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.
| Внутренняя энергия 1-й закон термодинамики. | |
| Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией. | |
| Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела. Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом. Следовательно: U=U (T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры. | U=U (T,V) |
| Для идеального газа: U=U (T) , т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем. - внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Внутренняя энергия - однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) - одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния. U – внутренняя энергия N – число атомов - средняя кинетическая энергия K – постоянная Больцмана m - масса M - молярная масса R – универсальная газовая постоянная Ρ плотность v – количество вещества | Идеальный газ: |
| Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты. |
Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной: у одного и того же тела она может изменяться. При повышении температуры тела внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость , а значит, и кинетическая энергия, молекул этого тела. С понижением же температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается. Таким образом, внутренняя энергия тела изменяется при изменении скорости движения его молекул. Какими же способами можно увеличить или уменьшить эту скорость? Обратимся к опыту.
На подставке (рис. 181) укреплена тонкостенная латунная трубка, в которую налито немного эфира, трубка плотно закрыта пробкой. Трубку обвивают веревкой и быстро двигают веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит и его пар вытолкнет пробку. Этот опыт показывает, что внутренняя энергия эфира, увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел. Увеличение внутренней энергии произошло в результате работы, совершенной при натирании веревкой трубки.
Тела нагреваются также при ударах, разгибании и сгибании, вообще при деформации. Во всех этих случаях за счет совершенной работы увеличивается внутренняя энергия тел.
Итак, внутреннюю энергию тела можно увеличить путем совершения работы над телом. Если работу совершает само тело, то внутренняя энергия его при этом уменьшается. Это можно наблюдать на следующем опыте.
Берут толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой. Через специальное отверстие в сосуд накачивают воздух, в котором содержится водяной пар. Через некоторое время пробка выскакивает из сосуда (рис. 182). В тот момент, когда пробка выскакивает, в сосуде появляется туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее (вспомните, что и на улице туман появляется во время похолодания).
Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счет своей внутренней энергии, которая при этом уменьшается. Об уменьшении энергии мы судим по охлаждению воздуха в сосуде.
Внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом.
Известно, что чайник с водой, стоящий на плите, металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, печь, в которой разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, нагреваются. Во всех случаях повышается температура тел, а значит, увеличивается и их внутренняя энергия. Как объяснить ее увеличение?
Как, например, нагревается холодная металлическая ложка, опущенная в горячий чай? Сначала скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды больше скорости и кинетической энергии частиц холодного металла. В тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды передают часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Поэтому скорость и энергия молекул воды в среднем уменьшается, а скорость и энергия частиц металла увеличивается: температура воды уменьшается, а температура ложки увеличивается - температуры их постепенно выравниваются. С уменьшением кинетической энергии молекул воды уменьшается и внутренняя энергия всей воды, находящейся в стакане, а внутренняя энергия ложки, увеличивается.
Процесс изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передается от одних частиц к другим, называют теплопередачей. Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей .
Когда тело уже нагрето, мы не можем указать, каким из двух способов это было сделано. Так, держа в руках нагретую стальную спицу, мы не можем сказать, каким способом ее нагрели - натирая ее или помещая в пламя.
Вопросы. 1. Приведите примеры, показывающие, что внутренняя энергия тела увеличивается при совершении над телом работы. 2. Опишите опыт, показывающий, что за счет внутренней энергии тело может совершить работу. 3. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела способом теплопередачи. 4. Объясните на основе молекулярного строения вещества теплопередачу. 5. Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
Задание.
Положите пятикопеечную, монету на лист фанеры или деревянную доску. Прижмите монету к доске и двигайте ее быстро, то в одну, то в другую сторону. Заметьте, сколько раз надо передвинуть монету, чтобы она стала теплой , горячей. Сделайте вывод о связи между проделанной работой и увеличением внутренней энергии тела.
Как изменить механическую энергию тела? Да очень просто. Поменять его местоположение или придать ему ускорение. Например, пнуть мячик или поднять его над землей повыше.
В первом случае мы изменим его кинетическую энергию, во втором потенциальную. А как обстоит дело с внутренней энергией? Каким способом изменить внутреннюю энергию тела? Для начала разберемся, что же это такое. Внутренняя энергия - это кинетическая и потенциальна частиц - это энергия их движения. А скорость их движения, как известно, зависит от температуры. То есть, логичный вывод - повышая температуру тела, мы повысим его внутреннюю энергию. Самый простой способ повысить температуру тела - это теплообмен. При контакте тел с разной температурой более холодное тело нагревается за счет более теплого. Более теплое тело в этом случае охлаждается.
Простой ежедневный пример: холодная ложка в чашке с горячим чаем очень быстро нагревается, а чай при этом чуть-чуть остывает. Повышение температуры тела возможно и другими способами. Как мы все поступаем, когда у нас на улице замерзают лицо или руки? Мы трем их. При трении предметы нагреваются. Также предметы нагреваются при ударах, давлении, то есть, иными словами, при взаимодействии. Всем известно, как добывали огонь в древности - либо терли деревяшки друг о друга, либо стукали кремнием по другому камню. Также и в наше время в кремниевых зажигалках используется трение металлического стержня о кремень.
До сих пор речь шла о изменении внутренней энергии путем изменения кинетической энергии составляющих его частиц. А как насчет потенциальной энергии этих же самых частиц? Как известно, потенциальная энергия частиц - это энергия их взаиморасположения. Таким образом, для изменения потенциальной энергии частиц тела, нам надо тело деформировать: сжать, скрутить и так далее, то есть, изменить расположение частиц друг относительно друга. Это достигается путем воздействия на тело. Мы меняем скорость отдельных частей тела, то есть совершаем над ним работу.
Таким образом, все случаи воздействия на тело с целью изменения его внутренней энергии достигаются двумя способами. Либо путем передачи ему тепла, то есть теплопередачей, либо путем изменения скорости его частиц, то есть совершением над телом работы.
Примеры изменения внутренней энергии - это практически все происходящие в мире процессы. Не меняется внутренняя энергия частиц в случае, когда с телом абсолютно ничего не происходит, что согласитесь, крайняя редкость - закон сохранения энергии действует. Вокруг нас все время что-то происходит. Даже с предметами, с которыми на первый взгляд ничего не происходит, на самом деле происходят различные незаметные нам изменения: незначительные изменения температуры, небольшие деформации и так далее. Стул прогибается под нашей тяжестью, у книги на полке чуть-чуть изменяется температуру от каждого движения воздуха, не говоря уже про сквозняки. Ну а что касается живых тел - тут понятно без слов, что в них внутри все время что-то происходит, и внутренняя энергия меняется практически в каждый момент времени.
