Lucrări interne de energie și gaze
Fundamentele termodinamicii
Repetiţie. Legea conservării energiei mecanice totale: se conserva energia mecanica totala a unui sistem inchis in care fortele de frecare (rezistenta) nu actioneaza.
Sistemul este numit închis dacă toate componentele sale interacţionează numai între ele.
Performanța muncii și eliberarea de energie în timpul proceselor termodinamice indică faptul că sistemele termodinamice au o marjă energie interna.
Sub energie interna sisteme Uîn termodinamică înțelegeți suma energiei cinetice a mișcării toate microparticulele din sistem(atomi sau molecule) și energia potențială a interacțiunii lor între ele. Subliniem că energia mecanică (energia potențială a unui corp ridicat sub suprafața Pământului și energia cinetică a mișcării sale în ansamblu) nu este inclusă în energia internă.
Experiența arată că există două moduri de a schimba energia internă a unui sistem - realizarea unui mecanic muncă peste sistem și schimb de caldura cu alte sisteme.
Prima modalitate de a schimba energia internă este efectuarea lucrărilor mecanice DAR" forțe externe asupra sistemului sau sistemul însuși asupra corpurilor externe A (A = -A"). Când se lucrează, energia internă a sistemului se modifică datorită energiei unei surse externe. Deci, la umflarea unei roți de bicicletă, sistemul se încălzește datorită funcționării pompei, cu ajutorul frecării, strămoșii noștri au reușit să ia foc etc.
A doua modalitate de a schimba energia internă a sistemului (fără a lucra) se numește schimb de căldură (transfer de căldură). Se numește cantitatea de energie primită sau dată de organism într-un astfel de proces cantitatea de căldurăși notat ∆Q.
Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție, radiație termică.
La conductivitate termică căldura este transferată de la un corp mai fierbinte la un corp mai puțin încălzit prin contactul termic dintre ele. Schimbul de căldură poate avea loc și între părți ale corpului: de la o parte mai încălzită la una mai puțin încălzită, fără transferul particulelor care alcătuiesc corpul.
Convecție- transfer de căldură prin fluxuri de lichid sau gaz în mișcare dintr-o zonă a volumului pe care o ocupă în alta. Când fierbătorul este încălzit pe aragaz, conductivitatea termică asigură fluxul de căldură prin fundul ibricului către straturile inferioare (limită) de apă, cu toate acestea, încălzirea straturilor interioare de apă este tocmai rezultatul convecției, care duce la amestecarea apei calde cu apa rece.
Radiație termala- transfer de căldură prin unde electromagnetice. În acest caz, nu există un contact mecanic între încălzitor și receptorul de căldură. De exemplu, atunci când îți aduci mâna la o distanță mică la o lampă cu incandescență, vei simți radiația termică a acesteia. Pământul primește energie de la Soare și datorită radiațiilor termice.
Din moment ce energia internă U este determinată în mod unic de parametrii termodinamici ai sistemului, atunci este o funcție de stare. În consecință, schimbarea energiei interne ΔU atunci când starea sistemului se modifică (modificarea temperaturii, volumului, presiunii, trecerea de la starea lichidă la starea solidă etc.) poate fi găsită prin formula
ΔU=U 2 - U 1
Unde U 1și U 2- energia internă în prima și a doua stare. Schimbarea energiei interne ΔU nu depinde de stările intermediare ale sistemului în timpul unei astfel de tranziții, ci este determinată doar de valorile inițiale și finale ale energiei.
| Energia internă prima lege a termodinamicii. | |
| Suma energiilor cinetice ale mișcării haotice a tuturor particulelor corpului în raport cu centrul de masă al corpului (molecule, atomi) și energiile potențiale ale interacțiunii lor între ele se numește energie internă. | |
| Cinetică energia particulelor este determinată de viteză, ceea ce înseamnă - temperatura corp. Potenţial- distanța dintre particule, ceea ce înseamnă - volum. Prin urmare: U=U (T,V) - energia internă depinde de volum și temperatură. | U=U(T,V) |
| Pentru un gaz ideal: U=U (T) , deoarece neglijăm interacțiunea la distanță. este energia internă a unui gaz ideal monoatomic. Energia internă este o funcție de stare cu o singură valoare (până la o constantă arbitrară) și este conservată într-un sistem închis. Reversul nu este adevărat(!) - la aceeași energie pot corespunde stări diferite. U - energia internă N - numărul de atomi - energia cinetică medie K - constanta lui Boltzmann m - masa M - masa molară R - constanta universală a gazului Ρ densitatea v - cantitatea de materie | Gaz ideal: |
| Experimentele lui Joule au dovedit echivalența muncii și a cantității de căldură, i.e. ambele marimi sunt o masura a schimbarii energiei, pot fi masurate in aceleasi unitati: 1 cal = 4,1868 J ≈ 4,2 J. Aceasta valoare se numeste. echivalentul mecanic al căldurii. |
Potrivit MKT, toate substanțele sunt compuse din particule care sunt în mișcare termică continuă și interacționează între ele. Prin urmare, chiar dacă corpul este nemișcat și are energie potențială zero, el are energie (energie internă), care este energia totală de mișcare și interacțiune a microparticulelor care alcătuiesc corpul. Compoziția energiei interne include:
- energia cinetică a mișcării de translație, rotație și vibrație a moleculelor;
- energia potențială de interacțiune a atomilor și moleculelor;
- energie intraatomica si intranucleara.
În termodinamică, procesele sunt considerate la temperaturi la care mișcarea oscilativă a atomilor din molecule nu este excitată, adică. la temperaturi care nu depăşesc 1000 K. Numai primele două componente ale energiei interne se modifică în aceste procese. De aceea
sub energie internaîn termodinamică, ei înțeleg suma energiei cinetice a tuturor moleculelor și atomilor unui corp și energia potențială a interacțiunii lor.
Energia internă a unui corp determină starea sa termică și se modifică în timpul trecerii de la o stare la alta. Într-o stare dată, corpul are o energie internă bine definită, independentă de procesul în urma căruia a trecut în această stare. Prin urmare, energia internă este foarte des numită funcția stării corpului.
\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)
Unde i- grad de libertate. Pentru un gaz monoatomic (de exemplu, gaze inerte) i= 3, pentru diatomic - i = 5.
Din aceste formule se poate observa că energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura si numarul de moleculeși nu depinde de volum sau presiune. Prin urmare, modificarea energiei interne a unui gaz ideal este determinată doar de o modificare a temperaturii acestuia și nu depinde de natura procesului în care gazul trece de la o stare la alta:
\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)
unde ∆ T = T 2 - T 1 .
- Moleculele de gaze reale interacționează între ele și, prin urmare, au energie potențială W p , care depinde de distanța dintre molecule și, în consecință, de volumul ocupat de gaz. Astfel, energia internă a unui gaz real depinde de temperatură, volum și structura moleculară a acestuia.
*Derivarea formulei
Energia cinetică medie a unei molecule \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).
Numărul de molecule din gaz \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\).
Prin urmare, energia internă a unui gaz ideal
\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)
Dat fiind k⋅N A= R este constanta universală a gazelor, avem
\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) este energia internă a unui gaz ideal.
Schimbarea energiei interne
Pentru a rezolva probleme practice, nu energia internă în sine joacă un rol semnificativ, ci schimbarea sa Δ U = U 2 - U unu . Modificarea energiei interne se calculează pe baza legilor conservării energiei.
Energia internă a unui corp se poate modifica în două moduri:
- La realizarea munca mecanica. a) Dacă o forță exterioară provoacă deformarea corpului, atunci distanțele dintre particulele din care constă se modifică și, în consecință, se modifică energia potențială a interacțiunii particulelor. În cazul deformărilor inelastice, în plus, temperatura corpului se modifică, adică. se modifică energia cinetică a mișcării termice a particulelor. Dar când corpul este deformat, se lucrează, care este o măsură a schimbării energiei interne a corpului. b) Energia internă a unui corp se modifică și în timpul ciocnirii sale inelastice cu un alt corp. După cum am văzut mai devreme, în timpul ciocnirii inelastice a corpurilor, energia lor cinetică scade, se transformă în energie internă (de exemplu, dacă loviți de mai multe ori un fir care se află pe o nicovală cu un ciocan, firul se va încălzi). Măsura modificării energiei cinetice a unui corp este, conform teoremei energiei cinetice, opera forțelor care acționează. Această muncă poate servi și ca măsură a modificărilor energiei interne. c) Modificarea energiei interne a corpului are loc sub acțiunea forței de frecare, deoarece, după cum se știe din experiență, frecarea este întotdeauna însoțită de o modificare a temperaturii corpurilor de frecare. Lucrarea forței de frecare poate servi ca măsură a schimbării energiei interne.
- Cu ajutor transfer de căldură. De exemplu, dacă un corp este plasat într-o flacără a unui arzător, temperatura acestuia se va schimba și, prin urmare, energia sa internă se va schimba și ea. Totuși, aici nu s-a lucrat, deoarece nu a existat nicio mișcare vizibilă nici a corpului în sine, nici a părților sale.
Se numește schimbarea energiei interne a unui sistem fără a lucra schimb de caldura(transfer de căldură).
Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație.
A) conductivitate termică este procesul de schimb de căldură între corpuri (sau părți ale corpului) în contactul lor direct, datorită mișcării haotice termice a particulelor corpului. Amplitudinea oscilațiilor moleculelor unui corp solid este mai mare, cu atât temperatura acestuia este mai mare. Conductivitatea termică a gazelor se datorează schimbului de energie între moleculele de gaz în timpul ciocnirilor lor. În cazul lichidelor, ambele mecanisme funcționează. Conductivitatea termică a unei substanțe este maximă în stare solidă și minimă în stare gazoasă.
b) Convecție este transferul de căldură prin fluxuri încălzite de lichid sau gaz dintr-o parte a volumului pe care îl ocupă în alta.
c) Transfer de căldură la radiatii efectuate la distanță cu ajutorul undelor electromagnetice.
Să luăm în considerare mai detaliat cum să schimbăm energia internă.
munca mecanica
Când se iau în considerare procesele termodinamice, mișcarea mecanică a macrocorpurilor în ansamblu nu este luată în considerare. Conceptul de muncă aici este asociat cu o modificare a volumului corpului, adică. părțile în mișcare ale macrocorpului una față de alta. Acest proces duce la o schimbare a distanței dintre particule și, de asemenea, adesea la o schimbare a vitezei de mișcare a acestora, prin urmare, la o schimbare a energiei interne a corpului.
proces izobaric
Luați în considerare mai întâi procesul izobar. Lasă să existe gaz într-un cilindru cu piston mobil la o temperatură T 1 (Fig. 1).
Vom încălzi încet gazul la o temperatură T 2. Gazul se va extinde izobar și pistonul se va deplasa din poziție 1 în poziție 2 distanta Δ l. În acest caz, forța de presiune a gazului va lucra asupra corpurilor externe. pentru că p= const, apoi forța de presiune F = p⋅S de asemenea constantă. Prin urmare, munca acestei forțe poate fi calculată prin formula
\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)
unde ∆ V- modificarea volumului de gaz.
- Dacă volumul gazului nu se modifică (proces izocor), atunci munca efectuată de gaz este zero.
- Gazul funcționează numai în procesul de modificare a volumului său.
La extindere (Δ V> 0) se efectuează un lucru pozitiv asupra gazului ( DAR> 0); sub compresie (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (DAR < 0).
- Dacă luăm în considerare munca forțelor externe A " (DAR " = –DAR), apoi cu expansiunea (Δ V> 0) gaz DAR " < 0); при сжатии (ΔV < 0) DAR " > 0.
Să scriem ecuația Clapeyron-Mendeleev pentru două stări de gaz:
\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)
\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)
Prin urmare, la proces izobaric
\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)
Dacă ν = 1 mol, atunci la Δ Τ = 1 K obținem asta R este numeric egal cu A.
De aici urmează semnificația fizică a constantei universale de gaz: este numeric egal cu munca efectuată de 1 mol de gaz ideal atunci când este încălzit izobar cu 1 K.
Nu un proces izobaric
Pe diagramă p (V) într-un proces izobaric, munca este egală cu aria dreptunghiului umbrită în figura 2, a.
Dacă procesul nu izobar(Fig. 2, b), apoi curba funcției p = f(V) poate fi reprezentată ca o linie întreruptă formată dintr-un număr mare de izocori și izobare. Lucrul pe secțiuni izobare este egal cu zero, iar munca totală pe toate secțiunile izobare va fi egal cu
\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\), sau \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )
acestea. va fi egal cu zona figurii umbrite.
La proces izotermic (T= const) lucrarea este egală cu aria figurii umbrite prezentată în Figura 2, c.
Este posibil să se determine lucrul folosind ultima formulă numai dacă se știe cum se modifică presiunea gazului odată cu modificarea volumului său, adică. se cunoaşte forma funcţiei p = f(V).
Astfel, este clar că, chiar și cu aceeași modificare a volumului de gaz, munca va depinde de metoda de tranziție (adică de procesul: izoterm, izobar...) de la starea inițială a gazului la cea finală. Prin urmare, se poate concluziona că
- Lucrul în termodinamică este o funcție de proces și nu o funcție de stare.
Cantitatea de căldură
După cum știți, în timpul diferitelor procese mecanice, există o schimbare a energiei mecanice W. Măsura schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
\(~\DeltaW = A.\)
În timpul transferului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. Măsura modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură.
Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia internă. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine (cum o face energia internă), ci determină procesul de tranziție a energiei de la o formă la alta (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind în esență de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și căldură este aceea
- lucrarea caracterizează procesul de schimbare a energiei interne a sistemului, însoțit de transformarea energiei de la un tip la altul (de la mecanic la intern);
- cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.
Incalzire racire)
Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp cu o masă m temperatura T 1 la temperatură T 2 se calculează prin formula
\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)
Unde c- capacitatea termică specifică a unei substanțe (valoarea tabelului);
\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)
Unitatea SI a căldurii specifice este joule pe kilogram-Kelvin (J/(kg K)).
Căldura specifică c este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp cu masa de 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.
Pe lângă capacitatea termică specifică, se ia în considerare și o cantitate precum capacitatea termică a corpului.
Capacitate termica corp C egal numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:
\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)
Unitatea SI a capacității termice a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).
Vaporizare (condens)
Pentru a transforma un lichid într-un vapor la o temperatură constantă, cantitatea de căldură necesară este
\(~Q = L\cdot m,\)
Unde L- căldura specifică de vaporizare (valoarea tabelului). Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Unitatea SI pentru căldura specifică de vaporizare este joule pe kilogram (J/kg).
Topire (cristalizare)
Pentru a topi un corp cristalin cu o masă m la punctul de topire, este necesar ca organismul să raporteze cantitatea de căldură
\(~Q = \lambda \cdot m,\)
Unde λ - căldura specifică de fuziune (valoarea tabelului). În timpul cristalizării unui corp, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Unitatea SI pentru căldura specifică de fuziune este joule pe kilogram (J/kg).
arderea combustibilului
Cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a masei de combustibil m,
\(~Q = q \cdot m,\)
Unde q- căldura specifică de ardere (valoarea tabelului).
Unitatea SI pentru căldura specifică de ardere este joule pe kilogram (J/kg).
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.
Energia internă poate fi modificată în două moduri.
Dacă se lucrează asupra unui corp, energia internă a acestuia crește.
Dacă munca este făcută de corpul însuși, energia sa internă scade.
În total, există trei tipuri simple (elementare) de transfer de căldură:
Conductivitate termică
· Convecție
Convecția este fenomenul de transfer de căldură în lichide sau gaze sau medii granulare prin fluxuri de materie. Există un așa-zis. convecția naturală, care apare spontan într-o substanță atunci când aceasta este încălzită neuniform într-un câmp gravitațional. Cu o astfel de convecție, straturile inferioare de materie se încălzesc, devin mai ușoare și plutesc, în timp ce straturile superioare, dimpotrivă, se răcesc, devin mai grele și se scufundă, după care procesul se repetă iar și iar.
Radiația termică sau radiația este transferul de energie de la un corp la altul sub formă de unde electromagnetice datorită energiei lor termice.
Energia internă a unui gaz ideal
Pe baza definiției unui gaz ideal, nu există o componentă potențială a energiei interne în el (nu există forțe de interacțiune a moleculelor, cu excepția șocului). Astfel, energia internă a unui gaz ideal este doar energia cinetică a mișcării moleculelor sale. Anterior (Ecuația 2.10) sa arătat că energia cinetică a mișcării de translație a moleculelor de gaz este direct proporțională cu temperatura sa absolută.
Folosind expresia constantei universale de gaz (4.6), se poate determina valoarea constantei α.
Astfel, energia cinetică a mișcării de translație a unei molecule a unui gaz ideal va fi determinată de expresie.
În conformitate cu teoria cinetică, distribuția energiei pe grade de libertate este uniformă. Mișcarea de translație are 3 grade de libertate. Prin urmare, un grad de libertate de mișcare al unei molecule de gaz va reprezenta 1/3 din energia sa cinetică. 
Pentru moleculele de gaz cu două, trei și poliatomice, pe lângă gradele de libertate ale mișcării de translație, există grade de libertate a mișcării de rotație a moleculei. Pentru moleculele de gaz biatomic, numărul de grade de libertate a mișcării de rotație este 2, pentru trei și moleculele poliatomice - 3.
Deoarece distribuția energiei de mișcare a unei molecule pe toate gradele de libertate este uniformă, iar numărul de molecule dintr-un kilomol de gaz este Nμ, energia internă a unui kilomol de gaz ideal poate fi obținută prin înmulțirea expresiei ( 4.11) de numărul de molecule dintr-un kilomol și de numărul de grade de libertate de mișcare ale unei molecule dintr-un gaz dat .
unde Uμ este energia internă a unui kilomol de gaz în J/kmol, i este numărul de grade de libertate de mișcare ale unei molecule de gaz.
Pentru 1 - gaz atomic i = 3, pentru 2 - gaz atomic i = 5, pentru 3 - gaze atomice și poliatomice i = 6.
Electricitate. Condiții pentru existența unui curent electric. EMF. Legea lui Ohm pentru un circuit complet. Muncă și putere curentă. Legea Joule-Lenz.
Printre conditiile necesare existentei unui curent electric se numara: prezenta unor sarcini electrice libere in mediu si crearea unui camp electric in mediu. Câmpul electric din mediu este necesar pentru a crea o mișcare direcționată a sarcinilor gratuite. După cum se știe, o sarcină q într-un câmp electric de putere E este afectată de o forță F = qE, care forțează sarcinile libere să se miște în direcția câmpului electric. Un semn al existenței unui câmp electric în conductor este prezența unei diferențe de potențial diferită de zero între oricare două puncte ale conductorului.
Cu toate acestea, forțele electrice nu pot susține un curent electric pentru o lungă perioadă de timp. Mișcarea dirijată a sarcinilor electrice după un timp duce la egalizarea potențialelor la capetele conductorului și, în consecință, la dispariția câmpului electric din acesta. Pentru a menține curentul în circuitul electric, sarcinile, pe lângă forțele Coulomb, trebuie să fie afectate de forțe neelectrice (forțe externe). Un dispozitiv care creează forțe externe, menține o diferență de potențial într-un circuit și transformă diferite tipuri de energie în energie electrică, se numește sursă de curent.
Condiții pentru existența unui curent electric:
Prezența transportatorilor de taxe gratuite
prezența unei diferențe de potențial. acestea sunt condițiile pentru apariția curentului. pentru ca curentul să existe
un circuit închis
o sursă de forţe externe care menţine o diferenţă de potenţial.
Orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric, cu excepția forțelor electrostatice (Coulomb), se numesc forțe externe.
Forta electromotoare.
Forța electromotoare (EMF) este o mărime fizică scalară care caracterizează munca forțelor externe (nepotențiale) în sursele de curent continuu sau alternativ. Într-un circuit conductor închis, EMF este egal cu munca acestor forțe în deplasarea unei singure sarcini pozitive de-a lungul circuitului.
Unitatea EMF, ca și tensiunea, este voltul. Putem vorbi despre forța electromotoare în orice parte a circuitului. Forța electromotoare a unei celule galvanice este numeric egală cu munca forțelor externe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă în interiorul celulei de la polul său negativ la cel pozitiv. Semnul EMF este determinat în funcție de direcția aleasă în mod arbitrar de ocolire a acelei secțiuni a circuitului pe care este pornită sursa de curent dată.
Legea lui Ohm pentru un circuit complet.
Luați în considerare cel mai simplu circuit complet, format dintr-o sursă de curent și un rezistor cu o rezistență R. O sursă de curent având un EMF ε are o rezistență r, se numește rezistența internă a sursei de curent. Pentru a obține legea lui Ohm pentru un circuit complet, folosim legea conservării energiei.
Lasă o sarcină q să treacă prin secțiunea transversală a conductorului în timp Δt. Apoi, conform formulei, munca forțelor externe la deplasarea sarcinii q este egală cu . Din definiția puterii curentului, avem: q = IΔt. Prin urmare, .
Datorită muncii forțelor externe în timpul trecerii curentului în circuit, o cantitate de căldură este eliberată pe secțiunile sale externe și interne ale circuitului, conform legii Joule-Lenz egal cu:
Conform legii conservării energiei A st \u003d Q, prin urmare, EMF sursei de curent este egală cu suma căderilor de tensiune din secțiunile externe și interne ale circuitului.
Cum se schimbă energia mecanică a corpului? Da, foarte simplu. Schimbați-i locația sau dați-i accelerație. De exemplu, loviți mingea sau ridicați-o mai sus de sol.
În primul caz, îi vom modifica energia cinetică, în al doilea, potențialul. Dar cum rămâne cu energia internă? Cum se schimbă energia internă a corpului? Pentru început, să ne dăm seama ce este. Energia internă este energia cinetică și potențială a tuturor particulelor care alcătuiesc corpul. În special, energia cinetică a particulelor este energia mișcării lor. Și viteza mișcării lor, după cum știți, depinde de temperatură. Adică, concluzia logică este că prin creșterea temperaturii corpului îi vom crește energia internă. Cel mai simplu mod de a crește temperatura corpului este prin transferul de căldură. Când corpuri cu temperaturi diferite intră în contact, corpul mai rece se încălzește în detrimentul celui mai cald. Corpul mai cald în acest caz se răcește.
Un exemplu zilnic simplu: o lingură rece într-o ceașcă de ceai fierbinte se încălzește foarte repede, în timp ce ceaiul se răcește puțin. O creștere a temperaturii corpului este posibilă în alte moduri. Ce facem cu toții când fața sau mâinile ne îngheață afară? Noi trei dintre ei. Când sunt frecate, obiectele se încălzesc. De asemenea, obiectele se încălzesc în timpul impacturilor, presiunii, adică, cu alte cuvinte, în timpul interacțiunii. Toată lumea știe cum se făcea focul în vremuri străvechi - fie se frecau bucăți de lemn unele de altele, fie băteau silex pe altă piatră. De asemenea, în timpul nostru, brichetele cu silex folosesc frecarea unei tije metalice pe silex.
Până acum, am vorbit despre schimbarea energiei interne prin modificarea energiei cinetice a particulelor sale constitutive. Dar energia potențială a acestor particule? După cum știți, energia potențială a particulelor este energia poziției lor relative. Astfel, pentru a schimba energia potențială a particulelor corpului, trebuie să deformăm corpul: comprimați, răsuciți și așa mai departe, adică schimbați locația particulelor una față de alta. Acest lucru se realizează prin influențarea organismului. Schimbăm viteza părților individuale ale corpului, adică lucrăm la ea.
Exemple de modificări ale energiei interne
Astfel, toate cazurile de influență asupra organismului pentru a-și schimba energia internă se realizează în două moduri. Fie prin transferul de căldură către acesta, adică prin transfer de căldură, fie prin modificarea vitezei particulelor sale, adică prin efectuarea de lucrări asupra corpului.
Exemple de modificări ale energiei interne- acestea sunt aproape toate procesele care au loc în lume. Energia internă a particulelor nu se schimbă în cazul în care nu se întâmplă absolut nimic corpului, ceea ce, veți fi de acord, este extrem de rar - legea conservării energiei este în vigoare. Se întâmplă ceva în jurul nostru tot timpul. Chiar și cu obiectele cu care la prima vedere nu se întâmplă nimic, de fapt, se produc diverse modificări imperceptibile pentru noi: ușoare modificări de temperatură, mici deformații etc. Scaunul se lasă sub greutatea noastră, temperatura cărții de pe raft se schimbă ușor cu fiecare mișcare de aer, ca să nu mai vorbim de curenți. Ei bine, în ceea ce privește corpurile vii, este clar fără cuvinte că ceva se întâmplă în interiorul lor tot timpul, iar energia internă se schimbă aproape în fiecare moment al timpului.
1.
Există două tipuri de energie mecanică: cinetică și potențială. Orice corp în mișcare are energie cinetică; este direct proporţională cu masa corpului şi cu pătratul vitezei acestuia. Energia potențială este deținută de corpurile care interacționează între ele. Energia potențială a unui corp care interacționează cu Pământul este direct proporțională cu masa acestuia și cu distanța dintre acestea
el și suprafața pământului.
Suma energiei cinetice și potențiale a unui corp se numește energia sa mecanică totală.. Astfel, energia mecanică totală depinde de viteza corpului și de poziția acestuia față de corpul cu care interacționează.
Dacă corpul are energie, atunci poate lucra. Când se lucrează, energia corpului se schimbă. Valoarea muncii este egală cu schimbarea energiei.
2. Dacă aerul este pompat într-un borcan cu pereți groși închis cu un dop, al cărui fund este acoperit cu apă (Fig. 67), atunci după un timp pluta va zbura din borcan și se va forma ceață în borcan.
Acest lucru se datorează faptului că în aerul din borcan există vapori de apă, care se formează în timpul evaporării apei. Apariția de ceață înseamnă că aburul s-a transformat în apă, adică. condensat, iar acest lucru se poate întâmpla atunci când temperatura scade. În consecință, temperatura aerului din mal a scăzut.
Motivul pentru aceasta este următorul. Pluta a zburat din cutie, pentru că aerul de acolo a acționat asupra ei cu o anumită forță. Aerul de la ieșirea din plută a făcut treaba. Se știe că un organism poate lucra dacă are energie. Prin urmare, aerul din borcan are energie.
Când aerul a funcționat, temperatura i-a scăzut și starea sa schimbat. În același timp, energia mecanică a aerului nu s-a schimbat: nici viteza și nici poziția față de Pământ nu s-au schimbat. Prin urmare, munca a fost făcută nu datorită mecanicii, ci datorită altei energii. Această energie este energie interna aerul din cutie.
3. Energia internă a unui corp este suma energiei cinetice a mișcării moleculelor sale și energia potențială a interacțiunii lor.
Moleculele au energie cinetică \((E_k) \) pentru că sunt în mișcare și energie potențială \((E_p) \) pentru că interacționează.
Energia internă se notează cu litera \ (U \) . Unitatea de energie internă este 1 joule (1 J).
\[ U=E_k+E_p \]
4. Cu cât viteza de mișcare a moleculelor este mai mare, cu atât temperatura corpului este mai mare, prin urmare, energia internă depinde de temperatura corpului. Pentru a transfera o substanță dintr-o stare solidă în stare lichidă, de exemplu, pentru a transforma gheața în apă, trebuie să-i aduceți energie. Prin urmare, apa va avea mai multă energie internă decât gheața de aceeași masă și, prin urmare, energia internă depinde de starea de agregare a corpului.
Energia internă a unui corp nu depinde de mișcarea sa în ansamblu și de interacțiunea sa cu alte corpuri. Deci, energia internă a unei mingi așezate pe o masă și pe podea este aceeași, la fel și a unei mingi care este nemișcată și care se rostogolește pe podea (dacă, desigur, neglijăm rezistența la mișcarea acesteia).
Modificarea energiei interne poate fi judecată după valoarea muncii efectuate. În plus, deoarece energia internă a unui corp depinde de temperatura acestuia, schimbarea temperaturii corpului poate fi folosită pentru a judeca schimbarea energiei sale interne.
5. Energia internă poate fi schimbată prin muncă. Deci, în experimentul descris, energia internă a aerului și a vaporilor de apă din borcan a scăzut atunci când au făcut munca de a împinge dopul afară. În același timp, temperatura aerului și a vaporilor de apă a scăzut, fapt dovedit de apariția ceții.
Dacă o bucată de plumb este lovită de mai multe ori cu un ciocan, atunci chiar și prin atingere se poate determina că bucata de plumb se va încălzi. În consecință, energia sa internă, precum și energia internă a ciocanului, a crescut. Acest lucru s-a întâmplat pentru că se lucrase la o bucată de plumb.
Dacă corpul însuși funcționează, atunci energia sa internă scade, iar dacă se lucrează asupra lui, atunci energia sa internă crește.
Daca se toarna apa calda intr-un pahar cu apa rece, temperatura apei fierbinti va scadea si cea a apei reci va creste. În acest caz, nu se lucrează, dar energia internă a apei calde scade, fapt dovedit de scăderea temperaturii acesteia.
Deoarece la început temperatura apei calde era mai mare decât temperatura apei reci, atunci energia internă a apei calde este mai mare. Aceasta înseamnă că moleculele de apă caldă au mai multă energie cinetică decât moleculele de apă rece. Această energie este transferată de moleculele de apă caldă către moleculele de apă rece în timpul coliziunilor, iar energia cinetică a moleculelor de apă rece crește. Energia cinetică a moleculelor de apă fierbinte scade în acest caz.
În exemplul considerat, nu se efectuează lucrări mecanice, energia internă a corpurilor se modifică cu transfer de căldură.
Transferul de căldură este o metodă de modificare a energiei interne a unui corp atunci când energia este transferată dintr-o parte a corpului în alta sau de la un corp la altul fără a lucra.
Partea 1
1. Energia internă a unui gaz într-un vas etanș de volum constant este determinată de
1) mișcarea haotică a moleculelor de gaz
2) deplasarea întregului vas cu gaz
3) interacțiunea vasului cu gazul și Pământul
4) acţiunea asupra vasului cu gazul forţelor exterioare
2. Energia internă a unui corp depinde de
a) greutatea corporală
B) poziția corpului față de suprafața Pământului
B) viteza corpului (în absența frecării)
Răspuns corect
1) doar A
2) doar B
3) doar B
4) numai B și C
3. Energia internă a unui corp nu depinde de
a) temperatura corpului
b) greutatea corporală
B) poziția corpului față de suprafața Pământului
Răspuns corect
1) doar A
2) doar B
3) doar B
4) numai A și B
4. Cum se schimbă energia internă a unui corp atunci când este încălzit?
1) crește
2) scade
3) crește pentru gaze, nu se modifică pentru solide și lichide
4) nu se modifică pentru gaze, crește pentru solide și lichide
5. Energia internă a unei monede crește dacă aceasta
1) se încălzește în apă fierbinte
2) scufundați în apă de aceeași temperatură
3) faceți-l să se miște cu o anumită viteză
4) ridicați deasupra suprafeței Pământului
6. Un pahar cu apă stă pe o masă din cameră, iar un alt pahar cu apă de aceeași masă și aceeași temperatură se află pe un raft atârnat la o înălțime de 80 cm față de masă. Energia internă a unui pahar cu apă pe o masă este
1) energia internă a apei de pe raft
2) mai multă energie internă a apei pe raft
3) mai puțină energie internă a apei pe raft
4) egal cu zero
7. După ce o parte fierbinte este scufundată în apă rece, energia internă
1) ambele părți și apa vor crește
2) ambele părți și apa vor scădea
3) Piesele vor scădea în timp ce apa va crește
4) Detaliile vor crește în timp ce apa va scădea
8. Un pahar cu apă este pe masa din cameră, iar un alt pahar cu apă de aceeași masă și aceeași temperatură se află într-un avion care zboară cu o viteză de 800 km/h. Energia internă a apei într-un avion
1) egală cu energia internă a apei din încăpere
2) mai multă energie internă a apei în cameră
3) mai puțină energie internă a apei în cameră
4) egal cu zero
9. După ce apa fierbinte este turnată într-o cană pe masă, energie internă
1) cani și apă au crescut
2) căni și apă au scăzut
3) ceștile au scăzut în timp ce apa a crescut
4) ceștile au crescut în timp ce apa a scăzut
10. Temperatura corpului poate fi crescută dacă
A. Lucrați la el.
B. Dă-i puțină căldură.
Răspuns corect
1) doar A
2) doar B
3) atât A cât și B
4) nici A, nici B
11. Bila de plumb este răcită în frigider. Cum se modifică energia internă a mingii, masa ei și densitatea substanței mingii în acest caz? Pentru fiecare mărime fizică, determinați natura adecvată a modificării. Scrieți în tabel numerele selectate pentru fiecare mărime fizică. Numerele din răspuns pot fi repetate.
CANTITATE FIZICA
a) energie internă
B) masa
B) Densitatea
NATURA SCHIMBĂRII
1) crește
2) scade
3) nu se schimbă
12. Aerul este pompat în sticlă, închisă ermetic cu un dop. La un moment dat, pluta zboară din sticlă. Ce se întâmplă cu volumul aerului, energia sa internă și temperatura? Pentru fiecare mărime fizică, determinați natura modificării acesteia. Scrieți în tabel numerele selectate pentru fiecare mărime fizică. Numerele din răspuns pot fi repetate.
CANTITATE FIZICA
a) volumul
B) energie internă
b) temperatura
NATURA SCHIMBĂRII
1) crește
2) scade
3) nu se schimbă
Răspunsuri
