L'energia interna di qualsiasi corpo è associata al movimento e allo stato delle particelle (molecole, atomi) della materia. Se si conosce l'energia totale di un corpo, allora quella interna può essere trovata escludendo dal totale il movimento dell'intero corpo come oggetto macroscopico, nonché l'energia di interazione di questo corpo con i campi potenziali.

Inoltre, l'energia interna contiene l'energia vibrazionale delle molecole e l'energia potenziale dell'interazione intermolecolare. Se parliamo di un gas ideale, il contributo principale all'energia interna è dato dalla componente cinetica. L'energia interna totale è uguale alla somma delle energie delle singole particelle.

Come è noto, l'energia cinetica del moto traslatorio di un punto materiale che modella una particella di materia dipende fortemente dalla velocità del suo movimento. Vale anche la pena notare che l'energia dei movimenti vibrazionali e rotatori dipende dalla loro intensità.

Ricorda dal tuo corso di fisica molecolare la formula per l'energia interna di un gas monoatomico ideale. Si esprime attraverso la somma delle componenti cinetiche di tutte le particelle di gas, di cui è possibile calcolare la media. La media su tutte le particelle porta ad una dipendenza esplicita dell'energia interna dalla temperatura corporea, nonché dal numero di gradi di libertà delle particelle.

In particolare, per un gas ideale monoatomico, le cui particelle hanno solo tre gradi di libertà di movimento traslazionale, l'energia interna risulta essere direttamente proporzionale a tre volte il prodotto della costante di Boltzmann e della temperatura.

Dipendenza dalla temperatura

Quindi, l'energia interna di un corpo riflette effettivamente l'energia cinetica del movimento delle particelle. Per comprendere la relazione tra questa energia e la temperatura, è necessario determinare il significato fisico del valore della temperatura. Se riscaldi un recipiente pieno di gas e dotato di pareti mobili, il suo volume aumenterà. Ciò indica che la pressione all'interno è aumentata. La pressione del gas viene creata dall'impatto delle particelle sulle pareti della nave.

Poiché la pressione è aumentata, significa che è aumentata anche la forza dell'impatto, il che indica un aumento della velocità di movimento delle molecole. Pertanto, un aumento della temperatura del gas ha portato ad un aumento della velocità di movimento delle molecole. Questa è l'essenza della temperatura. Diventa ora chiaro che un aumento della temperatura, portando ad un aumento della velocità di movimento delle particelle, comporta un aumento energia cinetica movimento intramolecolare e quindi un aumento dell’energia interna.

Secondo MKT, tutte le sostanze sono costituite da particelle che sono in continuo movimento termico e interagiscono tra loro. Pertanto, anche se il corpo è immobile e ha energia potenziale pari a zero, possiede energia (energia interna), che è l'energia totale di movimento e interazione delle microparticelle che compongono il corpo. L'energia interna comprende:

1. energia cinetica del moto traslatorio, rotatorio e vibrazionale delle molecole;
2. energia potenziale di interazione di atomi e molecole;
3. Energia intraatomica e intranucleare.

In termodinamica, i processi sono considerati a temperature alle quali il movimento vibrazionale degli atomi nelle molecole non è eccitato, vale a dire a temperature non superiori a 1000 K. In questi processi cambiano solo le prime due componenti dell'energia interna. Pertanto, sotto Energia interna nella termodinamica comprendere la somma dell'energia cinetica di tutte le molecole e gli atomi del corpo e l'energia potenziale della loro interazione.

L'energia interna di un corpo ne determina lo stato termico e cambia durante il passaggio da uno stato all'altro. In questo stato, il corpo ha un'energia interna ben definita, indipendentemente dal processo in seguito al quale è passato in questo stato. Pertanto, viene spesso chiamata energia interna funzione della condizione corporea.

Poiché le molecole di un gas ideale non interagiscono tra loro, la loro energia potenziale è zero e l'energia interna di un gas ideale è l'energia cinetica di tutte le sue molecole.

Energia cinetica media di una molecola \(~\mathcal h W_k \mathcal i = \frac i2 kT\).

Il numero di molecole nel gas \(~N = \frac mM N_A\).

Pertanto, l'energia interna di un gas ideale è

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

Considerando che kN A= Rè la costante universale dei gas, abbiamo

\(~U = \frac i2 \frac mM RT\) è l'energia interna di un gas ideale. (1)

In particolare, per un gas monoatomico \(~U = \frac 32 \frac mM RT\) .

Da queste formule è chiaro che L'energia interna di un gas ideale dipende solo dalla temperatura e dal numero di molecole e non dipende né dal volume né dalla pressione. Pertanto, la variazione dell'energia interna di un gas ideale è determinata solo dalla variazione della sua temperatura e non dipende dalla natura del processo in cui il gas passa da uno stato all'altro:

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

dove Δ T = T 2 - T 1 .

Le molecole dei gas reali interagiscono tra loro e quindi hanno energia potenziale W p, che dipende dalla distanza tra le molecole e, quindi, dal volume occupato dal gas.

Pertanto, l'energia interna di un gas reale dipende dalla sua temperatura, volume e struttura molecolare.

Per soluzioni questioni pratiche Non è l'energia interna in sé a svolgere un ruolo significativo, ma il suo cambiamento Δ U = U 2 - U 1 . La variazione dell'energia interna viene calcolata in base alle leggi di conservazione dell'energia.

Letteratura

Aksenovich L. A. Fisica nella scuola secondaria: teoria. Compiti. Test: libro di testo. indennità per gli istituti che forniscono istruzione generale. ambiente, educazione / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 152-153.

L'energia è una misura generale di varie forme di movimento della materia. In base alle forme di movimento della materia si distinguono anche i tipi di energia: meccanica, elettrica, chimica, ecc. Qualsiasi sistema termodinamico in qualsiasi stato ha una certa quantità di energia, la cui esistenza fu dimostrata da R. Clausius (1850) e fu chiamata energia interna.

Energia interna (U) è l'energia di tutti i tipi di movimento delle microparticelle che compongono il sistema e l'energia della loro interazione tra loro.

L'energia interna è costituita dall'energia del movimento traslazionale, rotazionale e vibrazionale delle particelle, dall'energia delle interazioni intermolecolari e intramolecolari, intraatomiche e intranucleari, ecc.

L'energia dell'interazione intramolecolare, cioè energia di interazione degli atomi in una molecola, spesso chiamata energia chimica . Un cambiamento in questa energia avviene durante le trasformazioni chimiche.

Per l'analisi termodinamica non è necessario sapere da quali forme di movimento della materia è composta l'energia interna.

La quantità di energia interna dipende solo dallo stato del sistema. Di conseguenza, una delle caratteristiche di questo stato può essere considerata l'energia interna, insieme a quantità come pressione e temperatura.

Ogni stato del sistema corrisponde a un valore rigorosamente definito di ciascuna delle sue proprietà.

Se un sistema omogeneo nello stato iniziale ha volume V 1, pressione P 1, temperatura T 1, energia interna U 1, conducibilità elettrica æ 1, ecc., e nello stato finale queste proprietà sono rispettivamente pari a V 2, P 2 , T 2, U 2, æ 2, ecc., allora il cambiamento in ciascuna proprietà durante la transizione del sistema dallo stato iniziale allo stato finale sarà lo stesso, indipendentemente dal modo in cui il sistema passa da uno stato all'altro : primo, secondo o terzo (Fig. 1.4).

Riso. 1.4 Indipendenza delle proprietà del sistema dal suo percorso di transizione

dallo stato normale all'altro

Quelli. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)

Dove sono i numeri I, II, III, ecc. indicare i percorsi del processo. Di conseguenza, se il sistema si sposta dallo stato iniziale (1) allo stato finale (2) lungo un percorso e dallo stato finale all'inizio - lungo un altro percorso, ad es. Se un processo circolare (ciclo) viene completato, la variazione in ciascuna proprietà del sistema sarà uguale a zero.

Pertanto, il cambiamento nella funzione dello stato del sistema non dipende dal percorso del processo, ma dipende solo dagli stati iniziale e finale del sistema. Una variazione infinitesima nelle proprietà di un sistema è solitamente denotata dal segno differenziale d. Ad esempio, dU è un cambiamento infinitamente piccolo nell'energia interna, ecc.

Forme di scambio energetico

In base alle diverse forme di movimento della materia e ai diversi tipi di energia, esistono diverse forme di scambio energetico (trasferimento di energia) - forme di interazione. La termodinamica considera due forme di scambio energetico tra un sistema e il suo ambiente. Questo è lavoro e calore.

Lavoro. La forma più evidente di scambio energetico è il lavoro meccanico, corrispondente alla forma meccanica del movimento della materia. Viene prodotto quando il corpo si muove sotto l'influenza della forza meccanica. In accordo con altre forme di movimento della materia, si distinguono anche altri tipi di lavoro: elettrico, chimico, ecc. Il lavoro è una forma di trasmissione del movimento ordinato e organizzato, poiché quando viene eseguito il lavoro, le particelle del corpo si muovono in modo organizzato in una direzione. Ad esempio, il lavoro svolto durante l'espansione del gas. Le molecole del gas situate nel cilindro sotto il pistone sono in movimento caotico e disordinato. Quando il gas inizia a muovere il pistone, cioè a compiere lavoro meccanico, al movimento casuale delle molecole di gas si sovrapporrà un movimento organizzato: tutte le molecole riceveranno un certo spostamento nella direzione del movimento del pistone. Il lavoro elettrico è anche associato al movimento organizzato di particelle cariche di materia in una certa direzione.

Poiché il lavoro è una misura dell'energia trasferita, la sua quantità viene misurata nelle stesse unità dell'energia.

Calore. Viene chiamata la forma di scambio energetico corrispondente al movimento caotico delle microparticelle che compongono il sistema scambio di calore, e viene chiamata la quantità di energia trasferita durante lo scambio termico calore.

Il trasferimento di calore non è associato ad un cambiamento nella posizione dei corpi che compongono un sistema termodinamico, e consiste nel trasferimento diretto di energia dalle molecole di un corpo alle molecole di un altro al loro contatto.

P Immaginiamo un recipiente (sistema) isolato diviso in due parti da una parete divisoria AB (Fig. 1.5). Supponiamo che ci sia gas in entrambe le parti della nave.

Riso. 1.5. Al concetto di calore

Nella metà sinistra del recipiente la temperatura del gas è T 1 e nella metà destra T 2. Se T 1 > T 2, allora l'energia cinetica media ( ) le molecole di gas sul lato sinistro della nave saranno maggiori dell'energia cinetica media ( ) nella metà destra della nave.

Come risultato delle continue collisioni delle molecole con la partizione nella metà sinistra della nave, parte della loro energia viene trasferita alle molecole della partizione. Le molecole del gas situate nella metà destra della nave, scontrandosi con il divisorio, acquisiranno parte dell'energia dalle sue molecole.

Come risultato di queste collisioni, l'energia cinetica delle molecole nella metà sinistra della nave diminuirà e nella metà destra aumenterà; le temperature T 1 e T 2 saranno equalizzate.

Poiché il calore è una forma di energia, la sua quantità viene misurata nelle stesse unità dell'energia. Pertanto, lo scambio di calore e il lavoro sono forme di scambio di energia, e la quantità di calore e la quantità di lavoro sono misure dell’energia trasferita. La differenza tra loro è che il calore è una forma di trasferimento del movimento microfisico e disordinato delle particelle (e, di conseguenza, l'energia di questo movimento), e il lavoro è una forma di trasferimento di energia del movimento ordinato e organizzato della materia.

A volte si dice: il calore (o il lavoro) viene fornito o sottratto al sistema, ma va inteso che non sono il calore e il lavoro ad essere forniti o sottratti, ma l'energia, quindi non si dovrebbero usare espressioni come “riserva di calore”. o “calore contenuto”.

Essendo forme di scambio energetico (forme di interazione) di un sistema con l'ambiente, calore e lavoro non possono essere associati ad alcuno stato specifico del sistema, non possono essere sue proprietà e, quindi, funzioni del suo stato. Ciò significa che se il sistema passa dallo stato iniziale (1) allo stato finale (2) in modi diversi, allora calore e lavoro avranno valori diversi per diversi percorsi di transizione (Fig. 1.6)

Le quantità finite di calore e lavoro sono indicate con Q e A, e i valori infinitesimi con δQ e δA, rispettivamente. Le quantità δQ e δA, a differenza dU, non sono un differenziale completo, perché Q e A non sono funzioni di stato.

Quando il percorso del processo è predeterminato, lavoro e calore acquisiranno le proprietà delle funzioni dello stato del sistema, cioè i loro valori numerici saranno determinati solo dagli stati iniziale e finale del sistema.

Energia interna

Dal punto di vista della teoria cinetica molecolare Energia interna(J) è la somma dell'energia potenziale di interazione tra le particelle che compongono il corpo e dell'energia cinetica del loro moto termico casuale. L'energia cinetica del movimento casuale delle particelle è proporzionale alla temperatura T, l'energia potenziale di interazione dipende dalle distanze tra le particelle, ad es. dal volume V del corpo. Pertanto, in termodinamica, l'energia interna U di un corpo è determinata in funzione della temperatura T e del volume V.

Durante qualsiasi processo in un sistema termodinamico isolato, l'energia interna rimane invariata: o.

L'energia interna è determinata dallo stato termodinamico del sistema e non dipende da come il sistema è finito in questo stato. Di conseguenza, l'energia interna non è associata al processo di cambiamento dello stato del sistema. In due o più stati identici di un sistema, la sua energia interna è la stessa.

L'interesse pratico non è l'energia interna in sé, ma il suo cambiamento durante la transizione di un sistema da uno stato all'altro. Se l'energia potenziale di interazione tra le molecole è zero, l'energia interna di un gas ideale è pari alla somma delle energie cinetiche di movimento di tutte le sue molecole. L'energia interna di un gas ideale è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. Di conseguenza, quando cambia la temperatura di un gas ideale, cambia necessariamente la sua energia interna.

dove R è la costante universale dei gas, M è la massa molare, T lo è temperatura assoluta, m - massa, - numero di molecole.

Dipendenza dell'energia interna da parametri macroscopici

L'energia interna di un gas ideale dipende da un parametro: la temperatura. L'energia interna di un gas ideale non dipende dal volume perché l'energia potenziale di interazione delle sue molecole è considerata pari a zero.

Nei gas, nei liquidi e nei solidi reali, l'energia potenziale media di interazione tra le molecole non è zero. L'energia potenziale media di interazione tra le molecole dipende dal volume della sostanza, poiché quando cambia il volume, cambia la distanza media tra le molecole. Di conseguenza l’energia interna, in termodinamica nel caso generale, insieme alla temperatura T, dipende anche dal volume V.

L'energia interna U dei corpi macroscopici è determinata unicamente dai parametri che caratterizzano lo stato di questi corpi: temperatura e volume.

Lavori in termodinamica

L'energia interna può essere modificata in due modi: eseguendo lavoro, quando l'energia interna cambia di una quantità pari al lavoro delle forze esterne A, e tramite trasferimento di calore, in cui la variazione dell'energia interna è caratterizzata dalla quantità di calore Q .

Una volta terminato il lavoro, il volume del corpo cambia, ma la sua velocità rimane pari a zero. Ma le velocità delle molecole di un corpo, ad esempio un gas, cambiano. Pertanto, anche la temperatura corporea cambia.

Quindi, quando si lavora in termodinamica, lo stato dei corpi macroscopici cambia: il loro volume e la loro temperatura cambiano.

Calcolo del lavoro:

F" è la forza con cui il gas preme sul pistone;

F è la forza con cui il pistone preme sul gas;

A" è il lavoro compiuto dal gas sui corpi esterni;

A è il lavoro compiuto dai corpi esterni sul gas.

1. il gas si espande

dov'è la variazione di volume.

Il gas trasferisce energia ai corpi circostanti e si raffredda.

2. il gas è compresso

Il gas riceve energia da corpi esterni e si riscalda. Il segno meno indica che quando il gas viene compresso il lavoro compiuto dalla forza esterna è positivo.

Qualsiasi corpo macroscopico ha energia, determinato dal suo microstato. Questo energia chiamato interno(indicato U). È uguale all'energia del movimento e dell'interazione delle microparticelle che compongono il corpo. COSÌ, Energia interna gas idealeè costituito dall'energia cinetica di tutte le sue molecole, poiché la loro interazione in questo caso può essere trascurata. Pertanto esso Energia interna dipende solo dalla temperatura del gas ( U~T).

Il modello del gas ideale presuppone che le molecole si trovino a una distanza di diversi diametri l'una dall'altra. Pertanto, l'energia della loro interazione è molto inferiore all'energia del movimento e può essere ignorata.

Nei gas, liquidi e solidi reali, l'interazione delle microparticelle (atomi, molecole, ioni, ecc.) non può essere trascurata, poiché influisce in modo significativo sulle loro proprietà. Pertanto loro Energia interna consiste nell'energia cinetica del movimento termico delle microparticelle e nell'energia potenziale della loro interazione. La loro energia interna, esclusa la temperatura T, dipenderà anche dal volume V, poiché un cambiamento di volume influenza la distanza tra atomi e molecole e, di conseguenza, l'energia potenziale della loro interazione reciproca.

Energia interna è una funzione dello stato del corpo, che è determinato dalla sua temperaturaTe volume V.

Energia interna è determinato unicamente dalla temperaturaT e volume corporeo V, che caratterizzano il suo stato:U =U(TV)

A modificare l'energia interna corpo, è necessario modificare effettivamente l'energia cinetica del movimento termico delle microparticelle o l'energia potenziale della loro interazione (o entrambe insieme). Come sapete, ciò può essere fatto in due modi: mediante scambio di calore o eseguendo lavori. Nel primo caso ciò avviene a causa del trasferimento di una certa quantità di calore Q; nel secondo - a causa dell'esecuzione del lavoro UN.

Così, la quantità di calore e di lavoro compiuto sono una misura del cambiamento nell'energia interna di un corpo:

Δ U =Domanda+UN.

La variazione di energia interna avviene a causa di una certa quantità di calore ceduta o ricevuta dal corpo o a causa dell'esecuzione di un lavoro.

Se avviene solo lo scambio di calore, allora il cambiamento Energia interna avviene ricevendo o rilasciando una certa quantità di calore: Δ U =Q. Quando si riscalda o si raffredda un corpo, è uguale a:

Δ U =Q = cm(T2 - T1) =cmΔT.

Durante la fusione o la cristallizzazione dei solidi Energia interna cambiamenti dovuti a cambiamenti nell'energia potenziale di interazione delle microparticelle, perché si verificano cambiamenti strutturali nella struttura della sostanza. In questo caso la variazione di energia interna è pari al calore di fusione (cristallizzazione) del corpo: Δ U—Qpl =λ M, Dove λ — calore specifico di fusione (cristallizzazione) di un solido.

Anche l'evaporazione dei liquidi o la condensazione del vapore provocano cambiamenti Energia interna, che è uguale al calore di vaporizzazione: Δ U =Q p =mmm, Dove R— calore specifico di vaporizzazione (condensazione) del liquido.

Modifica Energia interna corpo dovuto alla prestazione di lavoro meccanico (senza scambio termico) è numericamente pari al valore di tale lavoro: Δ U =UN.

Se la variazione di energia interna avviene a causa dello scambio di calore, alloraΔ U =Q =cm(T2-T1),OΔ U = D, per favore = λ M,OΔ U =Qn =rm.

Pertanto, dal punto di vista della fisica molecolare: Materiale dal sito

Energia interna del corpo è la somma dell'energia cinetica del movimento termico degli atomi, delle molecole o delle altre particelle che lo compongono, e dell'energia potenziale di interazione tra loro; da un punto di vista termodinamico è una funzione dello stato del corpo (sistema di corpi), che è determinato in modo univoco dai suoi macroparametri: la temperaturaTe volume V.

Così, Energia internaè l'energia del sistema, che dipende dal suo stato interno. Consiste nell'energia del movimento termico di tutte le microparticelle del sistema (molecole, atomi, ioni, elettroni, ecc.) e nell'energia della loro interazione. È quasi impossibile determinare il valore completo dell'energia interna, quindi viene calcolata la variazione dell'energia interna Δ tu, che si verifica a causa del trasferimento di calore e delle prestazioni lavorative.

L'energia interna di un corpo è pari alla somma dell'energia cinetica del moto termico e dell'energia potenziale di interazione delle sue microparticelle costituenti.

In questa pagina è presente materiale sui seguenti argomenti:

• Interpretazione cinetico-molecolare dell'energia interna del sistema

• Breve messaggio "sull'uso dell'energia interna del corpo"

• Da cosa dipende l'energia interna di un solido?

• Un breve riassunto del metodo per cambiare l'energia interna del corpo

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