16. Внутренняя энергия тела. Способы ее изменения. Виды теплообмена. Внутренняя энергия идеального газа

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутрення энергия — это величина, характеризующая собствен ное состояние тела, т.е. энергия хаотического (тепло вого) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов) и энергия взаимодействия этих частиц Внутренняя энергия одноатомного идеального газа оп ределяется по формуле

.

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

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Теплообмен может осуществляться по-разному. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

1. Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела - переносится лишь энергия.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей (за исключением расплавленных металлов) теплопроводность невелика. У газов она еще меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

2. Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества. Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. 

3. Лучистый теплообмен - это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. 

Внутренняя  энергия  идеального  одноатомного  газа. 

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютнойтемпературе.    Она не зависит от объема и других макроскопических параметров системы.

17. Первое начало термодинамики. Применение первого начала термодинамики к изопроцесам

изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.  , где   — изменение внутренней энергии,   — количество теплноты, переданное системе,   — работа внешних сил. Моли система сама совершает работу, то ее условно обозначают  . Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так:  , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами  , где   и   — начальный и конечный объемы газа.

Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость  , и начальным и конечным объемами газа (рис. 13).

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.

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.  , и уравнение первого закона имеет вид  , т.е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.