Внутрішня енергія – коротко
Теплові явища можна описувати за допомогою величин (макроскопічних параметрів), вимірюваних такими приладами, як манометр і термометр. Ці прилади не реагують на вплив окремих молекул. Теорія теплових процесів, в якій не враховується молекулярну будову тіл, називається термодинамікою. У термодинаміки розглядаються процеси з погляду перетворення теплоти в інші види енергії.
Пригадайте з курсу фізики основної школи, що таке внутрішня енергія.
Які способи зміни внутрішньої енергії ви знаєте?
Термодинаміка була створена в середині XIX ст. після відкриття закону збереження енергії. В її основі лежить поняття внутрішня енергія. Сама назва “внутрішня” передбачає розгляд системи як ансамблю рухаються і взаємодіючих молекул. Зупинимося на питанні про те, який зв’язок існує між термодинамікою і молекулярно-кінетичної теорії.
Термодинаміка і статистична механіка. Першою науковою теорією теплових процесів була молекулярно-кінетична теорія, а термодинаміка.
Термодинаміка виникла при вивченні оптимальних умов використання теплоти для здійснення роботи. Це сталося в середині XIX ст., Задовго до того, як молекулярно-кінетична теорія отримала загальне визнання. Тоді ж було доведено, що поряд з механічною енергією макроскопічні тіла володіють ще й енергією, укладеної всередині самих тел.
Зараз в науці і техніці при вивченні теплових явищ використовується як термодинаміка, так і молекулярно-кінетична теорія. У теоретичній фізиці молекулярно-кінетичну теорію називають статистичної механікою.
Важливо
Термодинаміка і статистична механіка вивчають різними методами одні й ті ж явища і взаємно доповнюють один одного.
Запам’ятай
Термодинамічною системою називають сукупність взаємодіючих тіл, що обмінюються енергією і речовиною.
Головний зміст термодинаміки полягає в двох основних її законах, що стосуються перетворення енергії. Ці закони встановлені дослідним шляхом. Вони справедливі для всіх речовин незалежно від їх внутрішньої будови.
Внутрішня енергія в молекулярно-кінетичної теорії.
Основним поняттям в термодинаміки є поняття внутрішньої енергії.
Запам’ятай
Внутрішня енергія тіла (системи) – це сума кінетичної енергії хаотичного теплового руху молекул і потенційної енергії їхньої взаємодії.
Механічна енергія тіла (системи) як цілого не входить у внутрішню енергію. Наприклад, внутрішня енергія газів в двох однакових посудинах при рівних умовах однакова незалежно від руху судин і їх розташування відносно один одного.
Обчислити внутрішню енергію тіла (або її зміна), враховуючи рух окремих молекул і їх положення відносно один одного, практично неможливо через величезної кількості молекул в макроскопічних тілах. Тому необхідно вміти визначати значення внутрішньої енергії (або її зміна) залежно від макроскопічних параметрів, які можна безпосередньо виміряти.
Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу. Обчислимо внутрішню енергію ідеального одноатомного газу.
Відповідно до моделі молекули ідеального газу не взаємодіють один з одним, отже, потенційна енергія їх взаємодії дорівнює нулю. Вся внутрішня енергія ідеального газу визначається кінетичної енергією безладного руху його молекул.
Для обчислення внутрішньої енергії ідеального одноатомного газу масою т потрібно помножити середню кінетичну енергію одного атома на число атомів.
Якщо ідеальний газ складається з більш складних молекул, ніж одноатомний, то його внутрішня енергія також пропорційна абсолютній температурі, але коефіцієнт пропорційності між U і Т інший. Пояснюється це тим, що складні молекули не тільки рухаються поступально, але ще й обертаються і коливаються щодо своїх положень рівноваги. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального, обертального і коливального рухів молекул. Отже, внутрішня енергія багатоатомних газу більше енергії одноатомного газу при тій же температурі.
Залежність внутрішньої енергії від макроскопічних параметрів. Ми встановили, що внутрішня енергія ідеального газу залежить від одного параметра – температури.
У реальних газів, рідин і твердих тіл середня потенційна енергія взаємодії молекул не дорівнює нулю. Правда, для газів вона багато менше середньої кінетичної енергії молекул, але для твердих і рідких тіл порівнянна з нею.
Середня потенційна енергія взаємодії молекул газу залежить від об’єму речовини, оскільки при зміні обсягу змінюється середня відстань між молекулами. Отже,
Важливо
внутрішня енергія реального газу в термодинаміці в загальному випадку залежить поряд з температурою T і від обсягу V.
Подумайте, чи можна стверджувати, що внутрішня енергія реального газу залежить від тиску, грунтуючись на тому, що тиск можна виразити через температуру і обсяг газу.
Значення макроскопічних параметрів (температури Т, об’єму V та ін.) Однозначно визначають стан тел. Тому вони визначають і внутрішню енергію макроскопічних тіл.
Внутрішня енергія U макроскопічних тіл однозначно визначається параметрами, що характеризують стан цих тел: температурою і об’ємом.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)