Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії

Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії

Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул одна з одною. Внутрішня енергія — функція стану U = f(T).

У термодинаміці розглядають зміну внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший. Величини, що визначають стан газу: Р, Т, V.

Найпростіше можна обчислити внутрішню енергію ідеального одноатомного газу, бо його молекули здійснюють лише поступальний рух. Зміна внутрішньої енергії даної маси ідеального газу відбувається лише за зміни його температури:



Якими способами можна змінити внутрішню енергію тіла? Обговорення дослідів.

Висновки узагальнюємо у вигляді таблиці.






• Внутрішня енергія макроскопічного тіла (U) є сумою кінетичної енергії хаотичного руху молекул (атомів) і потенціальної енергії їх взаємодії.

• Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу:



де m — маса газу; М — молярна маса газу; R — універсальна газова стала; NA — стала Авогадро.

Робота термодинамічного процесу

Демонстрація дослідів та їх пояснення

1. Ізобарний процес; р = const, А = pΔV.

Якщо газ стискався, то ΔV < 0 — робота газу негативна; якщо розширювався, то ΔV >0 — робота позитивна.

Робота зовнішніх сил матиме протилежний знак:









Робота чисельно дорівнює площі під кривою, яка описує процес на (p,V) діаграмі. Величина роботи залежить від того, яким шляхом виконувався перехід з початкового стану в кінцевий.

2. Самостійна робота з графіками ізопроцесів

Побудувати графіки ізотермічного та ізохорного процесів у координатах (p,V) та вказати, чому дорівнює робота для кожного випадку.

Висновки: ізотермічний процес (Т = const): робота дорівнює площі фігури, обмеженої ізотермою та двома ізохорами.

Ізохорний процес (V = const): А = 0.

Перший закон термодинаміки

Ідею про збереження енергії у природі висловлювали ще давньогрецькі філософи. Вони вважали, що в природі, яка нас оточує, весь час відбуваються зміни, які не можуть ніколи припинитися.

У 40-х роках XIX ст. сталася важлива подія в історії фізики — було встановлено закон збереження та перетворення енергії.

Давайте пригадаємо цей закон. Енергія в природі не виникає з нічого й нікуди не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу.

У який спосіб можна змінити внутрішню енергію тіла?
Внутрішню енергію можна змінити двома способами: виконанням роботи і теплопередачею.

Учитель. Отже, робота А — це міра зміни механічної енергії, кількість теплоти Q — міра зміни внутрішньої енергії, тобто способи зміни внутрішньої енергії еквівалентні. Тому відомий закон збереження енергії для механічних процесів поширюється і на теплові процеси.

Як математично можна записати причинну обумовленість скінченої зміни стану тіла (чи системи) зовнішніми механічними і тепловими впливами?



Це рівняння виражає закон збереження і перетворення енергії для теплових процесів, він дістав назву першого закону (начала) термодинаміки:

Зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і наданої системи кількості теплоти.

Але можна розглядати і роботу А, виконану системою над зовнішніми тілами; тоді її записують із знаком «-» і рівняння набуває вигляду:


Інше формулювання першого закону термодинаміки: кількість теплоти, підведена до системи, частково йде на збільшення її внутрішньої енергії і частково на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

Назва процесу	Постійний параметр	Значення роботи, А’	Зміна внутрішньої енергії, ΔU	Запис першого закону термодинаміки	Формулювання першого закону термодинаміки
Ізобарвний	р = const	А' ≠ 0	ΔU ≠ 0	Q = ΔU + A'	Кількість теплоти, отримана газом, іде на зміну його внутрішньої енергії і на виконання цим газом роботи
Ізохорний	V = const	А ≠ О	ΔU = 0	Q = A’	Кількість теплоти, отримана газом, іде на виконання цим газом роботи
Ізотермічний	Т = const	А' ≠ 0	ΔU = 0	Q = A’	Уся отримана газом кількість теплоти іде на виконання цим газом роботи
Адіабатний	Q = const	А' ≠ 0	ΔU ≠ 0	ΔU = -А’	Зміна внутрішньої енергії дорівнює роботі газу, взятої із протилежним знаком