Уравнение изменения внутренней энергии. Способы изменения внутренней энергии тела. Изменение внутренней энергии

Основы термодинамики

Термодинамика изучает процессы и явления, происходящие в природе и технике, с точки зрения преобразования энергии, в том числе внутренней энергии тел.

Термодинамическая система – это совокупность тел, способных обмениваться энергией между собой и с другими системами. Замкнутая термодинамическая система не обменивается энергией с другими системами.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией.

Внутренняя энергия - это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц.

Внутренняя энергия идеального газа складывается только из энергии движения молекул, так как взаимодействием молекул можно пренебречь. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U = 3/2 m/М RT. Внутренняя энергия одного моля одноатомного идеального газа:

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем теплопередачи и путем совершения механической работы
Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q). Принято считать, что Q > 0 , если тело получает энергию, и Q < 0 , если тело отдает свою энергию

При совершении механической работы должно происходить направленное перемещение тел под действием сил, например, перемещение поршня в цилиндре с газом. Если газ расширяется, то сила давления газа на поршень совершает положительную работу (A > 0 ) за счет внутренней энергии газа. Если внешние силы больше силы давления газа, то газ сжимается и работа газа будет отрицательной (A < 0 ), при этом внутренняя энергия увеличивается.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V1 и V2 - начальный и конечный объемы газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V

Первый закон термодинамики :

изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой. ,

где - изменение внутренней энергии, Q - количество теплоты, переданное системе, А - работа внешних сил. А*-работа самой системы, т.е.работа газа. Если система сама совершает работу и получает или отдает теплоту, то изменение ее внутренней энергии∆U = Q – A .

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: .
При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.
Адиабатным называют процесс , протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается,

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Равновесное и неравновесное состояние газа

Состояние система газа может быть равновесным или неравновесным. Равновесным считают состояние, при котором параметры газа (p , V , T ) остаются неизменными сколь угодно долго, пока какие-либо внешние воздействия не выведут систему из этого состояния (предполагается отсутствие потоков масс, теплоты и т. п.) .
Примером равновесного состояния может служить система из воды и пара, размещенная в закрытом термоизолированном сосуде.

Равновесной системой является также газ, находящийся в теплоизолированном цилиндре под поршнем, на который действует постоянная сила. Но газ, находящийся в цилиндре с подвижным поршнем, может перейти с некоторой скоростью из одного состояния в другое, например расшириться или сжаться.
При расширении газ, прилегающий непосредственно к поршню, находится под меньшим давлением, чем газ, находящийся в удалении от подвижного поршня; при сжатии, наоборот, его давление вблизи поршня выше.
Поэтому состояние газа в данном случае считается неравновесным (в его объеме параметры или параметр различается по величине) . По той же причине будет неравновесным газ, если к цилиндру подвести теплоту, поскольку температура слоев газа, расположенных рядом с нагреваемыми стенками цилиндра будет выше, чем температура удаленных от стенок слоев.

Каждое равновесное состояние системы можно изобразить в системе координат одной единственной точкой, характеризующей постоянство всех параметров.

Последовательность изменения термодинамического состояния системы называют термодинамическим процессом. Термодинамический процесс сопровождается в общем случае изменением всех или некоторых параметров системы газа.
Если изменение параметров газа во времени происходит очень медленно, то их разностью в разных частях системы во время процесса можно пренебречь. Такой переход системы из одного состояния в другое можно условно считать состоящим из непрерывной череды равновесных состояний, т. е. равновесным термодинамическим процессом.
Очевидно, что при переходе газа из одного состояния в другое с конечной скоростью равенство параметров газа соблюдаться не будет, и такой процесс не является равновесным.

Термодинамические процессы могут быть обратимыми и необратимыми .
Обратимым называют равновесный процесс, который протекает в прямом и обратном направлениях через один и тот же ряд равновесных состояний, не вызывая изменений в самой системе и телах, окружающих систему. Т. е. в результате обратимого процесса параметры системы газа первую половину времени изменяются по определенной закономерности, а вторую половину времени они возвращаются к начальному состоянию строго по обратному "пути".
Неравновесные процессы не соблюдают указанные выше условия, т. е. они необратимы.

Все реальные процессы, рассматриваемые теплотехникой, являются необратимыми, т. е. обратимый процесс является идеализированной моделью.

Работа газа

Газ, находящийся в сосуде, при повышенном давлении стремится расшириться, т. е. увеличить свой объем. Препятствовать этому стремлению могут внешние силы, воздействующие на газ. Очевидно, что если газу, несмотря на внешнее силовое противодействие, удается расшириться, то он совершает работу по преодолению этих внешних сил.
Аналогично при сжатии газа, заключенного в сосуде, приходится совершать работу по преодолению давления газа.

Попробуем определить описанную выше работу, выполняемую газом или внешними силами. Предположим, что некоторое количество газа находится в цилиндре под поршнем, скользящим без трения, и к которому приложена внешняя сила. В начальном состоянии система уравновешена – сила, действующая на поршень, уравновешивается давлением газа, и поршень остается неподвижным.

Пусть в результате подвода теплоты газ расширился так, что его давление осталось неизменным, а поршень при этом переместился вверх на некоторое расстояние Δh . При этом газ совершил работу, равную произведению силы на пройденный путь.
Зная давление газа p (которое в процессе остается неизменным) и площадь поршня S , можно определить силу, действующую на поршень со стороны газа: F = pS , а совершаемая газом работа будет равна

ΔA = FΔh = pSΔh .

Но произведение SΔh есть элементарное изменение объема ΔV , занимаемого газом. Таким образом, можно записать, что работа, совершаемая газом, зависит от изменения его объема:

ΔA = FΔh = pSΔh = pΔV .

Если изобразить графически в системе координат переход газа из одного состояния в другое в виде кривой линии, то каждая точка этой кривой будет соответствовать определенным параметрам p i V i .
Разбив эту кривую на элементарные участки, можно условно считать, что на каждом участке давление остается неизменным. Тогда работа газа на элементарном участке будет равна ΔA = pΔV .
Бесконечно сужая участки, мы перейдем к дифференциальному выражению: dA = pdV .

Из этого выражения следует, что когда газ расширяется (dV > 0 ), совершается работа по преодолению внешних сил, и она положительна. Если же газ сжимается внешними силами (dV < 0 ), работа газа отрицательна. В рассмотренной системе мы рассматривали давление, как неизменный параметр. Для того, чтобы определить полную работу газа при переменном давлении, изменяющемуся по функциональной зависимости p = f(V) , необходимо провести суммирование элементарных работ.
В этом случае:

A = Σ pdV или A = ∫ pdV в интервале от V 1 до V 2 .

Графически работа на диаграмме p , V изображается площадью поверхности между кривой p = f(V) и абсциссами V 1 и V 2 (см. рис. 1) .
Как можно понять из графика, работа газа по преодолению внешних сил зависит не только от начального и конечного состояний, но и от пути, по которому протекал процесс. Если кривая p = f(V) будет иметь другую форму (более выгнутая, пологая и т. п.) , то изменится и величина площади, заключенной между этой кривой и осью абсцисс.

В системе единиц СИ за единицу работы принят Джоуль (Дж) . Допускается применение внесистемной единицы – киловатт×час (кВт×ч) , который равен 3,6 МДж .

Внутренняя энергия газа

Каждая молекула реального газа обладает кинетической энергией, обусловленной непрерывным хаотичным (броуновским) движением, а также потенциальной энергией, которая обусловлена взаимодействию с соседними молекулами (силы гравитации и электромагнитного взаимодействия) .
Сумма кинетической и потенциальной энергии молекул называется внутренней энергией газа U . В общем случае внутренняя энергия газа зависит от его параметров – давления, объема и температуры, т. е. является функцией состояния.
При переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотиче­ски движутся и взаимодействуют друг с другом, по­этому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - это величина, характери­зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си­стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2 т/М RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутрен­ней энергии: теплопередача и совершение механи­ческой работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере­дача бывает трех видов: теплопроводность (непо­средственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излуче­ние (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче яв­ляетсяколичество теплоты (Q).

Эти способы количественно объединены в за­кон сохранения энергии, который для тепловых про­цессов читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теп­лоты, переданной системе, и работы, внешних сил, совершенной над системой. D U= Q + А, где D U- изменение внутренней энергии, Q - количество теп­лоты, переданной системе, А - работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А". Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называетсяпервым за­коном термодинамики, можно записать так: Q = Α" + D U, т. е. количество теплоты, переданное систе­ме, идет на совершение системой работы и измене­ние ее внутренней энергии.

2) Генератор переменного тока. Трансформатор. Успехи и перспективы электрификаци СССР.

Переменный ток в электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний. Пусть плоский виток имеет площадь S и вектор индукции B составляет с перпендикуляром к плоскости витка угол j. Магнитный поток Ф через площадь витка в данном случае определяется выражением. При вращении витка с частотой n угол j меняется по закону., тогда выражение для потока примет вид. Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции, равную минус скорости изменения потока. Следовательно, изменение ЭДС индукции будет проходить по гармоническому закону. Напряжение, снимаемое с выхода генератора, пропорционально количеству витков обмотки. При изменении напряжения по гармоническому закону напряженность поля в проводнике изменяется по такому же закону. Под действием поля возникает то, частота и фаза которого совпадают с частотой и фазой колебаний напряжения. Колебания силы тока в цепи являются вынужденными, возникающими под воздействием приложенного переменного напряжения. При совпадении фаз тока и напряжения мощность переменного тока равна или. Среднее значение квадрата косинуса за период равно 0.5, поэтому. Действующим значением силы тока называется сила постоянного тока, выделяющая в проводнике такое же количество теплоты, что и переменный ток. При амплитуде I­­­­­­­­­­­­­­ max гармонических колебаний силы тока действующее напряжение равно. Действующее значение напряжения также в раз меньше его амплитудного значения Средняя мощность тока при совпадении фаз колебаний определяется через действующее напряжение и силу тока.

Преоьразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмноток называется первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т.е приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной инддукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В первичной обмотке, меющей ЭДС индукции e1 равноа N1e. Во вторричной обмоткеполная ЭДС e2=n2e (N2-число витков вторичной обмотки). Отсюда следует, что e1/e2=n1/n2 Обычно активное сопротивление трансформаторных обмоток мало и им можно пренебречь. U1/u2=e1/e2=n1/n2=k k=коэффициент трансформации. При K>1 трансформатор понижающий, при K<1 – пониж. Повышая с помошью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока(и наоборот). Суммарные потери энергии в трансформаторах не превышают 2-3%.

Как известно, любое тело обладает свое собственной неповторимой структурой, которая определяется его химическим составом и строением. При этом, частицы, составляющие эту структуру, подвижны, они взаимодействуют между собой, а, следовательно, обладают неким количеством внутренней энергии. В твердых веществах связи частиц, которые составляют структуру тела, сильны, поэтому их взаимодействие с частицами, составляющими структуру других тел, затруднены.

Совсем по-другому это выглядит в жидкостях или газах, где молекулярные связи слабые, а потому молекулы могут достаточно свободно перемещаться и взаимодействовать с частицами других веществ. В этом, к примеру, проявляется свойство растворимости.

• теплопроводность (прямой обмен энергией частицами, совершающими хаотическое движение);
• конвекция (внутренняя энергия газа переносится их потоками);
• излучение (энергия переносится при помощи электромагнитных волн).

Все эти процессы отражаются законом сохранения энергии. Если этот закон рассматривать применительно к происходящим в газах, то его можно сформулировать так: внутренняя энергия а точнее - ее изменение, представляет собой совокупное количество теплоты, которое было передано ему от внешних источников, и от работы, которая была совершена над этим газом.

Если рассмотреть действие данного закона (первого закона термодинамики) применительно к то можно увидеть следующие закономерности. В рамках процесса, температура которого остается неизменной (изотермический процесс), внутренняя энергия также будет всегда величиной постоянной.

В рамках изобарного процесса, которому характерно изменение температуры газа, ее увеличение или уменьшение, приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению внутренней энергии и совершаемой Это явление, например, наглядно демонстрирует расширение газа при нагревании и способность такого газа приводить в движение паровые агрегаты.

При рассмотрении изохорного процесса, при котором параметр его объема остается неизменным, внутренняя энергия газа изменяется только под влиянием количества переданной теплоты.

Существует и адиабатный процесс, которому свойственно отсутствие теплообмена газа с внешними источниками. В этом случае значение его внутренней энергии уменьшается, следовательно - газ остывает.

Внутренняя энергия тела не может являться постоянной величиной. Она может изменяться у любого тела. Если повысить температуру тела, то его внутренняя энергия увеличится, т.к. увеличится средняя скорость движения молекул. Таким образом, увеличивается кинетическая энергия молекул тела. И, наоборот, при понижении температуры, внутренняя энергия тела уменьшается.

Можно сделать вывод: внутренняя энергия тела изменяется, если меняется скорость движения молекул. Попытаемся определить, каким методом можно увеличить или уменьшить скорость передвижения молекул. Рассмотрим следующий опыт. Закрепим на подставке латунную трубку с тонкими стенками. Наполним трубку эфиром и закроем его пробкой. Затем обвяжем его веревкой и начнем интенсивно двигать веревкой в разные стороны. Спустя определенное время, эфир закипит, и сила пара вытолкнет пробку. Опыт демонстрирует, что внутренняя энергия вещества (эфира) возросла: ведь он изменил свою температуру, при этом закипев.

Увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы при натирании трубкой веревкой.

Как мы знаем, нагревание тел может происходить и при ударах, сгибании или разгибании, говоря проще, при деформации. Во всех приведенных примерах, внутренняя энергия тела возрастает.

Таким образом, внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая над телом работу.

Если же работу выполняет само тело, его внутренняя энергия уменьшается.

Рассмотрим еще один опыт.

В стеклянный сосуд, у которого толстые стенки и он закрыт пробкой, накачаем воздух через специально проделанное отверстие в ней.

Спустя некоторое время пробка вылетит из сосуда. В тот момент, когда пробка вылетает из сосуда, мы сможем увидеть образование тумана. Следовательно, его образование обозначает, что воздух в сосуде стал холодным. Сжатый воздух, который находится в сосуде, при выталкивании пробки наружу совершает определенную работу. Данную работу он выполняет за счет своей внутренней энергии, которая при этом сокращается. Делать выводы об уменьшении внутренней энергии можно исходя из охлаждения воздуха в сосуде. Таким образом, внутреннюю энергию тела можно изменять путем совершения определенной работы.

Однако, внутреннюю энергию возможно изменить и иным способом, без совершения работы. Рассмотрим пример, вода в чайнике, который стоит на плите закипает. Воздух, а также другие предметы в помещении нагреваются от радиатора центрального направления. В подобных случаях, внутренняя энергия увеличивается, т.к. увеличивается температура тел. Но работа при этом не совершается. Значит, делаем вывод, изменение внутренней энергии может произойти не из-за совершения определенной работы.

Рассмотрим еще один пример.

В стакан с водой опустим металлическую спицу. Кинетическая энергия молекул горячей воды, больше кинетической энергии частиц холодного металла. Молекулы горячей воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Таким образом, энергия молекул воды будет определенным образом уменьшаться, тем временем как энергия частиц металла будет повышаться. Температуры воды понизится, а температуры спицы не спеша, будет увеличиваться. В дальнейшем, разница между температурой спицы и воды исчезнет. За счет этого опыта мы увидели изменение внутренней энергии различных тел. Делаем вывод: внутренняя энергия различных тел изменяется за счет теплопередачи.

Процесс преобразования внутренней энергии без совершения определенной работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.