Pri bežných teplotách ležia frekvencie tepelného žiarenia v infračervenej oblasti, takže ho oko nevníma (nevidíme, ako „žiarime“). Keď sa teleso zahreje, jeho atómy začnú vyžarovať vlny vyšších frekvencií. Železný klinec je možné zahriať do červena na takú teplotu, že jeho tepelné žiarenie dosiahne spodnú (červenú) časť viditeľného rozsahu. A Slnko sa nám javí ako žltobiele: teplota na povrchu Slnka je taká vysoká (6000 C), že jeho spektrum žiarenia obsahuje všetky frekvencie viditeľného svetla, dokonca aj ultrafialového, vďaka ktorému sa opaľujeme.

Pozrime sa ešte raz na tri druhy prenosu tepla (obr. 20)14.

Ryža. 20. Tri druhy prenosu tepla: tepelná vodivosť, konvekcia, sálanie

14 obrázkov zo stránky beodom.com.

Podľa MKT sa všetky látky skladajú z častíc, ktoré sú v nepretržitom tepelnom pohybe a navzájom sa ovplyvňujú. Preto aj keď je telo nehybné a má nulovú potenciálnu energiu, má energiu (vnútornú energiu), čo je celková energia pohybu a interakcie mikročastíc, ktoré tvoria telo. Vnútorná energia zahŕňa:

1. kinetická energia translačného, ​​rotačného a vibračného pohybu molekúl;
2. potenciálna energia interakcie atómov a molekúl;
3. vnútroatómová a intranukleárna energia.

V termodynamike sa uvažujú procesy pri teplotách, pri ktorých nie je excitovaný vibračný pohyb atómov v molekulách, t.j. pri teplotách nepresahujúcich 1000 K. Pri týchto procesoch sa menia len prvé dve zložky vnútornej energie. Preto

pod vnútornej energie v termodynamike rozumieme súčtu kinetickej energie všetkých molekúl a atómov telesa a potenciálnej energie ich interakcie.

Vnútorná energia telesa určuje jeho tepelný stav a mení sa pri prechode z jedného stavu do druhého. V tomto stave má telo úplne určitú vnútornú energiu, nezávislú od procesu, do ktorého prešlo tento štát. Preto sa často nazýva vnútorná energia funkcia stavu tela.

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

Kde i- stupeň voľnosti. Pre monoatomický plyn (napr. vzácne plyny) i= 3, pre dvojatómové - i = 5.

Z týchto vzorcov je zrejmé, že vnútorná energia ideálneho plynu závisí len od teploty a počtu molekúl a nezávisí od objemu ani tlaku. Preto je zmena vnútornej energie ideálneho plynu určená iba zmenou jeho teploty a nezávisí od povahy procesu, v ktorom plyn prechádza z jedného stavu do druhého:

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

kde Δ T = T 2 - T 1 .

• Molekuly skutočných plynov sa navzájom ovplyvňujú, a preto majú potenciálnu energiu W p, ktoré závisí od vzdialenosti medzi molekulami, a teda od objemu, ktorý plyn zaberá. Vnútorná energia skutočného plynu teda závisí od jeho teploty, objemu a molekulárnej štruktúry.

*Odvodenie vzorca

Priemerná kinetická energia molekuly \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Počet molekúl v plyne je \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).

Preto je vnútorná energia ideálneho plynu

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

Zvažujem to k⋅N A= R je univerzálna plynová konštanta, máme

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - vnútorná energia ideálneho plynu.

Zmena vnútornej energie

Pri riešení praktických problémov nehrá významnú úlohu samotná vnútorná energia, ale jej zmena Δ U = U 2 - U 1. Zmena vnútornej energie sa vypočíta na základe zákonov zachovania energie.

Vnútorná energia tela sa môže meniť dvoma spôsobmi:

1. Pri spáchaní mechanická práca. a) Ak vonkajšia sila spôsobí deformáciu telesa, potom sa zmenia vzdialenosti medzi časticami, z ktorých pozostáva, a tým sa zmení potenciálna energia interakcie častíc. Pri nepružných deformáciách sa navyše mení telesná teplota, t.j. mení sa kinetická energia tepelného pohybu častíc. Ale keď sa telo deformuje, vykoná sa práca, ktorá je mierou zmeny vnútornej energie telesa. b) Vnútorná energia telesa sa mení aj pri jeho nepružnej zrážke s iným telesom. Ako sme už skôr videli, pri nepružnej zrážke telies ich kinetická energia klesá, mení sa na vnútornú energiu (ak napríklad niekoľkokrát udriete kladivom do drôtu ležiaceho na nákove, drôt sa zahreje). Mierou zmeny kinetickej energie telesa je podľa vety o kinetickej energii práca pôsobiacich síl. Táto práca môže slúžiť aj ako meradlo zmien vnútornej energie. c) K zmene vnútornej energie telesa dochádza vplyvom trecej sily, pretože ako je známe zo skúseností, trenie je vždy sprevádzané zmenou teploty trecích telies. Práca vykonaná trecou silou môže slúžiť ako miera zmeny vnútornej energie.
2. S pomocou výmena tepla. Napríklad, ak je teleso umiestnené do plameňa horáka, jeho teplota sa zmení, a preto sa zmení aj jeho vnútorná energia. Nepracovalo sa tu však, pretože nebol viditeľný pohyb ani samotného tela, ani jeho častí.

Zmena vnútornej energie systému bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla(prenos tepla).

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie.

A) Tepelná vodivosť je proces výmeny tepla medzi telesami (alebo časťami telesa) pri ich priamom kontakte, spôsobený tepelným chaotickým pohybom častíc telesa. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je amplitúda vibrácií molekúl pevného telesa. Tepelná vodivosť plynov je spôsobená výmenou energie medzi molekulami plynu pri ich zrážkach. V prípade tekutín fungujú oba mechanizmy. Tepelná vodivosť látky je maximálna v pevnom skupenstve a minimálna v plynnom skupenstve.

b) Konvekcia predstavuje prenos tepla ohriatymi prúdmi kvapaliny alebo plynu z niektorých oblastí objemu, ktoré zaberajú, do iných.

c) Výmena tepla pri žiarenia sa uskutočňuje na diaľku prostredníctvom elektromagnetických vĺn.

Pozrime sa podrobnejšie na spôsoby zmeny vnútornej energie.

Mechanická práca

Pri zvažovaní termodynamických procesov sa neuvažuje s mechanickým pohybom makrotelies ako celku. Pojem práce je tu spojený so zmenou objemu tela, t.j. pohyb častí makrotela voči sebe navzájom. Tento proces vedie k zmene vzdialenosti medzi časticami a často aj k zmene rýchlosti ich pohybu, teda k zmene vnútornej energie tela.

Izobarický proces

Najprv zvážime izobarický proces. Nech je vo valci s pohyblivým piestom plyn s teplotou T 1 (obr. 1).

Plyn pomaly zohrejeme na teplotu T 2. Plyn sa izobaricky roztiahne a piest sa bude pohybovať z polohy 1 do polohy 2 do vzdialenosti Δ l. Sila tlaku plynu bude pôsobiť na vonkajšie telesá. Pretože p= konštanta, potom tlaková sila F = p⋅S tiež konštantný. Preto je možné prácu tejto sily vypočítať pomocou vzorca

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

kde Δ V- zmena objemu plynu.

• Ak sa objem plynu nemení (izochorický proces), potom je práca vykonaná plynom nulová.

• Plyn vykonáva prácu iba v procese zmeny svojho objemu.

Pri rozširovaní (Δ V> 0) plynu, vykoná sa pozitívna práca ( A> 0); počas kompresie (Δ V < 0) газа совершается negatívna práca (A < 0).

• Ak vezmeme do úvahy prácu vonkajších síl A " (A " = –A), potom s expanziou (Δ V> 0) plyn A " < 0); при сжатии (ΔV < 0) A " > 0.

Napíšme Clapeyronovu-Mendelejevovu rovnicu pre dva stavy plynu:

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

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

Preto, kedy izobarický proces

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

Ak ν = 1 mol, potom pri Δ Τ = 1 K dostaneme to Rčíselne rovnaké A.

Z toho vyplýva fyzikálny význam univerzálnej plynovej konštanty: číselne sa rovná práci, ktorú vykoná 1 mól ideálneho plynu, keď sa izobaricky zohreje o 1 K.

Nejde o izobarický proces

Na grafe p (V) v izobarickom procese sa práca rovná ploche tieňovaného obdĺžnika na obrázku 2, a.

Ak proces nie izobarické(obr. 2, b), potom funkčná krivka p = f(V) možno znázorniť ako prerušovanú čiaru pozostávajúcu z veľká kvantita izochóra a izobara. Práca na izochorických rezoch je nula a celková práca na všetkých izobarických rezoch sa bude rovnať

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

tie. budú rovné oblasť tieňovaného obrázku.

O izotermický proces (T= const) práca sa rovná ploche tieňovaného obrázku znázorneného na obrázku 2, c.

Pomocou posledného vzorca je možné určiť prácu len vtedy, ak je známe, ako sa mení tlak plynu pri zmene jeho objemu, t.j. forma funkcie je známa p = f(V).

Je teda zrejmé, že aj pri rovnakej zmene objemu plynu bude práca závisieť od spôsobu prechodu (t.j. od procesu: izotermický, izobarický...) z počiatočného stavu plynu do konečného stavu. štát. Preto môžeme konštatovať, že

• Práca v termodynamike je funkciou procesu a nie funkciou stavu.

Množstvo tepla

Ako je známe, počas rôznych mechanických procesov dochádza k zmene mechanickej energie W. Mierou zmeny mechanickej energie je práca síl pôsobiacich na systém:

\(~\Delta W = A.\)

Pri výmene tepla dochádza k zmene vnútornej energie tela. Mierou zmeny vnútornej energie počas prenosu tepla je množstvo tepla.

Množstvo tepla je miera zmeny vnútornej energie pri prenose tepla.

Práca aj množstvo tepla teda charakterizujú zmenu energie, nie sú však totožné s vnútornou energiou. Necharakterizujú stav samotného systému (ako to robí vnútorná energia), ale určujú proces prechodu energie z jedného typu do druhého (z jedného telesa na druhé), keď sa stav mení a výrazne závisia od charakteru procesu.

Hlavný rozdiel medzi prácou a teplom je v tom

• práca charakterizuje proces zmeny vnútornej energie systému sprevádzaný premenou energie z jedného typu na druhý (z mechanickej na vnútornú);
• množstvo tepla charakterizuje proces prenosu vnútornej energie z jedného telesa do druhého (od viac ohriateho k menej ohriatemu), nesprevádzaný energetickými premenami.

Kúrenie (chladenie)

Skúsenosti ukazujú, že množstvo tepla potrebné na zahriatie telesnej hmoty m na teplote T 1 na teplotu T 2, vypočítané podľa vzorca

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

Kde c- merná tepelná kapacita látky (tabuľková hodnota);

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

Jednotkou SI mernej tepelnej kapacity je joule na kilogram Kelvina (J/(kg K)).

Špecifické teplo c sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa musí odovzdať telesu s hmotnosťou 1 kg, aby sa zohrialo o 1 K.

Okrem mernej tepelnej kapacity sa berie do úvahy aj taká veličina, akou je tepelná kapacita tela.

Tepelná kapacita telo Cčíselne sa rovná množstvu tepla potrebnému na zmenu telesnej teploty o 1 K:

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

Jednotkou SI tepelnej kapacity telesa je joule na Kelvin (J/K).

Vyparovanie (kondenzácia)

Na premenu kvapaliny na paru pri konštantnej teplote je potrebné vynaložiť určité množstvo tepla

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

Kde L- špecifické výparné teplo (tabuľková hodnota). Pri kondenzácii pary sa uvoľňuje rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI špecifického tepla vyparovania je joule na kilogram (J/kg).

Tavenie (kryštalizácia)

Za účelom roztavenia kryštalického telesa váž m pri bode topenia potrebuje telo komunikovať množstvo tepla

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

Kde λ - špecifické teplo topenia (tabuľková hodnota). Keď telo kryštalizuje, uvoľňuje sa rovnaké množstvo tepla.

Jednotkou SI špecifického tepla topenia je joule na kilogram (J/kg).

Spaľovanie paliva

Množstvo tepla uvoľneného počas úplného spaľovania masy paliva m,

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

Kde q- špecifické spalné teplo (tabuľková hodnota).

Jednotkou SI špecifického spaľovacieho tepla je joule na kilogram (J/kg).

Literatúra

Aksenovič L. A. Fyzika v stredná škola: Teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné vzdelávanie. prostredie, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - S. 129-133, 152-161.