Unutrašnja energija tela. Zavisnost unutrašnje energije o makroskopskim parametrima Kako unutrašnja energija zavisi od temperature

Unutrašnja energija- ovo je energija kretanja i interakcije molekula.

Kinetička energija svih molekula koji čine tijelo i potencijalna energija njihove interakcije su unutrašnja energija tela.

Kada se tijelo zaustavi, mehaničko kretanje prestaje, ali se intenzivira nasumično (toplinsko) kretanje njegovih molekula. Mehanička energija se pretvara u unutrašnju energiju tijela

Unutrašnja energijazavisi od telesne temperature, stanja agregacije supstance i drugih faktora.

Unutrašnja energija tela ne zavisi ni od mehaničkog kretanja tela ni od položaja ovog tela u odnosu na druga tela.

Ako uzmemo u obzir kinetičku i potencijalnu energiju jednog molekula, onda je to vrlo mala vrijednost, jer je masa molekula mala. Budući da tijelo sadrži mnogo molekula, unutrašnja energija tijela, jednaka zbiru energija svih molekula, bit će velika.

Načini promjene unutrašnje energije

Kako temperatura raste, unutrašnja energija tijela raste, kako se povećava prosječna brzina kretanja molekula ovog tijela. Kako temperatura pada, naprotiv, unutrašnja energija tijela se smanjuje.

iskustvo: Ako zagrijete bocu gumenim čepom, čep će nakon nekog vremena izletjeti.

Dakle, unutrašnja energija tijela se mijenja kada se promijeni brzina kretanja molekula.

Unutrašnja energija se može menjati na dva načina:

1) obavljanje mehaničkih radova. Unutrašnja energija se povećava ako se radi na tijelu, a smanjuje se ako se radi na tijelu.

2) prenosom toplote (toplotna provodljivost, konvekcija, zračenje). Ako tijelo odaje toplinu, unutrašnja energija se smanjuje, a ako prima toplinu, onda se povećava.

Vrste prijenosa topline. Eksperimenti koji ilustruju vrste prenosa toplote. Prijenos topline u prirodi, tehnologiji, mehanici.

Izmjena topline (prijenos topline) je proces promjene unutrašnje energije koji se dešava bez obavljanja posla.

1)

Toplotna provodljivost - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi s jednog tijela na drugo pri kontaktu ili s jednog njegovog dijela na drugi. Različite supstance imaju različitu toplotnu provodljivost. Toplotna provodljivost metala je visoka, tečnosti manja, a gasova niska. Kod toplotne provodljivosti nema prijenosa materije.

2) Konvekcija- vrsta prenosa toplote u kojoj se energija prenosi mlazovima gasa i tečnosti. Postoje dvije vrste konvekcije: prirodna i prisilna. U čvrstim materijama nema konvekcije, jer njihove čestice nemaju veliku pokretljivost. Mnoge manifestacije konvekcije mogu se naći u prirodi i ljudskom životu. Konvekcija također nalazi primjenu u tehnologiji.

3) Zračenje - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi elektromagnetnim valovima. Tijela sa tamnom površinom apsorbiraju i emituju energiju bolje od tijela sa svijetlom površinom. Ovo se koristi u praksi.

* Prilikom razmjene topline, količina predane topline je u apsolutnoj vrijednosti jednaka količini primljene topline, ili je njihov zbir jednak nuli. To se zove nivo toplotne ravnoteže.

Sva makroskopska tijela oko nas sadrže čestice: atome ili molekule. Budući da su u stalnom kretanju, oni istovremeno poseduju dve vrste energije: kinetičku i potencijalnu i formiraju unutrašnju energiju tela:

U = ∑ E k + ∑ E p

Ovaj koncept također uključuje energiju interakcije elektrona, protona i neutrona jedni s drugima.

Da li je moguće promijeniti unutrašnju energiju

Postoje 3 načina da ga promijenite:

• zahvaljujući procesu prijenosa topline;
• obavljanjem mehaničkih radova;
• putem hemijskih reakcija.

Pogledajmo bliže sve opcije.

Ako rad obavlja samo tijelo, tada će se njegova unutrašnja energija smanjiti, a kada se radi na tijelu, njegova unutrašnja energija će se povećati.

Najjednostavniji primjeri povećanja energije su slučajevi paljenja vatre pomoću trenja:

• korištenje tindera;
• korištenjem kremena;
• koristeći šibice.

Toplotni procesi povezani s promjenama temperature također su praćeni promjenama unutrašnje energije. Ako zagrijete tijelo, njegova energija će se povećati.

Rezultat kemijskih reakcija je transformacija tvari koje se međusobno razlikuju po strukturi i sastavu. Na primjer, prilikom sagorijevanja goriva, nakon što se vodonik spoji s kisikom, nastaje ugljični monoksid. Kada se hlorovodonična kiselina spoji sa cinkom, oslobađa se vodonik, a kao rezultat sagorevanja vodika, oslobađa se vodena para.

Unutrašnja energija tijela također će se promijeniti zbog prijelaza elektrona iz jedne elektronske ljuske u drugu.

Energija tijela - ovisnost i karakteristike

Unutrašnja energija je karakteristika toplotnog stanja tela. Zavisi od:

• agregatno stanje i promjene tokom ključanja i isparavanja, kristalizacije ili kondenzacije, topljenja ili sublimacije;
• tjelesna težina;
• tjelesna temperatura, koja karakterizira kinetičku energiju čestica;
• vrsta supstance.

Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa

Ova energija se u idealnom slučaju sastoji od kinetičke energije svake čestice, koja se kreće nasumično i neprekidno, i potencijalne energije njihove interakcije unutar određenog tijela. To se događa zbog promjene temperature, što potvrđuju i Jouleovi eksperimenti.

Da biste izračunali unutrašnju energiju jednoatomnog gasa, koristite jednačinu:

Pri čemu će se, ovisno o promjeni temperature, unutrašnja energija mijenjati (rasti s povećanjem temperature, a opadati s njenim smanjenjem). Unutrašnja energija je funkcija stanja.

Termodinamika se kao disciplina pojavila sredinom 19. stoljeća. To se dogodilo nakon otkrića zakona o očuvanju energije. Postoji određena veza između termodinamike i molekularne kinetike. Koje mjesto u teoriji zauzima unutrašnja energija? Pogledajmo ovo u članku.

Statistička mehanika i termodinamika

Početna naučna teorija o termičkim procesima nije bila molekularno kinetička. Prva je bila termodinamika. Nastala je u procesu proučavanja optimalnih uslova za korišćenje toplote za izvođenje radova. To se dogodilo sredinom 19. stoljeća, prije nego što je molekularna kinetika postala prihvaćena. Danas se i termodinamika i teorija molekularne kinetike koriste u tehnologiji i nauci. Ovo posljednje se u teorijskoj fizici naziva statistička mehanika. Uz termodinamiku, proučava identične pojave različitim metodama. Ove dvije teorije se međusobno nadopunjuju. Osnovu termodinamike čine njena dva zakona. Oba se tiču ​​ponašanja energije i utvrđena su empirijski. Ovi zakoni važe za svaku supstancu, bez obzira na njenu unutrašnju strukturu. Statistička mehanika se smatra dubljom i preciznijom naukom. U poređenju sa termodinamikom, ona je složenija. Koristi se u slučaju kada termodinamički odnosi nisu dovoljni da objasne fenomen koji se proučava.

Molekularno kinetička teorija

Do sredine 19. vijeka dokazano je da uz mehaničku energiju postoji i unutrašnja energija makroskopskih tijela. Uključen je u bilans energetskih prirodnih transformacija. Nakon što je otkrivena unutrašnja energija, formulisan je stav o njenom očuvanju i transformaciji. Dok pak klizi po ledu prestaje pod uticajem trenja, njegova kinetička (mehanička) energija ne samo da prestaje da postoji, već se prenosi i na molekule paka i leda. Prilikom kretanja neravne površine tijela podložne trenju se deformiraju. Istovremeno se povećava intenzitet nasumično pokretnih molekula. Kada se oba tijela zagriju, unutrašnja energija se povećava. Nije teško uočiti obrnuti prelaz. Kada se voda zagrije u zatvorenoj epruveti, unutrašnja energija (i ona i rezultirajuća para) počinje da raste. Pritisak će se povećati, uzrokujući istiskivanje utikača. Unutrašnja energija pare će uzrokovati povećanje kinetičke energije. Tokom procesa ekspanzije, para radi. Istovremeno, njegova unutrašnja energija se smanjuje. Kao rezultat, para se hladi.

Unutrašnja energija. Opće informacije

Kod nasumičnih kretanja svih molekula, zbir njihovih kinetičkih energija, kao i potencijalnih energija njihovih interakcija, čini unutrašnju energiju. S obzirom na položaj molekula u odnosu jedan prema drugom i njihovo kretanje, gotovo je nemoguće izračunati ovu količinu. To je zbog ogromnog broja elemenata u makroskopskim tijelima. S tim u vezi, potrebno je moći izračunati vrijednost u skladu sa makroskopskim parametrima koji se mogu mjeriti.

Monatomski gas

Smatra se da je tvar prilično jednostavna po svojim svojstvima, jer se sastoji od pojedinačnih atoma, a ne molekula. Monatomski gasovi uključuju argon, helijum i neon. Potencijalna energija u ovom slučaju je nula. To je zbog činjenice da molekuli u idealnom plinu ne komuniciraju jedni s drugima. Kinetička energija slučajnog molekularnog kretanja je odlučujuća za unutrašnje (U). Da bismo izračunali U jednoatomnog plina mase m, trebamo pomnožiti kinetičku energiju (prosjek) 1 atoma sa ukupnim brojem svih atoma. Ali mora se uzeti u obzir da je kNA=R. Na osnovu podataka koje imamo, dobijamo sledeću formulu: U= 2/3 x m/M x RT, gdje je unutrašnja energija direktno proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Sve promjene u U određene su samo T (temperatura) mjerene u početnom i konačnom stanju gasa, i nisu direktno povezane sa zapreminom. To je zbog činjenice da su interakcije njegove potencijalne energije jednake 0 i uopće ne ovise o drugim sistemskim parametrima makroskopskih objekata. Sa složenijim molekulima, idealan gas će takođe imati unutrašnju energiju direktno proporcionalnu apsolutnoj temperaturi. Ali, mora se reći, u ovom slučaju će se promijeniti koeficijent proporcionalnosti između U i T. Uostalom, složeni molekuli izvode ne samo translacijske pokrete, već i rotacijske. Unutrašnja energija jednaka je zbiru ovih molekularnih kretanja.

Od čega U zavisi?

Na unutrašnju energiju utiče jedan od makroskopskih parametara. Ovo je temperatura. U stvarnim gasovima, tečnostima i čvrstim materijama, potencijalna energija (prosek) tokom interakcije molekula nije jednaka nuli. Mada, ako točnije razmotrimo, za gasove je mnogo manji od kinetičkog (prosečnog). Istovremeno, za čvrste materije i tečnosti je uporediv sa njim. Ali prosječno U ovisi o V tvari, jer se u periodu njegove promjene mijenja i prosječna udaljenost između molekula. Iz ovoga sledi da u termodinamici unutrašnja energija zavisi ne samo od temperature T, već i od V (volumena). Njihova vrijednost jednoznačno određuje stanje tijela, pa stoga U.

Svjetski ocean

Teško je zamisliti kakve nevjerovatno velike rezerve energije sadrži Svjetski okean. Hajde da razmotrimo šta je unutrašnja energija vode. Treba napomenuti da je i termalni, jer je nastao kao rezultat pregrijavanja tečnog dijela površine oceana. Dakle, imajući razliku od, na primjer, 20 stepeni u odnosu na donju vodu, ona dobija vrijednost od oko 10^26 J. Prilikom mjerenja struja u okeanu, njegova kinetička energija se procjenjuje na oko 10^18 J.

Globalni problemi

Postoje globalni problemi koji se mogu podići na globalni nivo. To uključuje:

Iscrpljivanje rezervi fosilnih goriva (prvenstveno nafte i gasa);

Značajno zagađenje životne sredine povezano sa upotrebom ovih minerala;

Termičko “zagađenje”, plus povećanje koncentracije atmosferskog ugljičnog dioksida, što prijeti globalnim klimatskim poremećajima;

Korištenje rezervi uranijuma dovodi do stvaranja radioaktivnog otpada, koji ima vrlo negativan utjecaj na život svih živih bića;

Upotreba termonuklearne energije.

Zaključak

Sva ta neizvjesnost o posljedicama koje će zasigurno nastupiti ako ne prestanemo trošiti energiju proizvedenu na takav način tjera naučnike i inženjere da gotovo svu svoju pažnju posvete rješavanju ovog problema. Njihov glavni zadatak je pronalaženje optimalnog izvora energije. Također je važno uključiti različite prirodne procese. Među njima je najveće interesovanje: sunce, odnosno sunčeva toplota, vetar i energija u Svetskom okeanu.

U mnogim zemljama na mora i okeane se dugo gledalo kao na izvor energije, a njihovi izgledi postaju sve obećavajući. Okean je prepun mnogih tajni, njegova unutrašnja energija je bunar bez dna. Samo broj načina na koje nam pruža ekstrakciju energije (kao što su okeanske struje, energija plime, toplinska energija i drugi) već nas tjera da razmišljamo o njegovoj veličini.

Unutrašnja energija svakog tijela povezana je s kretanjem i stanjem čestica (molekula, atoma) materije. Ako je poznata ukupna energija tijela, onda se unutrašnja energija može naći tako što se iz ukupne izuzme kretanje cijelog tijela kao makroskopskog objekta, kao i energija interakcije ovog tijela sa potencijalnim poljima.

Takođe, unutrašnja energija sadrži energiju vibracija molekula i potencijalnu energiju međumolekulske interakcije. Ako govorimo o idealnom gasu, tada glavni doprinos unutrašnjoj energiji daje kinetička komponenta. Ukupna unutrašnja energija jednaka je zbiru energija pojedinačnih čestica.

Kao što je poznato, kinetička energija translacionog kretanja materijalne tačke koja modelira česticu materije jako zavisi od brzine njenog kretanja. Također je vrijedno napomenuti da energija vibracijskih i rotacijskih pokreta ovisi o njihovom intenzitetu.

Zapamtite iz svog kursa molekularne fizike formulu za unutrašnju energiju idealnog monoatomskog gasa. Izražava se kroz zbir kinetičkih komponenti svih čestica gasa, koji se mogu usrednjavati. Usrednjavanje po svim česticama dovodi do eksplicitne zavisnosti unutrašnje energije od telesne temperature, kao i od broja stepeni slobode čestica.

Konkretno, za jednoatomski idealni gas, čije čestice imaju samo tri stepena slobode translacionog kretanja, ispostavlja se da je unutrašnja energija direktno proporcionalna trostrukom proizvodu Boltzmannove konstante i temperature.

Temperaturna zavisnost

Dakle, unutrašnja energija tijela zapravo odražava kinetičku energiju kretanja čestica. Da bismo razumjeli odnos između ove energije i temperature, potrebno je utvrditi fizičko značenje vrijednosti temperature. Ako zagrijete posudu napunjenu plinom i koja ima pomične stijenke, njen volumen će se povećati. To ukazuje da se pritisak iznutra povećao. Pritisak plina nastaje udarom čestica na stijenke posude.

Pošto je pritisak povećan, to znači da je povećana i sila udara, što ukazuje na povećanje brzine kretanja molekula. Dakle, povećanje temperature plina dovelo je do povećanja brzine kretanja molekula. Ovo je suština temperature. Sada postaje jasno da povećanje temperature, što dovodi do povećanja brzine kretanja čestica, povlači za sobom povećanje kinetičke energije unutarmolekularnog kretanja, a time i povećanje unutrašnje energije.

Unutrašnja energija tijelo (označeno kao E ili U) je zbir energija molekularnih interakcija i termičkih kretanja molekula. Unutrašnja energija je jedinstvena funkcija stanja sistema. To znači da kad god se sistem nađe u datom stanju, njegova unutrašnja energija poprima vrijednost inherentnu ovom stanju, bez obzira na prethodnu historiju sistema. Shodno tome, promjena unutrašnje energije tokom prijelaza iz jednog stanja u drugo uvijek će biti jednaka razlici između njenih vrijednosti u konačnom i početnom stanju, bez obzira na put kojim se prijelaz odvijao.

Unutrašnja energija tijela ne može se izmjeriti direktno. Možete odrediti samo promjenu unutrašnje energije:

Ova formula je matematički izraz prvog zakona termodinamike

Za kvazistatičke procese vrijedi sljedeća relacija:

Idealni gasovi

Prema Jouleovom zakonu, izvedenom empirijski, unutrašnja energija idealnog gasa ne zavisi od pritiska ili zapremine. Na osnovu ove činjenice možemo dobiti izraz za promjenu unutrašnje energije idealnog plina. Po definiciji molarnog toplotnog kapaciteta pri konstantnom volumenu, . Pošto je unutrašnja energija idealnog gasa funkcija samo temperature, onda

Ista formula vrijedi i za izračunavanje promjene unutrašnje energije bilo kojeg tijela, ali samo u procesima sa konstantnim volumenom (izohorni procesi); općenito, to je funkcija i temperature i volumena.

Ako zanemarimo promjenu molarnog toplinskog kapaciteta s promjenom temperature, dobivamo:

gdje je količina supstance, je promjena temperature.

Književnost

• Sivukhin D.V. Kurs opšte fizike. - 5. izdanje, revidirano. - M.: Fizmatlit, 2006. - T. II. Termodinamika i molekularna fizika. - 544 str. - ISBN 5-9221-0601-5

Bilješke

Wikimedia Foundation.

2010.

Pogledajte šta je "unutrašnja energija" u drugim rječnicima: unutrašnja energija - Funkcija stanja zatvorenog termodinamičkog sistema, određena činjenicom da je njegov prirast u bilo kom procesu koji se odvija u ovom sistemu jednak zbiru toplote koja je data sistemu i rada koji se na njemu vrši. Napomena Unutrašnja energija......

Vodič za tehnički prevodilac Fizička energija sistema, zavisno od njegovog internog. stanje. V. e. uključuje energiju haotičnog (toplinskog) kretanja svih mikročestica sistema (molekula, atoma, jona itd.) i energiju djelovanja ovih čestica. Kinetic. energija kretanja sistema u celini i...

Fizička enciklopedija UNUTRAŠNJA ENERGIJA - energija tijela ili sistema u zavisnosti od njegovog unutrašnjeg stanja; sastoji se od kinetičke energije tjelesnih molekula i njihovih strukturnih jedinica (atomi, elektroni, jezgra), energije interakcije atoma u molekulima, energije interakcije elektronskih...

Velika politehnička enciklopedija Tijelo se sastoji od kinetičke energije molekula tijela i njihovih strukturnih jedinica (atoma, elektrona, jezgara), energije interakcije atoma u molekulima, itd. Unutrašnja energija ne uključuje energiju kretanja tijela kao celina i potencijalna energija...

Pogledajte šta je "unutrašnja energija" u drugim rječnicima: Veliki enciklopedijski rečnik - ▲ energetsko materijalno tijelo, u skladu sa, stanjem, unutrašnjom temperaturom unutrašnje en...

Pogledajte šta je "unutrašnja energija" u drugim rječnicima: Ideografski rečnik ruskog jezika - je ukupna energija sistema minus potencijal, uzrokovan uticajem spoljašnjih polja sila na sistem (u gravitacionom polju), i kinetička energija sistema koji se kreće. Opća hemija: udžbenik / A. V. Zholnin ...

Hemijski pojmovi

Unutrašnja energija Moderna enciklopedija - tijelo, uključuje kinetičku energiju molekula, atoma, elektrona, jezgara koji čine tijelo, kao i energiju interakcije ovih čestica jedne s drugima. Promjena unutrašnje energije numerički je jednaka radu obavljenom na tijelu (na primjer, kada ... ...

Pogledajte šta je "unutrašnja energija" u drugim rječnicima: Ilustrovani enciklopedijski rječnik - termodinamička veličina koja karakteriše broj svih vrsta unutrašnjih kretanja izvedenih u sistemu. Nemoguće je izmjeriti apsolutnu unutrašnju energiju tijela. U praksi se meri samo promena unutrašnje energije.....

Tijelo se sastoji od kinetičke energije molekula tijela i njihovih strukturnih jedinica (atoma, elektrona, jezgara), energije interakcije atoma u molekulima, itd. Unutrašnja energija ne uključuje energiju kretanja tijela kao celina i potencijalna energija... Encyclopedic Dictionary

Knjige

• Put Qi-ja. Energija života u vašem telu. Vježbe i meditacije, Sweigard Matthew, Ravnoteža i unutrašnja harmonija date su nam od rođenja, ali savremeni život nas lako može izbaciti iz prirodne ravnoteže. Ponekad ga namerno prekršimo, recimo, previše jedemo... Kategorija: Istočna ezoterična učenja Serija: Izdavač: All,