14. Внутренняя энергия

В середине девятнадцатого века было доказано, что тела обладают как механической, так и внутренней энергией. Эта внутренняя энергия входит в баланс сил энергетических превращений в природе. Например, механическая энергия при токарной обработке детали превращается во внутреннюю - металл нагревается. Горячий нар толкает поршень паровой машины - внутренняя энергия переходит в механическую.

Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) относительно центра масс тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел). Обозначается U, измеряется в джоулях.

Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой m нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома:

E = k T, где k- постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура на число атомов:

N = · n_a, зная, что k · N_A - универсальная газовая постоянная, получим значение внутренней энергии идеального газа.

U = RT

По уравнению Менделеева - Клапейрона

U = p V

Изменение внутренней энергии данной массы идеального газа происходит только при изменении его температуры:

ΔU = R ΔT

Внутренняя энергия зависит от массы газа, от молярной массы и от строения молекулы, так как молекулы вращаются и для сложных молекул энергию вращательного движения нужно учитывать.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами - совершением работы и теплопередачей. В общем случае внутренняя энергия зависит от массы тела, его температуры, удельной теплоемкости, агрегатного состояния и деформации.

15. Работа газа.

В механике работа определяется как произведение модуля силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущиеся тела и равна изменению его кинетической энергии.

Работа в термодинамике равна изменению его внутренней энергии. Работа совершается при изменении объема газа. Объем увеличивается, газ расширяется, он совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается. Если же объем уменьшается, газ сжимается, работа совершается внешними силами над газом. Его внутренняя 'энергия увеличивается.

Из механики: работа А= F s (S -перемещение)

Давление - величина силы, приходящейся на единицу площади р = F/s (S - площадь).

При нагревании газа его давление растет, а внешнее не меняется, поэтому поршень будет подниматься пока внешнее и внутреннее давления не сравняются.

A = F ∆h = ps (h₂-h₁) = р (S h₂-Sh₁) = p ∆V

P

V₁ V₂ V

Графически работа газа равна площади фигуры, ограниченной графиком процесса в осях объем - давление.

16. Количество теплоты

Два способа изменения внутренней энергии: совершение работы и теплопередача.

Теплопередача характеризуется количеством теплоты. По закону сохранения энергии количество отданной теплоты равно количеству полученной. Так как реальный теплообмен происходит в незамкнутых системах, эту закономерность долго не могли обнаружить.

Количество теплоты обозначается Q, измеряется в Джоулях.

Q>0 получает	Q<0 отдает	формула	коэффициент, единицы измерения
нагревание	охлаждение	Q = mc ∆t	с - удельная теплоемкость, Дж/(кг°С)
плавление	кристаллизация	Q = λm	λ - удельная теплота плавления, Дж/кг
парообразование парообразование	конденсация конденсация	Q = rm	г - удельная теплота парообразования, при температуре кипения, Дж/кг
теплота при сгорании топлива		Q=qm	q - удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг

Все коэффициенты зависят от рода вещества, они экспериментально определены и занесены в таблицу.

Уравнение теплового баланса: количество теплоты, отданное телами в замкнутой системе, равно количеству теплоты, полученному другими телами.