Bármely test belső energiája az anyag részecskéinek (molekulák, atomok) mozgásához és állapotához kapcsolódik. Ha egy test teljes energiája ismert, akkor a belsőt úgy találhatjuk meg, hogy az összességből kizárjuk az egész test, mint makroszkopikus objektum mozgását, valamint ennek a testnek a potenciálmezőkkel való kölcsönhatásának energiáját.

Ezenkívül a belső energia tartalmazza a molekulák rezgési energiáját és az intermolekuláris kölcsönhatás potenciális energiáját. Ha ideális gázról beszélünk, akkor a belső energiához a fő hozzájárulást a kinetikus komponens adja. A teljes belső energia egyenlő az egyes részecskék energiáinak összegével.

Mint ismeretes, egy anyagrészecskét modellező anyagi pont transzlációs mozgásának kinetikus energiája erősen függ annak mozgási sebességétől. Azt is érdemes megjegyezni, hogy a vibrációs és forgó mozgások energiája intenzitásuktól függ.

Emlékezzen a molekuláris fizika kurzusából az ideális egyatomos gáz belső energiájának képletére. Az összes gázrészecske kinetikai komponenseinek összegén keresztül fejeződik ki, amely átlagolható. Az összes részecske átlagolása a belső energia kifejezett függéséhez vezet a testhőmérséklettől, valamint a részecskék szabadságfokainak számától.

Különösen egy egyatomos ideális gáz esetében, amelynek részecskéinek csak három szabadságfoka van a transzlációs mozgásban, a belső energia egyenesen arányos a Boltzmann-állandó és a hőmérséklet háromszorosával.

Hőmérséklet függés

Tehát egy test belső energiája valójában a részecskék mozgásának kinetikus energiáját tükrözi. Az energia és a hőmérséklet közötti kapcsolat megértéséhez meg kell határozni a hőmérsékleti érték fizikai jelentését. Ha egy gázzal töltött, mozgatható falú edényt melegít, a térfogata megnő. Ez azt jelzi, hogy a belső nyomás megnőtt. A gáznyomás a részecskéknek az edény falára való becsapódása révén jön létre.

Mivel a nyomás nőtt, ez azt jelenti, hogy az ütközés ereje is megnőtt, ami a molekulák mozgási sebességének növekedését jelzi. Így a gáz hőmérsékletének emelkedése a molekulák mozgási sebességének növekedéséhez vezetett. Ez a hőmérséklet lényege. Most már világossá válik, hogy a hőmérséklet növekedése, amely a részecskék mozgási sebességének növekedéséhez vezet, növekedéssel jár kinetikus energia intramolekuláris mozgás, és ezáltal a belső energia növekedése.

Az MKT szerint minden anyag olyan részecskékből áll, amelyek folyamatos hőmozgásban vannak és kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezért még akkor is, ha a test mozdulatlan és nulla potenciális energiája van, van energiája (belső energiája), ami a testet alkotó mikrorészecskék mozgásának és kölcsönhatásának összenergiája. A belső energia magában foglalja:

1. molekulák transzlációs, forgó és vibrációs mozgásának kinetikus energiája;
2. atomok és molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája;
3. atomon belüli és intranukleáris energia.

A termodinamikában olyan folyamatokat veszünk figyelembe, amelyeken az atomok rezgésmozgása a molekulákban nem gerjesztődik, azaz. 1000 K-t meg nem haladó hőmérsékleten. Ezekben a folyamatokban a belső energia csak az első két összetevője változik. Ezért alatt belső energia a termodinamikában megérteni a test összes molekulája és atomja kinetikus energiájának összegét és kölcsönhatásuk potenciális energiáját.

Egy test belső energiája határozza meg termikus állapotát, és változik az egyik állapotból a másikba való átmenet során. Ebben az állapotban a test jól meghatározott belső energiával rendelkezik, független attól a folyamattól, amelynek eredményeként ebbe az állapotba került. Ezért a belső energiát gyakran nevezik a test állapotának funkciója.

Mivel az ideális gázban lévő molekulák nem lépnek kölcsönhatásba egymással, potenciális energiájuk nulla, az ideális gáz belső energiája pedig az összes molekulájának kinetikus energiája.

Egy molekula átlagos kinetikus energiája \(~\mathcal h W_k \mathcal i = \frac i2 kT\).

A gázban lévő molekulák száma \(~N = \frac mM N_A\).

Ezért az ideális gáz belső energiája az

\(~U = N \mathcal h W_k \mathcal i = \frac mM N_A \frac i2 kT .\)

Tekintve, hogy kN A= R az egyetemes gázállandó, megvan

\(~U = \frac i2 \frac mM RT\) az ideális gáz belső energiája. (1)

Különösen egy monoatomos gáz esetén \(~U = \frac 32 \frac mM RT\) .

Ezekből a képletekből egyértelmű, hogy Az ideális gáz belső energiája csak a hőmérséklettől és a molekulák számától függés nem függ sem a térfogattól, sem a nyomástól. Ezért az ideális gáz belső energiájának változását csak a hőmérsékletének változása határozza meg, és nem függ annak a folyamatnak a természetétől, amelyben a gáz egyik állapotból a másikba kerül:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \frac i2 \frac mM R \Delta T ,\)

ahol Δ T = T 2 - T 1 .

A valódi gázok molekulái kölcsönhatásba lépnek egymással, ezért potenciális energiájuk van W p, amely a molekulák közötti távolságtól és így a gáz által elfoglalt térfogattól függ.

Így egy valódi gáz belső energiája a hőmérsékletétől, térfogatától és molekulaszerkezetétől függ.

Megoldásokért gyakorlati kérdések Nem maga a belső energia játszik jelentős szerepet, hanem annak Δ változása U = U 2 - U 1 . A belső energia változását az energiamegmaradás törvényei alapján számítják ki.

Irodalom

Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok. Tesztek: Tankönyv. általános műveltséget nyújtó intézmények támogatása. környezet, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 152-153.

Az energia az anyag különböző mozgásformáinak általános mértéke. Az anyag mozgási formái szerint az energia típusait is megkülönböztetik - mechanikus, elektromos, kémiai stb. Bármely termodinamikai rendszernek bármilyen állapotban van egy bizonyos mennyiségű energiája, amelynek létezését R. Clausius (1850) bizonyította, és belső energiának nevezték.

Belső energia (U) a rendszert alkotó mikrorészecskék mindenféle mozgásának energiája, valamint egymás közötti kölcsönhatásuk energiája.

A belső energia a részecskék transzlációs, forgó és vibrációs mozgásának energiájából, intermolekuláris és intramolekuláris, intraatomikus és intranukleáris kölcsönhatások energiájából stb.

Az intramolekuláris kölcsönhatás energiája, i.e. A molekulában lévő atomok kölcsönhatási energiája, gyakran ún kémiai energia . A kémiai átalakulások során ez az energia megváltozik.

A termodinamikai elemzéshez nem kell tudni, hogy a belső energia mely anyagmozgási formákból áll.

A belső energia mennyisége csak a rendszer állapotától függ. Ebből következően a belső energia tekinthető ennek az állapotnak az egyik jellemzőjének, olyan mennyiségekkel együtt, mint a nyomás, hőmérséklet.

A rendszer minden állapota az egyes tulajdonságaik szigorúan meghatározott értékének felel meg.

Ha egy homogén rendszer kezdeti állapotában V 1 térfogattal, P 1 nyomással, T 1 hőmérséklettel, U 1 belső energiával, elektromos vezetőképességgel æ 1 stb. rendelkezik, és a végső állapotban ezek a tulajdonságok rendre megegyeznek V 2, P 2 értékkel. , T 2, U 2, æ 2 stb., akkor az egyes tulajdonságok változása a rendszer kezdeti állapotból a végállapotba való átmenete során azonos lesz, függetlenül attól, hogy a rendszer milyen úton halad át egyik állapotból a másikba. : első, második vagy harmadik (.1.4. ábra).

Rizs. 1.4 A rendszer tulajdonságainak függetlensége az átmeneti útvonaltól

normál állapotból a másikba

Azok. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1,4)

Hol vannak az I, II, III stb. számok? folyamatutakat jeleznek. Következésképpen, ha a rendszer az (1) kezdeti állapotból a (2) végállapotba egy úton halad, és a kezdeti végállapotból egy másik úton, azaz. Ha egy körfolyamat (ciklus) befejeződik, akkor a rendszer minden tulajdonságában a változás nulla lesz.

Így a rendszerállapot-függvény változása nem a folyamat útjától, hanem csak a rendszer kezdeti és végső állapotától függ. Egy rendszer tulajdonságainak végtelenül kicsiny változását általában a d differenciáljellel jelöljük. Például a dU a belső energia végtelenül kicsi változása stb.

Az energiacsere formái

Az anyagmozgás különböző formáinak és az energia különböző típusainak megfelelően az energiacsere (energiaátadás) különböző formái léteznek - a kölcsönhatások formái. A termodinamika a rendszer és környezete közötti energiacsere két formáját veszi figyelembe. Ez a munka és a melegség.

Munka. Az energiacsere legnyilvánvalóbb formája a mechanikai munka, amely megfelel az anyag mechanikai mozgásformájának. Akkor keletkezik, amikor a test mechanikai erő hatására mozog. Az anyagmozgás egyéb formáinak megfelelően más típusú munkákat is megkülönböztetnek: elektromos, vegyi stb. A munka a rendezett, szervezett mozgás átvitelének egyik formája, hiszen munkavégzéskor a test részecskéi szervezetten mozognak egy irányba. Például a gáztágulás során végzett munka. A dugattyú alatti hengerben elhelyezkedő gázmolekulák kaotikus, rendezetlen mozgásban vannak. Amikor a gáz elkezdi mozgatni a dugattyút, vagyis mechanikai munkát végez, a szervezett mozgás ráépül a gázmolekulák véletlenszerű mozgására: minden molekula elmozdul a dugattyú mozgásának irányában. Az elektromos munkák az anyag töltött részecskéinek egy bizonyos irányú szervezett mozgásához is társulnak.

Mivel a munka az átvitt energia mértéke, mennyiségét az energiával azonos mértékegységekben mérjük.

Hő. A rendszert alkotó mikrorészecskék kaotikus mozgásának megfelelő energiacsere formát ún hőcsere, és a hőcsere során átvitt energia mennyiségét ún melegség.

A hőátadás nem kapcsolódik a termodinamikai rendszert alkotó testek helyzetének megváltozásához, hanem az energia közvetlen átviteléből áll az egyik test molekuláiról egy másik test molekuláira, amikor azok érintkeznek egymással.

P Képzeljünk el egy szigetelt edényt (rendszert), amelyet az AB hővezető válaszfal két részre oszt (1.5. ábra). Tegyük fel, hogy az edény mindkét részében gáz van.

Rizs. 1.5. A hő fogalmához

Az edény bal felében a gáz hőmérséklete T 1, a jobb felében pedig T 2. Ha T 1 > T 2, akkor az átlagos kinetikus energia ( ) az edény bal oldalán lévő gázmolekulák nagyobbak lesznek, mint az átlagos kinetikus energia ( ) az edény jobb felében.

A molekuláknak az edény bal felében lévő partícióval való folyamatos ütközése következtében energiájuk egy része a partíció molekuláihoz kerül. Az edény jobb felében elhelyezkedő gázmolekulák a válaszfalnak ütközve az energia egy részét a molekuláiból nyerik el.

Ezen ütközések következtében az ér bal felében csökken a molekulák kinetikus energiája, a jobb felében pedig nő; a T 1 és T 2 hőmérséklet kiegyenlítődik.

Mivel a hő az energia egyik formája, mennyiségét az energiával azonos mértékegységekben mérik. Így a hőcsere és a munka az energiacsere formái, a hőmennyiség és a munka mennyisége pedig az átadott energia mértéke. A különbség köztük az, hogy a hő a részecskék mikrofizikai, rendezetlen mozgásának (és ennek megfelelően e mozgás energiájának) átviteli formája, a munka pedig az anyag rendezett, szervezett mozgásának energiaátviteli formája.

Néha azt mondják: hőt (vagy munkát) szállítanak vagy eltávolítanak a rendszerből, de meg kell érteni, hogy nem hőt és munkát adnak be vagy távolítanak el, hanem energiát, ezért nem szabad olyan kifejezéseket használni, mint a „hőtartalék”. vagy „hőt tartalmaz”.

Mivel a rendszer energiacseréjének (kölcsönhatási formái) formái a környezettel, a hő és a munka nem társítható a rendszer egyetlen konkrét állapotához sem, nem lehetnek tulajdonságai, így állapotának funkciói. Ez azt jelenti, hogy ha a rendszer a kezdeti állapotból (1) a végső állapotba (2) különböző módon megy át, akkor a hő és a munka különböző értéket fog kapni a különböző átmeneti utakra (1.6. ábra).

A véges hő- és munkamennyiséget Q és A, a végtelenül kicsi értékeket pedig δQ és δA jelöli. A δQ és δA mennyiségek a dU-val ellentétben nem teljes különbséget jelentenek, mert Q és A nem állapotfüggvények.

Ha a folyamat útja előre meghatározott, a munka és a hő elnyeri a rendszer állapotának függvénytulajdonságait, pl. számértéküket csak a rendszer kezdeti és végső állapota határozza meg.

Belső energia

A molekuláris kinetikai elmélet szemszögéből belső energia(J) a testet alkotó részecskék közötti kölcsönhatás potenciális energiájának és véletlenszerű hőmozgásuk kinetikai energiájának összege. A részecskék véletlenszerű mozgásának kinetikus energiája arányos a T hőmérséklettel, a kölcsönhatás potenciális energiája a részecskék közötti távolságoktól függ, pl. a test V térfogatából. Ezért a termodinamikában egy test U belső energiáját a T hőmérséklet és a V térfogat függvényében határozzuk meg.

Egy izolált termodinamikai rendszerben bármely folyamat során a belső energia változatlan marad: ill.

A belső energiát a rendszer termodinamikai állapota határozza meg, és nem függ attól, hogy a rendszer hogyan került ebbe az állapotba. Következésképpen a belső energia nem kapcsolódik a rendszer állapotában bekövetkező változások folyamatához. Egy rendszer két vagy több azonos állapotában a belső energiája azonos.

Gyakorlatilag nem maga a belső energia érdekes, hanem annak változása a rendszer egyik állapotból a másikba való átmenete során. Ha a molekulák közötti kölcsönhatás potenciális energiája nulla, akkor egy ideális gáz belső energiája egyenlő az összes molekulája mozgási energiáinak összegével. Egy ideális gáz belső energiája egyenesen arányos abszolút hőmérsékletével. Következésképpen, ha egy ideális gáz hőmérséklete megváltozik, belső energiája szükségszerűen megváltozik.

ahol R az univerzális gázállandó, M a moláris tömeg, T az abszolút hőmérséklet, m - tömeg, - molekulák száma.

A belső energia függése a makroszkopikus paraméterektől

Az ideális gáz belső energiája egy paramétertől függ - a hőmérséklettől. Egy ideális gáz belső energiája nem függ a térfogattól, mert molekuláinak kölcsönhatási energiáját nullával egyenlőnek tekintjük.

Valódi gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban a molekulák közötti kölcsönhatás átlagos potenciális energiája nem nulla. A molekulák közötti kölcsönhatás átlagos potenciális energiája az anyag térfogatától függ, mivel a térfogat változásával a molekulák közötti átlagos távolság is változik. Ebből következően a belső energia a termodinamikában általában a T hőmérséklettel együtt a V térfogattól is függ.

A makroszkopikus testek belső energiáját U egyedileg meghatározzák e testek állapotát jellemző paraméterek: a hőmérséklet és a térfogat.

Termodinamikai munka

A belső energia kétféleképpen változtatható: munkavégzéssel, amikor a belső energia az A külső erők munkájával megegyező mértékben változik, illetve hőátadással, amelyben a belső energia változását a Q hőmennyiség jellemzi. .

A munka végeztével a test térfogata megváltozik, de sebessége nulla marad. De egy test, például egy gáz molekuláinak sebessége változik. Ezért a testhőmérséklet is változik.

Tehát a termodinamikai munka során a makroszkopikus testek állapota megváltozik: változik a térfogatuk és a hőmérsékletük.

Munkaszámítás:

F" az az erő, amellyel a gáz a dugattyút nyomja;

F az az erő, amellyel a dugattyú a gázt nyomja;

A" a gáz által a külső testeken végzett munka;

A külső testek által a gázon végzett munka.

1. gáz kitágul

hol van a térfogatváltozás.

A gáz energiát ad át a környező testeknek és lehűl.

2. gáz összenyomódik

A gáz külső testektől kap energiát és felmelegszik. A mínusz jel azt jelzi, hogy a gáz összenyomásakor a külső erő által végzett munka pozitív.

Bármely makroszkopikus test rendelkezik energia mikroállapota határozza meg. Ez energia hívott belső(jelölve U). Ez egyenlő a testet alkotó mikrorészecskék mozgási és kölcsönhatási energiájával. Így, belső energia ideális gázösszes molekulájának kinetikus energiájából áll, mivel kölcsönhatásuk ebben az esetben elhanyagolható. Ezért azt belső energia csak a gáz hőmérsékletétől függ ( U~T).

Az ideális gázmodell feltételezi, hogy a molekulák több átmérőnyi távolságra helyezkednek el egymástól. Ezért kölcsönhatásuk energiája sokkal kisebb, mint a mozgás energiája, és figyelmen kívül hagyható.

Valódi gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban nem elhanyagolható a mikrorészecskék (atomok, molekulák, ionok, stb.) kölcsönhatása, amely jelentősen befolyásolja tulajdonságaikat. Ezért ők belső energia a mikrorészecskék hőmozgásának kinetikus energiájából és kölcsönhatásuk potenciális energiájából áll. Belső energiájuk, kivéve a hőmérsékletet T, hangerőtől is függ V, mivel a térfogatváltozás befolyásolja az atomok és molekulák közötti távolságot, következésképpen az egymással való kölcsönhatásuk potenciális energiáját.

Belső energia a test állapotának függvénye, amelyet a hőmérséklete határoz megTés V. kötet.

Belső energia egyedileg a hőmérséklet határozza megT és V testtérfogat, állapotát jellemzi:U =U(TÉVÉ)

Nak nek megváltoztatja a belső energiát testben, valójában vagy a mikrorészecskék hőmozgásának kinetikus energiáját, vagy kölcsönhatásuk potenciális energiáját (vagy mindkettőt együtt) kell megváltoztatnia. Mint tudják, ezt kétféleképpen lehet megtenni - hőcserével vagy munkavégzéssel. Az első esetben ez egy bizonyos mennyiségű hő átadása miatt következik be Q; a másodikban - a munkavégzés miatt A.

És így, a hőmennyiség és az elvégzett munka a test belső energiájában bekövetkezett változás mértéke:

Δ U =Q+A.

A belső energia változása a szervezet által adott vagy kapott bizonyos mennyiségű hő hatására, illetve a munkavégzés következtében következik be.

Ha csak hőcsere történik, akkor a változás belső energia bizonyos mennyiségű hő befogadásával vagy kibocsátásával történik: Δ U =K. A test melegítésekor vagy hűtésekor ez egyenlő:

Δ U =K = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.

Szilárd anyagok olvasztása vagy kristályosodása során belső energia a mikrorészecskék kölcsönhatási potenciális energiájának változása miatt bekövetkező változások, mert az anyag szerkezetében szerkezeti változások következnek be. Ebben az esetben a belső energia változása megegyezik a test olvadási (kristályosodási) hőjével: Δ U-Qpl =λ m, Ahol λ — szilárd anyag olvadási (kristályosodási) fajhője.

A folyadékok elpárolgása vagy a gőz lecsapódása is változásokat okoz belső energia, ami egyenlő a párolgási hővel: Δ U =Q p =rm, Ahol r— a folyadék fajlagos párolgási (kondenzációs) hője.

változás belső energia test a mechanikai munkavégzés miatt (hőcsere nélkül) számszerűen megegyezik ennek a munkának az értékével: Δ U =A.

Ha a belső energia változása hőcsere miatt következik be, akkorΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),vagyΔ U = Q pl = λ m,vagyΔ U =Kn =rm.

Ezért a molekuláris fizika szempontjából: Anyag az oldalról

A test belső energiája az atomok, molekulák vagy egyéb részecskék, amelyekből áll, hőmozgása kinetikus energiájának és a köztük lévő kölcsönhatás potenciális energiájának összege; termodinamikai szempontból a test (testek rendszere) állapotának függvénye, amelyet egyedileg határoznak meg makroparaméterei - hőmérsékletTés V. kötet.

És így, belső energia a rendszer energiája, amely a belső állapotától függ. A rendszer összes mikrorészecskéjének (molekulák, atomok, ionok, elektronok stb.) hőmozgási energiájából és kölcsönhatásuk energiájából áll. A belső energia teljes értékét szinte lehetetlen meghatározni, ezért a belső energia változását kiszámítjuk Δ U, ami a hőátadás és a munkateljesítmény miatt következik be.

Egy test belső energiája megegyezik a hőmozgás kinetikus energiájának és az alkotó mikrorészecskék kölcsönhatási energiájának összegével.

Ezen az oldalon a következő témákban található anyagok:

• A rendszer belső energiájának molekuláris-kinetikai értelmezése

• Rövid üzenet "a test belső energiájának felhasználásáról"

• Mitől függ a szilárd test belső energiája?

• A test belső energiájának megváltoztatásának módszerének rövid összefoglalása

•