Intern energi kan ændres på to måder.
Hvis der arbejdes på en krop, øges dens indre energi.
Hvis kroppen selv udfører arbejdet, falder dens indre energi.
Der er tre simple (elementære) typer varmeoverførsel:
Varmeledningsevne
Konvektion
Konvektion er fænomenet varmeoverførsel i væsker eller gasser eller granulære medier ved stofstrømme. Der er en såkaldt naturlig konvektion, som opstår spontant i et stof, når det opvarmes ujævnt i et gravitationsfelt. Ved en sådan konvektion opvarmes de nederste lag af stoffet, bliver lettere og flyder op, og de øverste lag afkøles tværtimod, bliver tungere og synker ned, hvorefter processen gentages igen og igen.
Termisk stråling eller stråling er overførsel af energi fra et legeme til et andet i form af elektromagnetiske bølger på grund af deres termiske energi.
Intern energi af en ideel gas
Baseret på definitionen af en ideel gas har den ikke en potentiel komponent af intern energi (der er ingen molekylære interaktionskræfter, undtagen stød). Den indre energi af en ideel gas repræsenterer således kun dens molekylers kinetiske bevægelsesenergi. Tidligere (ligning 2.10) blev det vist, at den kinetiske energi af den translationelle bevægelse af gasmolekyler er direkte proportional med dens absolutte temperatur.
Ved hjælp af udtrykket for den universelle gaskonstant (4.6) kan vi bestemme værdien af konstanten α.
Således vil den kinetiske energi af translationel bevægelse af et molekyle af en ideel gas blive bestemt af udtrykket.
I overensstemmelse med kinetisk teori er fordelingen af energi på tværs af frihedsgrader ensartet. Translationel bevægelse har 3 frihedsgrader. En grad af bevægelsesfrihed for et gasmolekyle vil følgelig tegne sig for 1/3 af dets kinetiske energi. 
For to-, tre- og polyatomiske gasmolekyler er der ud over graderne af frihed for translationel bevægelse frihedsgrader for molekylets rotationsbevægelse. For diatomiske gasmolekyler er antallet af frihedsgrader for rotationsbevægelse 2, for tre og polyatomiske molekyler - 3.
Da fordelingen af et molekyles bevægelsesenergi over alle frihedsgrader er ensartet, og antallet af molekyler i et kilomol gas er lig med Nμ, kan den indre energi af et kilomol af en ideel gas opnås ved at multiplicere udtryk (4.11) ved antallet af molekyler i en kilomol og ved antallet af grader af bevægelsesfrihed for et molekyle af en given gas .
hvor Uμ er den indre energi af en kilomol gas i J/kmol, i er antallet af grader af bevægelsesfrihed for et gasmolekyle.
For 1-atomare gasser er i = 3, for 2-atomare gasser i = 5, for 3-atomare og polyatomare gasser i = 6.
Elektricitet. Betingelser for eksistensen af elektrisk strøm. EMF. Ohms lov for et komplet kredsløb. Arbejde og strømstyrke. Joule-Lenz lov.
Blandt de nødvendige betingelser for eksistensen af en elektrisk strøm er der: tilstedeværelsen af frie elektriske ladninger i mediet og skabelsen af et elektrisk felt i mediet. Et elektrisk felt i et medium er nødvendigt for at skabe retningsbestemt bevægelse af frie ladninger. Som bekendt påvirkes en ladning q i et elektrisk felt med intensitet E af en kraft F = qE, som får frie ladninger til at bevæge sig i retning af det elektriske felt. Et tegn på eksistensen af et elektrisk felt i en leder er tilstedeværelsen af en ikke-nul potentialforskel mellem to punkter på lederen.
Elektriske kræfter kan dog ikke opretholde en elektrisk strøm i lang tid. Den rettede bevægelse af elektriske ladninger efter nogen tid fører til udligning af potentialer ved enderne af lederen og følgelig til forsvinden af det elektriske felt i den. For at opretholde strømmen i et elektrisk kredsløb skal ladninger ud over Coulomb-kræfter udsættes for kræfter af ikke-elektrisk karakter (ydre kræfter). En enhed, der skaber eksterne kræfter, opretholder en potentialforskel i et kredsløb og omdanner forskellige typer energi til elektrisk energi, kaldes en strømkilde.
Betingelser for eksistensen af elektrisk strøm:
tilstedeværelse af gratis operatører
· tilstedeværelse af potentialforskel. disse er betingelserne for forekomsten af strøm. for at strømmen eksisterer
· lukket kredsløb
· en kilde til ydre kræfter, der fastholder potentialforskellen.
Eventuelle kræfter, der virker på elektrisk ladede partikler, med undtagelse af elektrostatiske (Coulomb) kræfter, kaldes uvedkommende kræfter.
Elektromotorisk kraft.
Elektromotorisk kraft (EMF) er en skalar fysisk størrelse, der karakteriserer arbejdet af eksterne (ikke-potentielle) kræfter i jævn- eller vekselstrømskilder. I et lukket ledende kredsløb er EMF lig med disse kræfters arbejde for at flytte en enkelt positiv ladning langs kredsløbet.
Enheden for EMF, ligesom spænding, er volt. Vi kan tale om elektromotorisk kraft i enhver del af kredsløbet. Den elektromotoriske kraft af en galvanisk celle er numerisk lig med ydre kræfters arbejde, når en enkelt positiv ladning flyttes inde i elementet fra dets negative pol til dets positive. Tegnet på EMF bestemmes afhængigt af den vilkårligt valgte bypassretning af den del af kredsløbet, hvor strømkilden er tændt.
Ohms lov for et komplet kredsløb.
Lad os betragte det enkleste komplette kredsløb bestående af en strømkilde og en modstand med modstand R. En strømkilde med en emf ε har en modstand r, det kaldes strømkildens indre modstand. For at opnå Ohms lov for et komplet kredsløb, bruger vi loven om energibevarelse.
Lad en ladning q passere gennem lederens tværsnit i en tid Δt. Derefter, ifølge formlen, er arbejdet udført af eksterne kræfter, når en ladning q flyttes, lig med . Fra definitionen af strømstyrke har vi: q = IΔt. Derfor,.
På grund af ydre kræfters arbejde, når strøm passerer gennem kredsløbet, frigives en mængde varme på dets ydre og indre sektioner af kredsløbet i henhold til Joule-Lenz-loven lige:
Ifølge loven om bevarelse af energi er A st = Q, derfor er strømkildens emk lig med summen af spændingsfaldene i kredsløbets eksterne og interne sektioner.
Hvordan ændrer man kroppens mekaniske energi? Ja, meget simpelt. Skift dens placering eller fremskynd den. Spar for eksempel en bold eller løft den højere fra jorden.
I det første tilfælde vil vi ændre dens kinetiske energi, i det andet den potentielle energi. Hvad med indre energi? Hvordan ændrer man kroppens indre energi? Lad os først finde ud af, hvad det er. Intern energi er partiklernes kinetiske og potentielle energi - dette er energien i deres bevægelse. Og hastigheden af deres bevægelse afhænger som bekendt af temperaturen. Det vil sige, at den logiske konklusion er, at ved at øge kropstemperaturen vil vi øge dens indre energi. Den nemmeste måde at øge kropstemperaturen på er gennem varmeudveksling. Når kroppe med forskellige temperaturer kommer i kontakt, varmes den koldere krop op på bekostning af den varmere. I dette tilfælde afkøles den varmere krop.
Et simpelt hverdagseksempel: en kold ske i en kop varm te varmer meget hurtigt op, mens teen køler lidt ned. Forøgelse af kropstemperaturen er mulig på andre måder. Hvad gør vi alle sammen, når vores ansigt eller hænder bliver kolde udenfor? Vi tre dem. Når genstande gnider, varmes de op. Også genstande opvarmes, når de udsættes for stød, tryk, det vil sige, når de interagerer. Alle ved, hvordan man lavede ild i oldtiden – enten ved at gnide træstykker mod hinanden, eller ved at slå flint på en anden sten. Også i vores tid bruger siliciumlightere friktion af en metalstang mod flint.
Indtil nu har vi talt om at ændre den indre energi ved at ændre den kinetiske energi af dens bestanddele. Hvad med den potentielle energi af disse samme partikler? Som det er kendt, er partiklernes potentielle energi energien af deres relative positioner. For at ændre den potentielle energi af kroppens partikler skal vi således deformere kroppen: komprimere, vride og så videre, det vil sige ændre partiklernes placering i forhold til hinanden. Dette opnås ved at påvirke kroppen. Vi ændrer hastigheden af individuelle dele af kroppen, det vil sige, vi arbejder på det.
Således opnås alle tilfælde af påvirkning af kroppen for at ændre dens indre energi på to måder. Enten ved at overføre varme til det, det vil sige varmeoverførsel, eller ved at ændre hastigheden af dets partikler, det vil sige at udføre arbejde på kroppen.
Eksempler på ændringer i indre energi- det er næsten alle processer, der foregår i verden. Partiklernes indre energi ændres ikke i tilfælde af, at der ikke sker noget med kroppen, hvilket du kan se, er ekstremt sjældent - loven om bevarelse af energi er i kraft. Der sker hele tiden noget omkring os. Selv med genstande, som ved første øjekast intet sker, sker der faktisk forskellige ændringer, som er umærkelige for os: mindre temperaturændringer, små deformationer og så videre. Stolen bøjer sig under vores vægt, temperaturen på bogen på hylden ændrer sig lidt med hver luftbevægelse, for ikke at nævne udkastene. Nå, hvad angår levende kroppe, er det tydeligt uden ord, at der sker noget inde i dem hele tiden, og den indre energi ændrer sig næsten på hvert tidspunkt af tiden.
Enhver makroskopisk krop har energi, bestemt af dens mikrotilstand. Det her energi hedder indre(angivet U). Det er lig med energien fra bevægelse og interaktion mellem mikropartikler, der udgør kroppen. Så, indre energi ideel gas består af den kinetiske energi af alle dets molekyler, da deres interaktion i dette tilfælde kan negligeres. Derfor det indre energi afhænger kun af gastemperaturen ( U~T).
Den ideelle gasmodel antager, at molekylerne er placeret i en afstand af flere diametre fra hinanden. Derfor er energien i deres interaktion meget mindre end bevægelsesenergien og kan ignoreres.
I virkelige gasser, væsker og faste stoffer kan interaktionen mellem mikropartikler (atomer, molekyler, ioner osv.) ikke negligeres, da det påvirker deres egenskaber væsentligt. Derfor de indre energi består af den kinetiske energi af termisk bevægelse af mikropartikler og den potentielle energi af deres interaktion. Deres indre energi, undtagen temperatur T, vil også afhænge af lydstyrken V, da en ændring i volumen påvirker afstanden mellem atomer og molekyler, og dermed den potentielle energi af deres interaktion med hinanden.
Intern energi er en funktion af kroppens tilstand, som bestemmes af dens temperaturTog bind V.
Intern energi er entydigt bestemt af temperaturenT og kropsvolumen V, der karakteriserer dens tilstand:U =U(T, V)
Til ændre indre energi krop, skal du faktisk ændre enten den kinetiske energi af den termiske bevægelse af mikropartikler eller den potentielle energi af deres interaktion (eller begge sammen). Som du ved, kan dette gøres på to måder - ved varmeveksling eller ved at udføre arbejde. I det første tilfælde sker dette på grund af overførslen af en vis mængde varme Q; i den anden - på grund af arbejdets udførelse EN.
Dermed, mængden af varme og udført arbejde er et mål for ændring i en krops indre energi:
Δ U =Q+EN.
Ændringen i indre energi opstår på grund af en vis mængde varme givet eller modtaget af kroppen eller på grund af arbejdets udførelse.
Hvis kun varmeveksling finder sted, så ændringen indre energi opstår ved at modtage eller frigive en vis mængde varme: Δ U =Q. Ved opvarmning eller afkøling af et legeme er det lig med:
Δ U =Q = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.
Under smeltning eller krystallisation af faste stoffer indre energiændringer på grund af ændringer i den potentielle interaktionsenergi mellem mikropartikler, fordi der forekommer strukturelle ændringer i stoffets struktur. I dette tilfælde er ændringen i indre energi lig med smeltevarmen (krystallisation) af kroppen: Δ U—Qpl =λ m, Hvor λ — specifik smeltevarme (krystallisation) af et fast stof.
Fordampning af væsker eller kondensering af damp forårsager også ændringer indre energi, som er lig med fordampningsvarmen: Δ U =Q p =rm, Hvor r— specifik fordampningsvarme (kondensation) af væsken.
Lave om indre energi krop på grund af udførelsen af mekanisk arbejde (uden varmeveksling) er numerisk lig med værdien af dette arbejde: Δ U =EN.
Hvis ændringen i intern energi opstår på grund af varmeudveksling, såΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),ellerΔ U = Q pl = λ m,ellerΔ U =Qn =rm.
Derfor, fra molekylærfysikkens synspunkt: Materiale fra siden
Indre kropsenergi er summen af den kinetiske energi af den termiske bevægelse af atomer, molekyler eller andre partikler, som den består af, og den potentielle interaktionsenergi mellem dem; fra et termodynamisk synspunkt er det en funktion af kroppens tilstand (system af kroppe), som er unikt bestemt af dets makroparametre - temperaturTog bind V.
Dermed, indre energi er systemets energi, som afhænger af dets indre tilstand. Den består af energien fra termisk bevægelse af alle mikropartikler i systemet (molekyler, atomer, ioner, elektroner osv.) og energien af deres interaktion. Det er næsten umuligt at bestemme den fulde værdi af intern energi, så ændringen i indre energi beregnes Δ U, som opstår på grund af varmeoverførsel og arbejdsydelse.
Den indre energi i et legeme er lig med summen af den kinetiske energi af termisk bevægelse og den potentielle interaktionsenergi mellem dets mikropartikler.
På denne side er der materiale om følgende emner:
Er det muligt entydigt at bestemme den indre energi i en krop?
Kroppen har energi
Fysik rapport om indre energi
Hvilke makroparametre afhænger den indre energi af en ideel gas af?
-
Internt energi- og gasarbejde
Grundlæggende om termodynamik
Gentagelse. Loven om bevarelse af total mekanisk energi: den samlede mekaniske energi i et lukket system, hvor ingen friktions- (modstands)kræfter virker, bevares.
Systemet kaldes lukket, hvis alle dens komponenter kun interagerer med hinanden.
Udførelsen af arbejdet og frigivelsen af energi under termodynamiske processer indikerer, at termodynamiske systemer har en reserve indre energi.
Under indre energi systemer U i termodynamik forstår vi summen af kinetisk energi i bevægelse alle mikropartikler i systemet(atomer eller molekyler) og den potentielle energi af deres interaktion med hinanden. Vi understreger, at mekanisk energi (den potentielle energi af et legeme rejst under jordens overflade og den kinetiske energi af dets bevægelse som helhed) ikke er inkluderet i den indre energi.
Erfaring viser, at der er to måder at ændre den indre energi i et system - at udføre en mekanisk arbejde over systemet og varmeveksling med andre systemer.
Den første måde at ændre indre energi på er at udføre mekanisk arbejde EN" ydre kræfter over systemet eller selve systemet over ydre kroppe A (A = -A"). Når arbejdet udføres, ændres systemets indre energi på grund af energien fra en ekstern kilde. Så når man puster et cykelhjul op, opvarmes systemet på grund af pumpens drift; ved hjælp af friktion var vores forfædre i stand til at skabe ild osv.
Den anden måde at ændre den indre energi i et system (uden at arbejde) kaldes varmeveksling (varmeoverførsel). Mængden af energi modtaget eller afgivet af en krop under en sådan proces kaldes mængden af varme og er udpeget ΔQ.
Der er tre typer varmeoverførsel: termisk ledningsevne, konvektion, termisk stråling.
På varmeledningsevne varmeoverførsel sker fra en mere opvarmet krop til en mindre opvarmet under termisk kontakt mellem dem. Varmeudveksling kan også forekomme mellem dele af kroppen: fra en mere opvarmet del til en mindre opvarmet del uden at overføre de partikler, der udgør kroppen.
Konvektion- Overførsel af varme ved strømme af bevægende væske eller gas fra et område af det volumen, de optager, til et andet. Ved opvarmning af en kedel på et komfur sikrer varmeledningsevnen varmestrømmen gennem bunden af kedlen til de nederste (grænse-) lag af vand, men opvarmningen af de indre vandlag er netop resultatet af konvektion, hvilket fører til blanding af opvarmet og koldt vand.
Termisk stråling- overførsel af varme gennem elektromagnetiske bølger. I dette tilfælde er der ingen mekanisk kontakt mellem varmelegemet og varmemodtageren. For eksempel, når du bringer din hånd et kort stykke hen til en glødelampe, vil du mærke dens termiske stråling. Jorden modtager også energi fra Solen gennem termisk stråling.
Siden indre energi U er entydigt bestemt af systemets termodynamiske parametre, så er det en funktion af tilstand. Derfor ændringen i indre energi ΔU når systemets tilstand ændres (ændring i temperatur, volumen, tryk, overgang fra væske til fast stof osv.) kan findes ved hjælp af formlen
ΔU=U 2 - U 1
Hvor U 1 Og U 2- indre energi i første og anden tilstand. Ændring i indre energi ΔU afhænger ikke af systemets mellemtilstande under en sådan overgang, men bestemmes kun af de indledende og endelige energiværdier.
Intern energi Termodynamikkens 1. lov. Summen af de kinetiske energier af den kaotiske bevægelse af alle partikler i et legeme i forhold til kroppens massecenter (molekyler, atomer) og de potentielle energier af deres interaktion med hinanden kaldes intern energi. Kinetisk partikelenergi bestemmes af hastighed, hvilket betyder - temperatur kroppe. Potentiel- afstanden mellem partikler, og derfor - bind. Derfor: U=U (T,V) - intern energi afhænger af volumen og temperatur. U=U(T,V) For en ideel gas: U=U (T), fordi vi forsømmer interaktion på afstand. - indre energi af en ideel monatomisk gas. Intern energi er en unik funktion af tilstanden (op til en vilkårlig konstant) og bevares i et lukket system. Det modsatte er ikke sandt(!) - forskellige tilstande kan svare til den samme energi. U – intern energi N – antal atomer – gennemsnitlig kinetisk energi K – Boltzmann konstant m – masse M – molær masse R – universel gaskonstant P tæthed v – stofmængde Ideel gas: Joules eksperimenter beviste ækvivalensen af arbejde og mængden af varme, dvs. Begge størrelser er et mål for energiændringer, de kan måles i de samme enheder: 1 cal = 4,1868 J ≈ 4,2 J. Denne størrelse kaldes. mekanisk ækvivalent af varme.