Внутренняя энергия тела не изменяется при. Внутренняя энергия

Внутренняя энергия и работа газа

Основы термодинамики

Повторение. Закон сохранения полной механической энергии : полная механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.

Систему называют замкнутой , если все ее компоненты взаимодействуют только между собой.

Совершение работы и выделение энергии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии .

Под внутренней энергией системы U в термодинамике понимают сумму кинетической энергии движения всех микрочастиц системы (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия между собой. Подчеркнем, что механическая энергия (потенциальная энергия тела, поднятого под поверхно­стью Земли и кинетическая энергия его движения как целого) не входит во внутреннюю энергию.

Опыт показывает, что существуют два способа изменения внутренней энергии системы - совершение механической работы над системой и теплообмен с другими системами.

Первый способ изменения внутренней энергии - совершение механической работы А" внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А (А = -А"). При совершении работы внутренняя энергия системы изменяется за счет энергии внешнего источника. Так, при накачивании велосипедного колеса система нагревается за счет работы насоса, при помощи трения наши предки смогли получить огонь и т. д.

Второй способ изменения внутренней энергии системы (без совершения работы) называется теплообменом (теплопередачей). Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается ΔQ .

Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

При теплопроводности происходит передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому при тепловом контакте между ними. Теплообмен может происходить и между частями тела: от более нагретой части к его менее нагретой без переноса частиц, составляющих тело.

Конвекция - перенос теплоты потоками движущихся жидкости или газа из одних областей занимаемого ими объема в другие. При нагревании чайника на плите теплопроводность обеспечивает поступление теплоты через дно чайника к нижним (пограничным) слоям воды, однако нагревание внутренних слоев воды как раз и есть результат конвекции, приводящей к перемешиванию нагретой и холодной воды.

Тепловое излучение - перенос теплоты посредством электромагнитных волн. При этом отсутствует механический контакт нагревателя и получателя теплоты. Например, при поднесении руки на небольшое расстояние к лампе накаливания Вы почувствуете ее тепловое излучение. Земля получает энергию от Солнца также за счет теплового излучения.

Поскольку внутренняя энергия U однозначно определяется термодинамическими параметрами системы, то она является функцией состояния. Соответственно, изменение внутренней энергии ΔU при изменении состояния системы (изменение температуры, объема, давления, переход из жидкого состояния в твердое и т. д.) может быть найдено по формуле

ΔU=U 2 - U 1

где U 1 и U 2 - внутренняя энергия в первом и во втором состояниях. Изменение внутренней энергии ΔU не зависит от промежуточных состояний системы в процессе такого перехода, а определяется только начальным и конечным значениями энергии.

Частицы любого тела атомы или молекулы совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т. е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом.

Внутренняя энергия термодинамической системы это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему.

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.

2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.

3. Энергия электронов в атомах.

4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества идеального газа для внутренней энергии можно получить явную формулу.

8.1 Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии). Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного8 движения его атомов. Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа N на среднюю кинетическую энергию E одного атома:

U = 3 2 m RT:

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

8 У многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул.

8.2 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 ¾предыстории¿ 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.

8.3 Изменение внутренней энергии: совершение работы

Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.

Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.

Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.

Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы работу совершили молоток и сила трения о доску.

Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается. Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется

и поднимает некий груз, совершая тем самым работу9 . В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.

Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.

8.4 Изменение внутренней энергии: теплопередача

Теплопередача это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы. Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом.

9 Процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным. Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Сейчас мы рассмотрим их более подробно.

8.5 Теплопроводность

Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т. е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.

Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 18 )10 .

Рис. 18. Теплопроводность

Теплопроводность это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела.

Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).

Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.

Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната? Происходит это вследствие другого вида теплопередачи конвекции.

8.6 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

10 Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com.

воздух11 , 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 показаны12 на рис.19 .

Рис. 19. 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.

8.7 Тепловое излучение

Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.

Здесь работает третий вид теплопередачи тепловое излучение. Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?

Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем13 . В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле. . .

11 Тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер.

12 Изображения с сайтаphysics.arizona.edu.

13 Подробнее об этом будет рассказано в электродинамике, в теме про электромагнитную индукцию.

В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна ¾зацепленные¿ друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет частный случай электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: 300000 км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.

Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше частоты ультрафиолетового излучения.

Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называютя тепловым излучением в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.

Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.

При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы ¾светимся¿). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока (6000 C), что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.

Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 20 )14 .

Рис. 20. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

14 Изображения с сайтаbeodom.com.