Розділ 6 основи термодинаміки

Термодинаміка – наука про температуру, теплоту і про взаємні перетворення теплоти і роботи. Це розділ молекулярної фізики, який вивчає теплові процеси без з’ясування внутрішніх чинників структури речовини.

Термодинаміка була створена в середині ХІХ ст. після відкриття закону збереження енергії. Термодинаміка розглядає загальні властивості фізичних систем у стані термодинамічної рівноваги. Вона вивчає закон збереження енергії (перший закон термодинаміки), другий закон термодинаміки, а також доводиться неможливість створення вічного двигуна. Термодинаміка слугує науковою основою сучасних теплових двигунів, холодильних установок, апаратів для одержання зріджених газів. Наразі головні зусилля спрямовані на виконання найважливішого технічного завдання – підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) теплових двигунів.

§ 38. Внутрішня енергія тіла і способи її зміни

Енергія теплового руху. Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу. Способи зміни внутрішньої енергії тіл

Енергія теплового руху. В основі термодинаміки лежить поняття внутрішньої енергії U. Було доведено, що поряд із механічною енергією макроскопічні тіла мають ще й енергію всередині цих тіл. Ця внутрішня енергія входить до балансу енергетичних перетворень у природі. Після відкриття внутрішньої енергії був сформульований закон збереження і перетворення енергії в теплових процесах, у результаті якого внутрішня енергія може переходити в механічну і навпаки. З погляду МКТ речовини внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичних енергій безперервного теплового руху всіх молекул (атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною. Обчислити U, враховуючи мікропараметри майже неможливо, тому для її вираження використовують макропараметри термодинамічної системи.

Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу. Найпростіший за властивостями – одноатомний газ. До одноатомних можна віднести інертні гази: гелій, неон, аргон та інші. Обчислимо внутрішню енергію одноатомного ідеального газу. Оскільки молекули цього газу одна з одною не взаємодіють, то потенціальна енергія Е_п = 0. Уся внутрішня енергія складається із кінетичної енергії руху Е_к. За формулою Больцмана, для одного атома . А оскільки кількість атомів дорівнює , то внутрішня енергія одноатомного ідеального газу , де . Остаточно маємо:

або .

де m – маса всього газу; – молярна маса; R – універсальна газова стала; T – термодинамічна температура; p – тиск газу; V – об’єм газу.

Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу пропорційна температурі і не залежить від об’єму та інших макропараметрів. Зміна внутрішньої енергії маси ідеального газу відбувається тільки у разі зміни його температури :

.

Якщо газ не одноатомний, то його молекули рухаються не тільки поступально, але й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального рухів.

У реальних газах, рідинах і твердих тілах середня потенціальна енергія взаємодії молекул не дорівнює нулю, тому їх внутрішня енергія залежить від об’єму речовини поряд з температурою.

Способи зміни внутрішньої енергії тіл. Внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити двома способами:

1. виконанням роботи;

2. теплопередачею.

Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може відбуватися такими способами:

1. теплопровідність;

2. випромінювання;

3. конвекція (перемішування).

? Запитання для самоперевірки

1. Які тіла називають макроскопічними?

2. Що таке внутрішня енергія? Механічна енергія?

3. Чим відрізняється внутрішня енергія ідеального газу від внутрішньої енергії реального газу?

4. Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?

5. Наведіть приклади перетворення механічної енергії у внутрішню (і навпаки) у техніці та побуті.

6. Виведіть формулу внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу.

7. Як визначити внутрішню енергію одноатомного ідеального газу через тиск і об’єм? Запишіть формулу.

8. Моль якого газу – водню чи гелію – за однакової температури має більшу внутрішню енергію?

9. Поясніть, як і чому змінюється твердість металів у результаті зменшення і збільшення їх внутрішньої енергії?

10. Що називають теплопередачею чи теплообміном?