Energia wewnętrzna ciało (określane jako mi lub U) jest sumą energii oddziaływań molekularnych i ruchów termicznych cząsteczki. Energia wewnętrzna jest jednowartościową funkcją stanu układu. Oznacza to, że ilekroć system znajdzie się w danym stanie, jego energia wewnętrzna przyjmuje wartość tkwiącą w tym stanie, niezależnie od historii systemu. W konsekwencji zmiana energii wewnętrznej podczas przejścia z jednego stanu do drugiego zawsze będzie równa różnicy między jej wartościami w stanie końcowym i początkowym, niezależnie od ścieżki, wzdłuż której dokonano przejścia.
Wewnętrzna energia ciała nie może być zmierzona bezpośrednio. Można określić tylko zmianę energii wewnętrznej:
Ten wzór jest matematycznym wyrażeniem pierwszej zasady termodynamiki
Dla procesów quasi-statycznych zachodzi następująca zależność:
Gazy doskonałe
Zgodnie z prawem Joule'a, wyprowadzonym empirycznie, energia wewnętrzna gazu doskonałego nie zależy od ciśnienia ani objętości. Na podstawie tego faktu można otrzymać wyrażenie na zmianę energii wewnętrznej gazu doskonałego. Z definicji molowej pojemności cieplnej przy stałej objętości, . Ponieważ energia wewnętrzna gazu doskonałego jest tylko funkcją temperatury, to
.Ta sama formuła dotyczy również obliczania zmiany energii wewnętrznej dowolnego ciała, ale tylko w procesach o stałej objętości (procesy izochoryczne); jest generalnie funkcją zarówno temperatury, jak i objętości.
Jeśli zaniedbamy zmianę molowej pojemności cieplnej wraz ze zmianą temperatury, otrzymamy:
,gdzie jest ilość substancji, to zmiana temperatury.
Literatura
- Sivukhin D.V. Ogólny kurs fizyki. - Wydanie 5, poprawione. - M .: Fizmatlit, 2006. - T. II. Termodynamika i fizyka molekularna. - 544 pkt. - ISBN 5-9221-0601-5
Uwagi
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Zobacz, co „Energia wewnętrzna” znajduje się w innych słownikach:
energia wewnętrzna- Funkcja stanu zamkniętego układu termodynamicznego, określona przez fakt, że jego przyrost w dowolnym procesie zachodzącym w tym układzie jest równy sumie ciepła przekazanego układowi i wykonanej na nim pracy. Uwaga Energia wewnętrzna… … Podręcznik tłumacza technicznego
Energia fizyczna. system, w zależności od jego wewnętrznego państw. W. mi. obejmuje energię chaotycznego (termicznego) ruchu wszystkich mikrocząstek układu (cząsteczek, atomów, jonów itp.) oraz energię uderzenia tych cząstek. Kinetyczny energia ruchu układu jako całości i ... Encyklopedia fizyczna
ENERGIA WEWNĘTRZNA- energia ciała lub układu, w zależności od ich stanu wewnętrznego; składa się z energii kinetycznej cząsteczek ciała i ich jednostek strukturalnych (atomów, elektronów, jąder), energii interakcji atomów w cząsteczkach, energii interakcji elektronów ... ... Wielka Encyklopedia Politechniczna
Ciało składa się z energii kinetycznej cząsteczek ciała i ich jednostek strukturalnych (atomów, elektronów, jąder), energii interakcji atomów w cząsteczkach itp. Energia wewnętrzna nie obejmuje energii ruchu ciało jako całość i energia potencjalna... Wielki słownik encyklopedyczny
energia wewnętrzna- ▲ energia materialne ciało, zgodnie ze stanem, wewnętrzną temperaturą wewnętrzną en … Słownik ideograficzny języka rosyjskiego
energia wewnętrzna- jest całkowitą energią układu pomniejszoną o energię potencjalną, wynikającą z oddziaływania na układ zewnętrznych pól siłowych (w polu grawitacyjnym) oraz energię kinetyczną poruszającego się układu. Chemia ogólna: podręcznik / A. V. Zholnin ... Terminy chemiczne
Współczesna encyklopedia
Energia wewnętrzna- ciała, obejmuje energię kinetyczną cząsteczek, atomów, elektronów, jąder tworzących ciało, a także energię wzajemnego oddziaływania tych cząstek. Zmiana energii wewnętrznej jest liczbowo równa pracy wykonywanej na ciele (na przykład, gdy ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny
energia wewnętrzna- wielkość termodynamiczną charakteryzującą liczbę wszystkich rodzajów ruchów wewnętrznych wykonywanych w układzie. Nie da się zmierzyć absolutnej energii wewnętrznej ciała. W praktyce mierzy się tylko zmianę energii wewnętrznej ... ... Encyklopedyczny słownik metalurgii
Ciało składa się z energii kinetycznej cząsteczek ciała i ich jednostek strukturalnych (atomów, elektronów, jąder), energii interakcji atomów w cząsteczkach itp. Energia wewnętrzna nie obejmuje energii ruchu ciała jako całość i energia potencjalna... słownik encyklopedyczny
Książki
- Droga Qi. Energia życiowa w twoim ciele. Ćwiczenia i medytacja, Sveigard Matthew. Równowaga i wewnętrzna harmonia są nam dane od urodzenia, ale współczesne życie może łatwo wytrącić nas z naszej naturalnej równowagi. Czasem świadomie go naruszamy, powiedzmy, jedząc za dużo…
Energia jest ogólną miarą różnych form ruchu materii. Zgodnie z formami ruchu materii istnieją również rodzaje energii - mechaniczna, elektryczna, chemiczna itp. Każdy układ termodynamiczny w dowolnym stanie ma pewną rezerwę energii, której istnienie udowodnił R. Clausius (1850) i nazwano energią wewnętrzną.
Energia wewnętrzna (U) to energia wszystkich rodzajów ruchu mikrocząstek tworzących układ oraz energia ich wzajemnego oddziaływania.
Energia wewnętrzna składa się z energii ruchu translacyjnego, obrotowego i wibracyjnego cząstek, energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych, wewnątrzatomowych i wewnątrzjądrowych itp.
Energia oddziaływania wewnątrzcząsteczkowego, tj. często nazywana jest energia oddziaływania atomów w cząsteczce energia chemiczna . Zmiana tej energii następuje podczas przemian chemicznych.
W przypadku analizy termodynamicznej nie trzeba wiedzieć, z jakich form ruchu materii powstaje energia wewnętrzna.
Zasób energii wewnętrznej zależy tylko od stanu układu. W konsekwencji energię wewnętrzną można uznać za jedną z cech tego stanu wraz z takimi wielkościami jak ciśnienie, temperatura.
Każdemu stanowi systemu odpowiada ściśle określona wartość każdej z jego właściwości.
Jeżeli układ jednorodny w stanie początkowym ma objętość V 1, ciśnienie P 1, temperaturę T 1, energię wewnętrzną U 1, przewodność elektryczną æ 1 itd., a w stanie końcowym właściwości te wynoszą odpowiednio V 2 , P 2 , T 2 , U 2, ć 2 itd., to zmiana każdej właściwości podczas przejścia układu ze stanu początkowego do końcowego będzie taka sama, niezależnie od tego, w którą stronę układ przechodzi z jednego stanu do drugiego: , drugi lub trzeci (rys. 1.4).
Ryż. 1.4 Niezależność właściwości systemu od ścieżki jego przejścia
ze stanu normalnego do innego
Tych. (U 2 - U 1) I \u003d (U 2 - U 1) II \u003d (U 2 - U 1) III (1,4)
Gdzie są liczby I, II, III itd. wskazać ścieżki procesu. Jeśli więc układ przechodzi ze stanu początkowego (1) do stanu końcowego (2) jedną ścieżką, a ze stanu końcowego na początku inną ścieżką, tj. proces okrężny (cykl) jest zakończony, wtedy zmiana każdej właściwości systemu będzie równa zeru.
Zatem zmiana funkcji stanu systemu nie zależy od ścieżki procesu, a jedynie od stanów początkowych i końcowych systemu. Nieskończenie mała zmiana właściwości układu jest zwykle oznaczana znakiem różniczki d. Na przykład dU jest nieskończenie małą zmianą energii wewnętrznej itp.
Formy wymiany energii
Zgodnie z różnymi formami ruchu materii i różnymi rodzajami energii, istnieją różne formy wymiany energii (przekaz energii) - formy interakcji. W termodynamice rozważane są dwie formy wymiany energii między układem a otoczeniem. To praca i ciepło.
Stanowisko. Najbardziej oczywistą formą wymiany energii jest praca mechaniczna, odpowiadająca mechanicznej formie ruchu materii. Jest wytwarzany przez poruszanie ciałem pod działaniem siły mechanicznej. Zgodnie z innymi formami ruchu materii rozróżnia się również inne rodzaje pracy: elektryczne, chemiczne itp. Praca jest formą przekazywania uporządkowanego, zorganizowanego ruchu, ponieważ gdy praca jest wykonywana, cząsteczki ciała poruszają się w zorganizowany sposób w jednym kierunku. Na przykład wykonywanie pracy, gdy gaz się rozszerza. Cząsteczki gazu w cylindrze pod tłokiem poruszają się w chaotycznym, nieuporządkowanym ruchu. Kiedy gaz zaczyna poruszać tłokiem, to znaczy wykonywać pracę mechaniczną, zorganizowany ruch nakłada się na losowy ruch cząsteczek gazu: wszystkie cząsteczki otrzymują pewne przemieszczenie w kierunku tłoka. Praca elektryczna wiąże się również ze zorganizowanym ruchem naładowanych cząstek materii w określonym kierunku.
Ponieważ praca jest miarą przekazywanej energii, jej ilość jest mierzona w tych samych jednostkach co energia.
Ciepło. Forma wymiany energii odpowiadająca chaotycznemu ruchowi mikrocząstek tworzących układ nazywa się wymiana ciepła, a ilość energii przekazywanej podczas wymiany ciepła nazywa się ciepło.
Przenoszenie ciepła nie wiąże się ze zmianą położenia ciał tworzących układ termodynamiczny i polega na bezpośrednim przekazywaniu energii przez cząsteczki jednego ciała na cząsteczki drugiego w momencie ich zetknięcia.
P 
wyobraźmy sobie izolowane naczynie (układ) podzielone na dwie części przegrodą przewodzącą ciepło ab (rys. 1.5). Załóżmy, że w obu częściach statku znajduje się gaz.
Ryż. 1.5. Do pojęcia ciepła
W lewej połowie naczynia temperatura gazu wynosi T 1, a w prawej T 2. Jeśli T 1 > T 2, to średnia energia kinetyczna ( 
) cząsteczki gazu po lewej stronie naczynia będą większe niż średnia energia kinetyczna ( 
) w prawej połowie naczynia.
W wyniku ciągłych zderzeń cząsteczek o przegrodę w lewej połowie naczynia część ich energii jest przekazywana cząsteczkom przegrody. Cząsteczki gazu znajdujące się w prawej połowie naczynia, zderzając się z przegrodą, pobiorą część energii z jego cząsteczek.
W wyniku tych zderzeń energia kinetyczna cząsteczek w lewej połowie naczynia zmniejszy się, a w prawej połowie wzrośnie; temperatury T 1 i T 2 wyrównają się.
Ponieważ ciepło jest metaforą energii, jego ilość jest mierzona w tych samych jednostkach co energia. Zatem wymiana ciepła i praca są formami wymiany energii, a ilość ciepła i ilość pracy są miarami przekazywanej energii. Różnica między nimi polega na tym, że ciepło jest formą przekazywania mikrofizycznego, nieuporządkowanego ruchu cząstek (i odpowiednio energii tego ruchu), a praca jest formą przekazywania energii uporządkowanego, zorganizowanego ruchu materii.
Czasami mówią: ciepło (lub praca) jest dostarczane lub usuwane z systemu, podczas gdy należy rozumieć, że to nie ciepło i praca jest dostarczane i odprowadzane, ale energia, dlatego takie wyrażenia jak „rezerwa ciepła” lub „ciepło zawarte” nie powinny być używane.
Będąc formami wymiany energii (formami oddziaływania) układu z otoczeniem, ciepło i praca nie mogą być związane z żadnym konkretnym stanem układu, nie mogą być jego właściwościami, a co za tym idzie funkcjami jego stanu. Oznacza to, że jeśli układ przejdzie ze stanu początkowego (1) do stanu końcowego (2) na różne sposoby, to ciepło i praca będą miały różne wartości dla różnych ścieżek przejścia (rys. 1.6)
Skończoną ilość ciepła i pracy oznaczono odpowiednio przez Q i A, a nieskończenie małe wartości przez δQ i δA. Wielkości δQ i δA, w przeciwieństwie do dU, nie są różnicą całkowitą, ponieważ Q i A nie są funkcjami stanu.
Gdy ścieżka procesu jest z góry określona, praca i ciepło nabiorą właściwości funkcji stanu układu, tj. ich wartości liczbowe będą określane tylko przez stan początkowy i końcowy systemu.
Według MKT wszystkie substancje składają się z cząstek, które są w ciągłym ruchu termicznym i oddziałują ze sobą. Dlatego nawet jeśli ciało jest nieruchome i ma zerową energię potencjalną, to posiada energię (energię wewnętrzną), która jest całkowitą energią ruchu i oddziaływania mikrocząstek tworzących ciało. Skład energii wewnętrznej obejmuje:
- energia kinetyczna ruchu translacyjnego, obrotowego i oscylacyjnego cząsteczek;
- energia potencjalna oddziaływania atomów i cząsteczek;
- energia wewnątrzatomowa i wewnątrzjądrowa.
W termodynamice rozważa się procesy w temperaturach, w których ruch oscylacyjny atomów w cząsteczkach nie jest wzbudzony, tj. w temperaturach nieprzekraczających 1000 K. W tych procesach zmieniają się tylko dwa pierwsze składniki energii wewnętrznej. Dlatego pod energia wewnętrzna w termodynamice rozumieją sumę energii kinetycznej wszystkich cząsteczek i atomów ciała oraz energię potencjalną ich interakcji.
Energia wewnętrzna ciała determinuje jego stan cieplny i zmienia się podczas przechodzenia z jednego stanu do drugiego. W danym stanie ciało ma dobrze określoną energię wewnętrzną, niezależną od procesu w wyniku którego przeszło w ten stan. Dlatego energia wewnętrzna jest bardzo często nazywana funkcja stanu ciała.
Energia wewnętrzna to wielkość charakteryzująca stan termodynamiczny ciała. Każde ciało składa się z cząsteczek, które nieustannie się poruszają i oddziałują ze sobą. Energia wewnętrzna ciała jest sumą energii kinetycznej ruchu cząstek materii i energii potencjalnej ich oddziaływania.
H Stopień swobody to liczba niezależnych zmiennych, które określają położenie ciała w przestrzeni i jest oznaczony i .
Jak widać, położenie punktu materialnego (molekuły jednoatomowej) określają trzy współrzędne, dlatego ma trzy stopnie swobody : i = 3
Energia wewnętrzna zależy od temperatury. Jeśli temperatura się zmienia, zmienia się energia wewnętrzna.
Zmiana energii wewnętrznej
W rozwiązaniu praktycznych problemów to nie sama energia wewnętrzna odgrywa znaczącą rolę, ale jej zmiana ΔU = U2 - U1. Zmiana energii wewnętrznej jest obliczana na podstawie zasad zachowania energii.
Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać na dwa sposoby:
1. Podczas robienia Praca mechaniczna.
a) Jeżeli siła zewnętrzna powoduje deformację ciała, to zmieniają się odległości między cząstkami, z których się składa, a co za tym idzie, zmienia się energia potencjalna oddziaływania cząstek. Przy odkształceniach niesprężystych dodatkowo zmienia się temperatura ciała, tj. zmienia się energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek. Ale kiedy ciało jest zdeformowane, praca jest wykonywana, co jest miarą zmiany wewnętrznej energii ciała.
b) Energia wewnętrzna ciała zmienia się również podczas jego niesprężystego zderzenia z innym ciałem. Jak widzieliśmy wcześniej, podczas niesprężystego zderzenia ciał, ich energia kinetyczna maleje, zamienia się w energię wewnętrzną (np. jeśli uderzysz młotkiem w drut leżący na kowadle, drut się nagrzeje). Miarą zmiany energii kinetycznej ciała jest, zgodnie z twierdzeniem o energii kinetycznej, praca działających sił. Praca ta może również służyć jako miara zmian energii wewnętrznej.
c) Zmiana energii wewnętrznej ciała następuje pod działaniem siły tarcia, ponieważ, jak wiadomo z doświadczenia, tarciu zawsze towarzyszy zmiana temperatury ciał trących. Praca siły tarcia może służyć jako miara zmiany energii wewnętrznej.
2. Z pomocą wymiana ciepła. Na przykład, jeśli ciało zostanie umieszczone w płomieniu palnika, zmieni się jego temperatura, a zatem zmieni się również jego energia wewnętrzna. Jednak nie wykonano tu żadnej pracy, ponieważ nie było widocznego ruchu ani samego ciała, ani jego części.
Nazywa się zmianę energii wewnętrznej systemu bez wykonywania pracy wymiana ciepła(przenoszenie ciepła).
Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.
a) przewodność cieplna to proces wymiany ciepła między ciałami (lub częściami ciała) w ich bezpośrednim kontakcie, spowodowany termicznym chaotycznym ruchem cząstek ciała. Amplituda oscylacji cząsteczek ciała stałego jest tym większa, im wyższa jest jego temperatura. Przewodność cieplna gazów wynika z wymiany energii między cząsteczkami gazu podczas ich zderzeń. W przypadku płynów działają oba mechanizmy. Przewodność cieplna substancji jest maksymalna w stanie stałym i minimalna w stanie gazowym.
b) Konwekcja to przenoszenie ciepła przez podgrzane przepływy cieczy lub gazu z jednej części zajmowanej przez nie objętości do drugiej.
c) Przenikanie ciepła przy promieniowanie przeprowadzane na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych.
Wszystkie otaczające nas makroskopowe ciała mają w swoim składzie cząsteczki: atomy lub molekuły. Będąc w ciągłym ruchu, posiadają jednocześnie dwa rodzaje energii: kinetyczną i potencjalną oraz tworzą energię wewnętrzną ciała:
U = ∑ E k + ∑ E p
Pojęcie to obejmuje również energię wzajemnego oddziaływania elektronów, protonów, neutronów.
Czy można zmienić energię wewnętrzną?
Można to zmienić na 3 sposoby:
- ze względu na proces wymiany ciepła;
- wykonując prace mechaniczne;
- poprzez reakcje chemiczne.
Rozważmy bardziej szczegółowo wszystkie opcje.
Jeśli pracę wykonuje samo ciało, to jego energia wewnętrzna zmniejszy się, a gdy praca nad ciałem zostanie wykonana, jego energia wewnętrzna wzrośnie.
Najprostszymi przykładami zwiększania energii są przypadki rozpalania ognia za pomocą tarcia:
- z użyciem hubki;
- za pomocą krzemienia;
- za pomocą zapałek.
Procesom termicznym związanym ze zmianami temperatury towarzyszą również zmiany energii wewnętrznej. Jeśli ciało zostanie ogrzane, jego energia wzrośnie.
Wynikiem reakcji chemicznych jest przekształcenie substancji różniących się między sobą strukturą i składem. Na przykład w procesie spalania paliwa po połączeniu wodoru z tlenem powstaje tlenek węgla. Gdy kwas solny połączy się z cynkiem, uwolni się wodór, a w wyniku spalania wodoru zostanie uwolniona para wodna.
Energia wewnętrzna ciała zmieni się również z powodu przeniesienia elektronów z jednej powłoki elektronowej na drugą.
Energia ciał - zależność i charakterystyka
Energia wewnętrzna jest cechą stanu cieplnego ciała. To zależy od:
- stan skupienia i zmiany podczas wrzenia i odparowywania, krystalizacji lub kondensacji, topnienia lub sublimacji;
- masy ciała;
- temperatura ciała charakteryzująca energię kinetyczną cząstek;
- rodzaj substancji.
Energia wewnętrzna jednoatomowego gazu doskonałego
Ta energia, idealnie, jest sumą energii kinetycznych każdej cząstki, która porusza się w sposób losowy i ciągły, oraz energii potencjalnej ich interakcji w konkretnym ciele. Dzieje się tak z powodu zmiany temperatury, co potwierdzają eksperymenty Joule'a.
Aby obliczyć energię wewnętrzną gazu jednoatomowego, użyj równania:
Gdzie, w zależności od zmiany temperatury, energia wewnętrzna ulegnie zmianie (wzrost wraz ze wzrostem temperatury i spadek wraz ze spadkiem). Energia wewnętrzna jest funkcją stanu.
Jeśli napompujesz do grubościennego słoika zamkniętego korkiem, którego dno pokryte jest wodą, to po pewnym czasie korek wyleci ze słoika i w słoiku utworzy się mgła. Korek wyleciał z puszki, ponieważ znajdujące się tam powietrze działało na niego z pewną siłą. Powietrze przy wyjściu z korka wykonało robotę. Wiadomo, że ciało może wykonywać pracę, jeśli ma energię. Dlatego powietrze w słoiku ma energię.
Kiedy powietrze zadziałało, jego temperatura spadła, a jego stan się zmienił. Jednocześnie nie zmieniła się energia mechaniczna powietrza: ani jego prędkość, ani położenie względem Ziemi nie uległy zmianie. Dlatego praca została wykonana nie z powodu mechanicznej, ale z powodu innej energii. Ta energia jest wewnętrzną energią powietrza w słoiku.
Energia wewnętrzna ciało jest sumą energii kinetycznej ruchu jego cząsteczek i energii potencjalnej ich oddziaływania. energia kinetyczna ( Ek) cząsteczki mają, ponieważ są w ruchu, i energię potencjalną ( En) podczas interakcji. Energia wewnętrzna jest oznaczona literą U. Jednostką energii wewnętrznej jest 1 dżul. (1 J). U = Ek + En.
Sposoby zmiany energii wewnętrznej
Im większa prędkość ruchu cząsteczek, tym wyższa temperatura ciała, a więc energia wewnętrzna zależy od temperatury ciała . Aby przenieść substancję ze stanu stałego do stanu ciekłego, na przykład zamienić lód w wodę, musisz dostarczyć do niej energię. Dlatego woda będzie miała więcej energii wewnętrznej niż lód o tej samej masie, a co za tym idzie, energię wewnętrzną zależy od zbiorczego stanu ciała .
Energia wewnętrzna może być zmieniona podczas wykonywania pracy . Jeśli kawałek ołowiu zostanie kilkakrotnie uderzony młotkiem, to już po dotknięciu można stwierdzić, że kawałek ołowiu nagrzeje się. W konsekwencji wzrosła jego energia wewnętrzna, a także energia wewnętrzna młota. Stało się tak, ponieważ praca została wykonana na kawałku ołowiu.
Jeśli samo ciało działa, to jego energia wewnętrzna maleje, a jeśli nad nim pracuje się, wzrasta jego energia wewnętrzna.
Jeśli gorąca woda zostanie wlana do szklanki zimnej wody, temperatura gorącej wody spadnie, a zimnej wzrośnie. W rozważanym przykładzie praca mechaniczna nie jest wykonywana, energia wewnętrzna ciał zmienia się o wymiana ciepła, o czym świadczy spadek jego temperatury.
Cząsteczki gorącej wody mają więcej energii kinetycznej niż cząsteczki zimnej wody. Energia ta jest przekazywana przez cząsteczki gorącej wody do cząsteczek zimnej wody podczas zderzeń, a energia kinetyczna cząsteczek zimnej wody wzrasta. W tym przypadku energia kinetyczna cząsteczek gorącej wody spada.