Spôsoby zmeny vnútornej energie. Spôsoby zmeny vnútornej energie

Vnútorná energia tela nemôže byť konštantná. Môže sa zmeniť v akomkoľvek tele. Ak sa zvýši teplota tela, zvýši sa jeho vnútorná energia, pretože priemerná rýchlosť pohybu molekúl sa zvýši. Tým sa zvyšuje kinetická energia molekúl tela. A, naopak, s klesajúcou teplotou klesá vnútorná energia tela.

Môžeme skonštatovať: vnútorná energia telesa sa mení, ak sa mení rýchlosť pohybu molekúl. Pokúsme sa určiť, akou metódou je možné zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pohybu molekúl. Zvážte ďalšia skúsenosť... Na stojan pripevníme mosadznú rúrku s tenkými stenami. Skúmavku naplníme éterom a uzavrieme zátkou. Potom ho zviažeme lanom a začneme lano intenzívne posúvať dovnútra rôzne strany... Po určitom čase éter vrie a sila pary vytlačí zástrčku. Skúsenosti ukazujú, že vnútorná energia látky (éteru) sa zvýšila: koniec koncov, počas varu zmenila svoju teplotu.

Zvýšiť vnútornej energie došlo v dôsledku výkonu práce pri trení potrubia lanom.

Ako vieme, k zahrievaniu telies môže dôjsť aj pri nárazoch, ohýbaní alebo neohýbaní, teda pri deformácii. Vo všetkých uvedených príkladoch sa vnútorná energia tela zvyšuje.

Vnútorná energia tela sa teda môže zvýšiť vykonávaním práce na tele.

Ak prácu vykonáva samotné telo, jeho vnútorná energia klesá.

Zvážte inú skúsenosť.

Do sklenenej nádoby, ktorá má hrubé steny a je uzavretá korkom, načerpáme vzduch cez špeciálne vyrobený otvor v nej.

Po chvíli korok vyletí z nádoby. V momente, keď korok vyletí z plavidla, budeme môcť vidieť tvorbu hmly. Preto jeho tvorba znamená, že vzduch v nádobe sa ochladil. Stlačený vzduch, ktorý je v nádobe, vykoná určitú prácu, keď sa zástrčka vysunie. Túto prácu vykonáva vďaka svojej vnútornej energii, ktorá sa zároveň znižuje. Na základe ochladzovania vzduchu v nádobe je možné vyvodiť závery o poklese vnútornej energie. Touto cestou, vnútorná energia tela sa dá zmeniť vykonaním určitej práce.

Vnútornú energiu je však možné zmeniť aj inak, bez práce. Zoberme si príklad, voda v kanvici, ktorá je na sporáku, začne vrieť. Vzduch a ostatné predmety v miestnosti sú ohrievané radiátorom centrálny smer... V takýchto prípadoch sa vnútorná energia zvyšuje, pretože teplota telies sa zvyšuje. Ale práca nie je vykonaná. Takže uzatvárame zmena vnútornej energie nemusí nastať v dôsledku výkonu určitej práce.

Uveďme si ďalší príklad.

Vložte kovovú ihlicu do pohára s vodou. Kinetická energia molekúl horúca voda, viac kinetickej energie studených kovových častíc. Molekuly horúcej vody odovzdajú časť svojej kinetickej energie studeným kovovým časticiam. Energia molekúl vody sa teda určitým spôsobom zníži, zatiaľ čo energia kovových častíc sa zvýši. Teplota vody klesne a teplota lúčov bude pomaly, vzrastie. V budúcnosti rozdiel medzi teplotou lúča a vody zmizne. Vďaka tejto skúsenosti sme videli zmenu vnútornej energie rôzne telá... Dospeli sme k záveru: vnútorná energia rôznych telies sa mení v dôsledku prenosu tepla.

Proces premeny vnútornej energie bez vykonania určitej práce na tele alebo tele samotnom sa nazýva prenos tepla.

Stále máte otázky? Nie ste si istí, ako si urobiť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc od tútora - zaregistrujte sa.
Prvá lekcia je zadarmo!

stránky, s úplným alebo čiastočným kopírovaním materiálu, je potrebný odkaz na zdroj.

Vnútornú energiu je možné meniť dvoma spôsobmi.

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

Ak prácu vykonáva samotné telo, jeho vnútorná energia klesá.

Existujú tri jednoduché (elementárne) typy prenosu tepla:

Tepelná vodivosť

Konvekcia

Konvekcia je fenomén prenosu tepla v kvapalinách alebo plynoch alebo hromadných médiách prostredníctvom tokov hmoty. Existuje tzv. prirodzená konvekcia, ku ktorej dochádza v látke samovoľne pri jej nerovnomernom zahrievaní v gravitačnom poli. Pri takejto konvekcii sa spodné vrstvy hmoty zahrievajú, odľahčujú a plávajú, zatiaľ čo horné vrstvy sa naopak ochladzujú, ťažšia a klesajú, po čom sa proces opakuje znova a znova.

Tepelné žiarenie alebo žiarenie je prenos energie z jedného telesa do druhého vo forme elektromagnetických vĺn v dôsledku ich tepelnej energie.

Vnútorná energia ideálneho plynu

Na základe definície ideálneho plynu v ňom nie je žiadna potenciálna zložka vnútornej energie (medzi molekulami neexistujú žiadne sily interakcie, okrem nárazu). Vnútorná energia ideálneho plynu je teda iba kinetická energia pohybu jeho molekúl. Už skôr (rovnica 2.10) sa ukázalo, že kinetická energia translačného pohybu molekúl plynu je priamo úmerná jeho absolútnej teplote.

Pomocou výrazu pre univerzálnu plynovú konštantu (4.6) je možné určiť hodnotu konštanty α.

Kinetická energia translačného pohybu jednej molekuly ideálneho plynu bude teda určená výrazom.

V súlade s kinetickou teóriou je rozdelenie energie v stupňoch voľnosti rovnomerné. Translačný pohyb má 3 stupne voľnosti. V dôsledku toho bude jeden stupeň voľnosti pohybu molekuly plynu zodpovedať za 1/3 jej kinetickej energie.

Pre dve, tri a viacatómové molekuly plynu, okrem stupňov voľnosti translačného pohybu, existujú stupne voľnosti rotačného pohybu molekuly. Pre dvojatómové molekuly plynu je počet stupňov voľnosti rotačného pohybu 2, pre tri a polyatomické molekuly - 3.

Keďže distribúcia energie pohybu molekuly vo všetkých stupňoch voľnosti je rovnomerná a počet molekúl v jednom kilomole plynu sa rovná Nμ, vnútornú energiu jedného kilomolu ideálneho plynu možno získať vynásobením výrazu. (4.11) počtom molekúl v jednom kilomol a počtom stupňov voľnosti pohybu molekuly daného plynu ...

kde Uμ je vnútorná energia kilomolu plynu v J / kmol, i je počet stupňov voľnosti pohybu molekuly plynu.

Pre 1 - atómový plyn i = 3, pre 2 - atómový plyn i = 5, pre 3 - atómové a viacatómové plyny i = 6.

Elektrina. Podmienky existencie elektrického prúdu. EMF. Ohmov zákon pre úplný obvod. Práca a sila prúdu. Joule-Lenzov zákon.

Medzi podmienky nevyhnutné pre existenciu elektrický prúd rozlišovať medzi: prítomnosťou voľných elektrických nábojov v prostredí a tvorbou elektrického poľa v prostredí. Elektrické pole v médiu je potrebné na vytvorenie riadeného pohybu voľných nábojov. Ako viete, na náboj q v elektrickom poli o sile E pôsobí sila F = qE, vďaka ktorej sa voľné náboje pohybujú v smere elektrického poľa. Znakom existencie elektrického poľa vo vodiči je prítomnosť nenulového rozdielu potenciálov medzi ľubovoľnými dvoma bodmi vodiča.

Ale, elektrické sily nemôže dlhodobo udržiavať elektrický prúd. Smerový pohyb elektrických nábojov po chvíli vedie k vyrovnaniu potenciálov na koncoch vodiča a následne k zániku elektrického poľa v ňom. Na udržanie prúdu v elektrický obvod okrem Coulombových síl musia na náboje pôsobiť sily neelektrickej povahy (vonkajšie sily). Zariadenie, ktoré vytvára vonkajšie sily, udržiava potenciálny rozdiel v obvode a transformuje rôzne druhy energie v elektrická energia sa nazýva zdroj prúdu.

Podmienky existencie elektrického prúdu:

Prítomnosť bezplatných nosičov náboja

· Prítomnosť potenciálneho rozdielu. to sú podmienky pre vznik prúdu. aby prúd existoval

Uzavretý okruh

· Zdroj vonkajších síl, ktorý podporuje rozdiel potenciálov.

Akékoľvek sily pôsobiace na elektricky nabité častice, s výnimkou elektrostatických (Coulombových) síl, sa nazývajú vonkajšie sily.

Elektromotorická sila.

Elektromotorická sila (EMF) je skalárna fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje prácu vonkajších (nepotenciálnych) síl v zdrojoch konštantných, resp. striedavý prúd... V uzavretom vodivom obvode sa EMF rovná práci týchto síl na pohyb jediného kladného náboja pozdĺž obvodu.

Jednotkou EMF, podobne ako napätie, je volt. Môžete hovoriť o elektromotorickej sile v ktorejkoľvek časti obvodu. Elektromotorická sila galvanického článku sa číselne rovná práci vonkajších síl, keď sa jediný kladný náboj pohybuje vo vnútri článku zo záporného pólu na kladný. Znak EMF je určený v závislosti od ľubovoľne zvoleného smeru obchádzania tej časti obvodu, na ktorej je tento zdroj prúdu zapnutý.

Ohmov zákon pre úplný obvod.

Uvažujme najjednoduchší úplný obvod pozostávajúci zo zdroja prúdu a rezistora s odporom R. Zdroj prúdu s EMF ε má odpor r, tzv. vnútorný odpor aktuálny zdroj. Na získanie Ohmovho zákona pre úplný obvod používame zákon zachovania energie.

Nechajte náboj q prejsť prierezom vodiča za čas Δt. Potom sa podľa vzorca práca vonkajších síl pri pohybe náboja q rovná. Z definície sily prúdu máme: q = IΔt. Preto, .

V dôsledku pôsobenia vonkajších síl pri prechode prúdu v obvode sa na jeho vonkajších a vnútorných častiach obvodu uvoľňuje množstvo tepla podľa Joule-Lenzovho zákona. rovné:

Podľa zákona zachovania energie A st = Q, teda EMF zdroja prúdu sa rovná súčtu úbytkov napätia vo vonkajšej a vnútornej časti obvodu.

Častice akéhokoľvek telesa, atómy alebo molekuly vykonávajú chaotický neustály pohyb (takzvaný tepelný pohyb). Preto má každá častica určitú kinetickú energiu.

Okrem toho častice hmoty navzájom interagujú silami elektrickej príťažlivosti a odpudzovania, ako aj jadrovými silami. Potenciálnu energiu má teda aj celý systém častíc daného telesa.

Vzniká kinetická energia tepelného pohybu častíc a potenciálna energia ich vzájomného pôsobenia nový druh energiu, nezredukovanú 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.

Nasledujúce pojmy teda tvoria vnútornú energiu tela.

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.

V V prípade najjednoduchšieho modelu látky ideálneho plynu možno získať explicitný vzorec pre vnútornú energiu.

8.1 Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Potenciálna energia interakcie častíc 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 translačného8 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 len funkciou jeho teploty. V skutočnom plyne, kvapaline alebo pevnej látke bude vnútorná energia závisieť aj od objemu, pretože pri zmene objemu sa mení vzájomné usporiadanie častíc a v dôsledku toho aj potenciálna energia ich interakcie.

8 V polyatómovom plyne je potrebné brať do úvahy aj rotáciu molekúl a vibrácie atómov v molekulách.

8.2 Štátna funkcia

Najdôležitejšou vlastnosťou vnútornej energie je, že je funkciou stavu termodynamického systému. Totiž vnútorná energia je jednoznačne určená súborom makroskopických parametrov charakterizujúcich systém a nezávisí od „prehistórie“ systému, teda od stavu systému predtým a od toho, ako presne sa v tomto štát.

Takže keď systém prechádza z jedného stavu do druhého, zmena jeho vnútornej energie je určená iba počiatočným a konečným stavom systému a nezávisí od cesty prechodu z počiatočného stavu do konečného stavu. Ak sa systém vráti do pôvodného stavu, potom sa zmena jeho vnútornej energie rovná nule.

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

vykonávanie mechanickej práce;

prenos tepla.

Jednoducho povedané, kanvicu môžete zohrievať zásadne iba dvoma rôzne cesty: potrieť niečím alebo zapáliť :-) Pozrime sa na tieto metódy podrobnejšie.

8.3 Zmena vnútornej energie: robenie práce

Ak sa práca vykonáva na tele, potom sa vnútorná energia tela zvyšuje.

Napríklad klinec po údere kladivom sa zahrieva a trochu deformuje. Ale teplota je mierou priemernej kinetickej energie častíc tela. 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; Klinec po náraze prechádza kompresnou deformáciou, jeho častice sa k sebe približujú, zväčšujú sa medzi nimi odpudivé sily a to vedie k zvýšeniu potenciálnej energie častíc nechtu.

Vnútorná energia nechtu sa teda zvýšila. To bol výsledok práce na ňom vykonanej kladivom a trecej sily na doske.

Ak prácu vykonáva telo samo, vnútorná energia tela klesá. Nech sa napríklad stlačený vzduch v tepelne izolovanej nádobe pod piestom roztiahne

a zdvihne určité bremeno, čím vykoná prácu9. V priebehu tohto procesu vzduch ochladzuje svoje molekuly, pričom naráža na pohybujúci sa piest a dodáva mu časť svojej kinetickej energie. (Rovnakým spôsobom futbalista zastavujúc nohou rýchlo letiacu loptu, robí s ňou pohyb od lopty a tlmí jej rýchlosť.) Preto vnútorná energia vzduchu klesá.

Vzduch teda funguje vďaka svojej vnútornej energii: keďže nádoba je tepelne izolovaná, do vzduchu neprechádza žiadna energia. externých zdrojov a vzduch môže čerpať energiu na prácu len zo svojich vlastných zásob.

8.4 Vnútorná zmena energie: prenos tepla

Prenos tepla je proces prenosu vnútornej energie z teplejšieho telesa na chladnejšie, ktorý nie je spojený s výkonom mechanickej práce. Prenos tepla sa môže uskutočňovať 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 pri zvažovaní prvého zákona termodynamiky.

Existujú tri typy prenosu tepla: vedenie tepla, prúdenie a sálanie tepla. Teraz sa na ne pozrieme podrobnejšie.

8.5 Tepelná vodivosť

Ak zapichnete železnú tyč s jedným koncom do ohňa, tak ju, ako vieme, dlho v ruke neudržíte. Pád do oblasti vysoká teplota, atómy železa začnú vibrovať intenzívnejšie (t.j. získavať dodatočnú kinetickú energiu) a uštedriť svojim susedom silnejšie údery.

Zvyšuje sa aj kinetická energia susedných atómov a teraz tieto atómy dodávajú svojim susedom dodatočnú kinetickú energiu. Takže z miesta na miesto 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 teplejších častí tela do menej zahrievaných v dôsledku tepelného pohybu a interakcie častíc tela.

Tepelná vodivosť rôznych látok je odlišná. Kovy majú vysokú tepelnú vodivosť: najlepšie tepelné vodiče sú striebro, meď a zlato. Tepelná vodivosť kvapalín je oveľa nižšia. Plyny vedú teplo tak zle, že už patria medzi tepelné izolanty: molekuly plynu v dôsledku dlhé vzdialenosti medzi nimi slabo interagujú. Preto sa v oknách vyrábajú napríklad dvojité rámy: vzduchová vrstva zabraňuje úniku tepla).

Porézne telesá ako tehla, vata alebo kožušina sú preto 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 vypchávkového polyesteru.

Ale ak vzduch vedie teplo tak zle, prečo sa potom miestnosť otepľuje z batérie? Je to spôsobené iným typom prenosu tepla konvekciou.

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 zo strany okolitého vzduchu sa zväčšuje, takže ohriaty vzduch začne plávať k stropu. Na jej miesto prichádza chlad

10 Obrázok zo stránky educationelectronicsusa.com.

vzduchu11, s ktorým sa opakuje to isté.

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

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

Konvekčné prúdenie vzduchu a kvapaliny je znázornené12 na obr.

Ryža. 19. Konvekcia

V pevných látkach chýba konvekcia: sily interakcie častíc sú veľké, častice kmitajú 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 vznášal hore. Ak je radiátor inštalovaný pod stropom, nebude cirkulácia. teplý vzduch tak zostane pod stropom. Preto sú vykurovacie zariadenia umiestnené v spodnej časti miestnosti. Z toho istého dôvodu je kanvica zapálená, v dôsledku čoho zohriate vrstvy vody, stúpajúce, ustupujú chladnejším.

Naopak, klimatizácia musí byť umiestnená čo najvyššie: potom ochladený vzduch začne klesať a na jeho miesto príde teplejší vzduch. Cirkulácia pôjde opačným smerom v porovnaní s pohybom prúdov pri vykurovaní miestnosti.

8.7 Tepelné žiarenie

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

Funguje tu tretí typ prenosu tepla, tepelné žiarenie. Žiarenie sa môže šíriť v hmote aj vo vákuu. Ako vzniká?

Ukazuje sa, že elektrické a magnetické pole spolu úzko súvisia a majú jednu pozoruhodnú vlastnosť. Ak sa elektrické pole 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 sa neustále deje ten istý proces, ale v oveľa väčšom rozsahu: takto vzniká vietor.

12 Obrázky z physics.arizona.edu.

13 Viac o tom bude diskutované v elektrodynamike, v téme o elektromagnetickej indukcii.

V dôsledku vývoja tohto procesu sa vo vesmíre šíri elektromagnetická vlna „prepojená“ navzájom, elektrické a magnetické polia. Rovnako ako zvuk elektromagnetické vlny majú rýchlosť šírenia a frekvenciu v tomto prípade je to frekvencia, s ktorou vo vlne kolíšu veľkosti a smery polí. Viditeľné svetlo je špeciálnym prípadom elektromagnetických vĺn.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je obrovská: 300 000 km/s. Takže zo Zeme na Mesiac ide svetlo o niečo viac ako sekundu.

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 leží frekvencia 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, vykonávajúce chaotický pohyb 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.

Akékoľvek teleso je zdrojom tepelného žiarenia. V tomto prípade žiarenie unáša časť svojej vnútornej energie. Pri stretnutí s atómami iného telesa ich žiarenie urýchľuje svojim kmitaním elektrické pole a vnútorná energia tohto tela sa zvyšuje. Takto sa vyhrievame na slnku.

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 a priviesť na takú teplotu, aby sa jeho tepelné žiarenie uvoľnilo do spodnej (červenej) časti viditeľného rozsahu. A Slnko sa nám zdá žltobiele: teplota na povrchu Slnka je taká vysoká (6000 C), že v spektre jeho žiarenia sú prítomné všetky frekvencie viditeľného svetla a dokonca aj ultrafialového, vďaka ktorému sa opaľujeme.

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

Ryža. 20. Tri druhy prenosu tepla: vedenie tepla, prúdenie, žiarenie

14 obrázkov zo stránky beodom.com.

Pre riešenia praktické otázky podstatnú úlohu nehrá samotná vnútorná energia, ale jej zmena Δ U = U 2 - U jeden . 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 sa skladá, a následne sa zmení potenciálna energia interakcie častíc. Navyše pri nepružných deformáciách sa 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 tela.

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 pôsobením trecej sily, pretože ako je známe zo skúseností, trenie je vždy sprevádzané zmenou teploty trecích telies. Práca trecej sily môže slúžiť ako miera zmeny vnútornej energie.

2. Používanie prenos tepla... Napríklad, ak je teleso vložené do plameňa horáka, jeho teplota sa zmení, a preto sa zmení aj jeho vnútorná energia. Nepracovalo sa tu však, pretože nebolo viditeľné žiadne pohyby 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 sa nazýva proces výmeny tepla medzi telesami (alebo časťami telesa) pri ich priamom kontakte, v dôsledku tepelného chaotického pohybu častíc telesa. Čím vyššia je teplota, tým vyššia je amplitúda vibrácií molekúl pevnej látky. 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 stave.

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

c) Prestup tepla pri žiarenia vykonávané na diaľku pomocou elektromagnetických vĺn.

Pozrime sa podrobnejšie na spôsoby zmeny vnútornej energie.

Množstvo tepla

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

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

Množstvo tepla je mierou zmeny vnútornej energie v procese výmeny 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 prenosu energie z jedného typu do druhého (z jedného telesa do druhého), keď sa stav mení a v podstate závisia od povahy 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 zohriateho k menej zohriatemu), nesprevádzaný energetickými premenami.

§ Tepelná kapacita, množstvo tepla vynaloženého na zmenu teploty o 1 °C. Podľa prísnejšej definície tepelná kapacita- termodynamická veličina určená výrazom:

Kde Δ Q- množstvo tepla hláseného systému a spôsobujúceho zmenu jeho teploty pomocou Delta; T. Pomer konečných rozdielov Δ Q/ ΔТ sa nazýva priemer tepelná kapacita, pomer nekonečne malých veličín d Q / dT- pravda tepelná kapacita... Od d Q nie je teda celkovým diferenciálom funkcie stavu tepelná kapacita závisí od prechodovej cesty medzi dvoma stavmi systému. Rozlišovať tepelná kapacita systém ako celok (J/K), špecifický tepelná kapacita[J / (g · K)], molárny tepelná kapacita[J / (mol · K)]. Všetky nižšie uvedené vzorce používajú molárne množstvá tepelná kapacita.

Otázka 32:

Vnútornú energiu je možné meniť dvoma spôsobmi.

Množstvo tepla (Q) je zmena vnútornej energie tela, ku ktorej dochádza v dôsledku prenosu tepla.

Množstvo tepla sa meria v jednotkách SI v jouloch.
[Q] = 1 J.

Merná tepelná kapacita látky ukazuje, koľko tepla je potrebné na zmenu teploty jednotkovej hmotnosti danej látky o 1 °C.
Jednotka špecifické teplo v sústave SI:
[c] = 1 J / kg · stupeň C.

Otázka 33:

33 Prvý zákon termodynamiky, množstvo tepla prijatého systémom sa používa na zmenu jeho vnútornej energie a prácu na vonkajších telesách. dQ = dU + dA, kde dQ je elementárne množstvo tepla, dA je elementárna práca, dU je prírastok vnútornej energie. Aplikácia prvého zákona termodynamiky na izoprocesy
Medzi rovnovážnymi procesmi vyskytujúcimi sa v termodynamických systémoch vyniknite izoprocesy, pri ktorej zostáva jeden z hlavných parametrov stavu konštantný.
Izochorický proces (V= konštanta). Schéma tohto procesu (izochora) v súradniciach R, V znázornené priamkou rovnobežnou s osou y (obr. 81), kde prebieha proces 1-2 existuje izochorický ohrev a 1 -3 - izochorické chladenie. V izochorickom procese plyn nepôsobí na vonkajšie telesá, Izotermický proces (T= konštanta). Ako už bolo naznačené v § 41, izotermický proces popisuje Boyleov-Mariottov zákon
, aby teplota pri expanzii plynu neklesala, je potrebné pri izotermickom procese dodať plynu také množstvo tepla, ktoré je ekvivalentné vonkajšej práci expanzie.

Otázka 34:

34 Adiabatické sa nazýva proces, v ktorom nedochádza k výmene tepla ( dQ = 0) medzi systémom a životné prostredie... Všetky rýchle procesy možno klasifikovať ako adiabatické procesy. Napríklad proces šírenia zvuku v médiu možno považovať za adiabatický proces, pretože rýchlosť šírenia zvukovej vlny je taká vysoká, že výmena energie medzi vlnou a médiom nestihne nastať. Adiabatické procesy sa využívajú v spaľovacích motoroch (expanzia a kontrakcia horľavej zmesi vo valcoch), v r. chladiace jednotky atď.
Z prvého zákona termodynamiky ( dQ = d U + dA) pre adiabatický proces z toho vyplýva, že
p / С V = γ, nájdeme

Integrovaním rovnice v rozsahu od p 1 do p 2 a podľa toho aj od V 1 do V 2 a potencovaním dospejeme k výrazu

Keďže stavy 1 a 2 sú zvolené ľubovoľne, môžeme písať

Ako zmeniť mechanickú energiu tela? Je to veľmi jednoduché. Zmeňte jeho umiestnenie alebo mu dajte zrýchlenie. Napríklad kopnite do lopty alebo ju zdvihnite vyššie nad zem.

V prvom prípade zmeníme jeho kinetickú energiu, v druhom potenciál. A čo vnútorná energia? Ako zmeniť vnútornú energiu tela? Po prvé, poďme zistiť, čo to je. Vnútorná energia je kinetická a potenciál častíc je energia ich pohybu. A rýchlosť ich pohybu, ako viete, závisí od teploty. To znamená, že logický záver je, že zvýšením teploty tela zvýšime jeho vnútornú energiu. Najjednoduchší spôsob, ako zvýšiť telesnú teplotu, je prenos tepla. Keď sa telesá s rôznymi teplotami dostanú do kontaktu, chladnejšie teleso sa zahrieva vďaka teplejšiemu. Teplejšie telo je v tomto prípade ochladzované.

Jednoduchý denný príklad: studená lyžica v šálke horúceho čaju sa veľmi rýchlo zahreje, zatiaľ čo čaj trochu ochladí. Zvýšenie telesnej teploty je možné aj inými spôsobmi. Čo všetci robíme, keď nám na ulici mrznú tvár alebo ruky? Máme ich tri. Predmety sa pri trení zahrievajú. Predmety sa tiež zahrievajú pri náraze, tlaku, teda inými slovami pri interakcii. Každý vie, ako sa v dávnych dobách zakladal oheň – buď o seba obtierali kusy dreva, alebo udierali kremíkom do iného kameňa. Aj v našej dobe sa v kremíkových zapaľovačoch používa trenie kovovej tyče o pazúrik.

Doteraz sme hovorili o zmene vnútornej energie zmenou kinetickej energie častíc, z ktorých sa skladá. A čo potenciálna energia tých istých častíc? Ako viete, potenciálna energia častíc je energiou ich vzájomného usporiadania. Aby sme teda zmenili potenciálnu energiu častíc telesa, musíme telo deformovať: stlačiť, skrútiť atď., to znamená zmeniť vzájomné usporiadanie častíc. To sa dosiahne pôsobením na telo. Rýchlosť jednotlivých častí tela meníme, čiže na tom pracujeme.

Všetky prípady dopadu na telo s cieľom zmeniť jeho vnútornú energiu sa teda dosahujú dvoma spôsobmi. Buď prenosom tepla do neho, teda prenosom tepla, alebo zmenou rýchlosti jeho častíc, teda vykonávaním práce na tele.

Príklady zmien vnútornej energie- to sú prakticky všetky procesy prebiehajúce vo svete. Vnútorná energia častíc sa nemení v prípade, že sa s telom nič nestane, čo, musíte súhlasiť, je extrémne zriedkavé - platí zákon zachovania energie. Neustále sa okolo nás niečo deje. Aj pri predmetoch, pri ktorých sa na prvý pohľad nič nedeje, v skutočnosti dochádza k rôznym pre nás nepostrehnuteľným zmenám: nepatrné zmeny teploty, malé deformácie a pod. Stolička sa pod našou váhou prehýba, teplota knihy na poličke sa pri každom pohybe vzduchu mierne mení, o prievanu ani nehovoriac. No a čo sa týka živých tiel, bez slov je jasné, že sa v ich vnútri neustále niečo deje a vnútorná energia sa mení takmer v každom okamihu.