Внутренняя энергия тела и способы её изменения
Содержание материала
Идеальные газы
Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме, . Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то
.
Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах); в общем случае является функцией и температуры, и объёма.
Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:
,
где — количество вещества, — изменение температуры.
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия – это кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия.
$U = E_к + E_п$,
где $U$ – внутренняя энергия, $E_к$ – кинетическая энергия молекул тела, $E_п$ – потенциальная энергия молекул тела.
В нашем опыте (рисунок 4) механическое движение прекратилось, когда шар упал на плиту. Но усилилось тепловое движение его молекул. Так механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара.
Теперь мы знаем два вида энергии: механическая энергия и внутренняя энергия. При рассмотрении тепловых явлений мы будем учитывать только внутреннюю энергию (энергию молекул).
Факторы влияния
Например, в результате резкого снижения температуры, связанного с обменом энергии с окружающей средой при расширении, течение возникает вследствие конденсации водяного пара. Значение ВЭ этого тела или системы трудно установить из-за его сложной природы. Это легче определить, когда более существенные изобарные изменения этой энергии обусловлены различными явлениями, такими как расширение газа под функцией давления.
Как известно, температура связана со средней КЭ молекул тела. Однако как два предмета отличаются при одинаковой температуре, но разной массе и, следовательно, разном количестве молекул, не совсем понятно. Очевидно, что сумма энергии частицы будет больше в случае тела с большей массой. Энергию энтропии, связанную с физическим движением и взаимным расположением частиц, называют ВЭ.
Из этого следует, что смысл ВЭ зависит от трёх факторов:
- количество атомов и молекул, составляющих это тело — чем больше молекул, тем выше сумма компонентов;
- температура тела — чем выше Т, тем больше средняя КЭ частиц, общая Э системы.
Характер вещества и его состояние энтальпия — понятие величины потенциальной энергии, полученной в результате межмолекулярного воздействия, зависит от состояния концентрации и различно для разных веществ.
Вот примеры:
- При той же заданной температуре воды ведро имеет больше ВЭ, чем стакан воды, так как в ведре содержится гораздо больше молекул.
- Чашка горячего чая имеет большую ВЭ, чем такое же количество холодного чая, потому что молекулы горячей жидкости имеют большую среднюю КЭ, и в обоих стаканах их столько же.
- Стакан воды при 0 ° С обладает большей ВЭ, чем кусок льда, созданный из него при той же температуре.
От чего зависит внутренняя энергия тела
Внутренняя энергия тела зависит от:
— температуры тела,
— агрегатного состояния (газообразное, жидкое, твердое),
— некоторых других факторов.
Чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия.
Математики запишут это так: Внутренняя энергия – это функция температуры. Или сокращенно:
\[\large \boxed{ U = f(T)}\]
Символом T обозначена температура тела.
При равных температурах газы обладают наибольшей внутренней энергией. Внутренняя энергия жидкостей меньше, чем у газов. А внутренняя энергия твердых тел ниже, чем энергия жидкостей. Это можно изобразить с помощью рисунка 2:
Рис.2. При переходе из одного агрегатного состояния в другое, внутренняя энергия тела изменяется
Функция состояния
Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.
Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.
Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:
• совершение механической работы; • теплопередача.
Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь 🙂 Рассмотрим эти способы подробнее.
Конвекция
Конвекция — это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества.
Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.
В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции — распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.
Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).
Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).
Рис. 2. Конвекция
В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.
Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать. Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет — тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.
Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.