Два способи зміни внутрішньої енергії.

План

1. Два способи зміни внутрішньої енергії

2. Робота газу

3. Перший закон термодинаміки

Основна література:

1. Л.Є.Генденштейн, І.Ю.Ненашев Фізика,10кл.: Підруч. для загальноосвіт. навч. Закл: Рівень стандарту: Гімназія,2010.С 229-232

Додаткова література:

2. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. - К.: Вища школа, 1983.С 94-100

Ключові поняття:

Ø Внутрішня енергія; Ø Термодинаміка; Ø Температура;

Ø Хімічна реакція; Ø Адіабатний процес; Ø Теплопередача.

Два способи зміни внутрішньої енергії.

Темодинаміка – розділ фізики, який вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Термодинаміка вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не розглядає молекулярної будови речовини.

Внутрішня енергія.

Енергія хаотичного руху молекул є лише малою часткою всієї енергії, яка міститься в тілі.

Річ у тім, що атоми і молекули не тільки рухаються, а й взаємодіють між собою, тобто мають не тільки кінетичну, а й потенціальну енергію.

Суму кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенціальної енергії їх взаємодії називають внутрішньою енергією.

Ø У яких процесах може змінюватись внутрішня енергія?

Під час зміни температури тіла змінюється кінетична енергія хаотичного руху атомів і молекул, а також потенціальна енергія взаємодії атомів і молекул (наприклад, через зміну об'єму тіл, а отже, і відстані між молекулами).

Під час хімічних реакцій (наприклад, горіння або вибуху) та зміни агрегатного стану речовини (наприклад, під час переходу з рідкого стану у твердий чи газоподібний) змінюється потенціальна енергія атомів, що входять до складу молекул.

Під час ядерних реакцій змінюється потенціальна енергія частинок, що входять до складу атомного ядра.

Розглянемо приклади, що допоможуть вам уявити «масштаби» змін внутрішньої енергії.

ПРИКЛАДИ ЗМІН ВНУТРІШНЬОЇ ЕНЕРГІЇ

У чому виявляється зміна внутрішньої енергії	Приклад механічного еквівалента
Нагрівання та охолодження
Унаслідок зміни температури змінюється кінетична енергія хаотичного руху молекул, а в рідині та твердому тілі — також і потенціальна енергія взаємодії молекул.	Щоб нагріти від кімнатної температури до температури кипіння 1 літр води, треба затратити стільки ж енергії, скільки потрібно для підняття легкового автомобіля на дванадцять поверхів (Мал.1). Така сама енергія виділяється у результаті охолодження 1 л води від температури кипіння до кімнатної температури.
1.
Плавлення і кристалізація
Під час руйнування або утворення кристалічних ґраток змінюється потенціальна енергія взаємодії атомів чи молекул.	Щоб розплавити 1 кг льоду, треба затратити стільки ж енергії, скільки потрібно для підняття легкового автомобіля на дванадцять поверхів. Така сама енергія виділяється у результаті кристалізації 1 л води.
Випаровування і конденсація
Під час розриву або утворення зв'язків між молекулами змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії.	Щоб випарувати 1 кг води, треба затратити стільки ж енергії, скільки потрібно для підняття легкового автомобіля на 70 поверхів. Така сама енергія виділяється у результаті конденсації 1 кг водяної пари.
Хімічні реакції, що проходять з виділенням тепла
Під час перебудови молекул відбувається перетворення потенціальної енергії взаємодії атомів у кінетичну енергію хаотичного руху молекул.	Унаслідок згоряння 1 кг бензину виділяється стільки ж енергії, скільки потрібно для підняття легкового автомобіля на гору заввишки 4,5 км.
Ядерні реакції
Під час поділу або синтезу (об'єднання) атомних ядер відбувається перетворення потенціальної енергії взаємодії частинок, що входять до складу атомного ядра, у кінетичну енергію хаотичного руху частинок і енергію випромінювання.	За поділу ядер у 1 кг урану виділяється енергія, достатня для «закидання» навантаженого потягу із Землі на Місяць.

Мал.1

На Мал. 2 схематично (без дотримання масштабу) показане співвідношення між різними видами енергії, що містяться в тілі. Ми бачимо, що механічна енергія, яку ми спостерігаємо безпосередньо, —- лише дуже мала частина всієї енергії, що містить тіло.

Мал.2

У цьому розділі ми розглядатимемо тільки верхні три «поверхи» зображеної «піраміди енергій», і тому під «внутрішньою енергією» будемо розуміти тільки кінетичну енергію хаотичного руху молекул і потенціальну енергію їхньої взаємодії.

Способи зміни внутрішньої енергії.

З курсу фізики попередніх класів ви знаєте, що внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами (Мал. 3):

Мал. 3

1)за допомогою теплопередачі, тобто без виконання роботи (унаслідок контакту з тілом іншої температури);

2) за допомогою виконання роботи.

Міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти і позначають Кількість теплоти вимірюють у джоулях.

2. Робота газу.

Ø Внутрішня енергія ідеального газу.

Внутрішня енергія ідеального газу обумовлюється лише кінетичною енергією руху молекул; потенціальною енергією їх взаємодії можна знехтувати. Для ідеального газу мама сою m внутрішня енергія розраховується за формулою

R=8,31Дж/моль*К

Ø Робота ідеального газу.

Термодинамічна робота виконується тілами при зміні їхнього об’єму.

Оскільки тверді і рідкі тіла при нагріванні розширюються незначною мірою то незначною є і виконувана ними термодинамічна робота. Роботу в термодинаміці може змінювати тільки газ який значно змінює свій об’єм при нагріванні.

Робота ідеального газу при ізобарному процесі:

3.Перший закон термодинаміки.

Історична довідка.Збереження енергії. Майєр, Джоуль, Гельмгольц.

Першим, хто визначив механічний еквівалент теплоти (в 1842 році), був судновий лікар Рсберт Майєр (1814-1887). Незабаром та ж думка була висунута Джоулем (1818 - 1889) - вченим - любителем, сином багатого пивовара, а також фізіологом і фізиком Гельмгольцем (1821 - 1894), по суті справ, одна і та ж ідея, хоча і не настільки ясно виражена, по - видимому, незалежно приходила в голову, принаймні, ще п'яти іншим фізикам або інженерам. Підхід до неї з боку трьох головних її авторів був принципово різним. Майєра призвели до цієї концепції загальні філософське міркування космічного порядку. Його вразила аналогія між «живою силою» (енергією), що купується тілами, що падають за законом тяжіння, і теплотою, що віддається стисненими газами. Джоуля спочатку привели до цієї ідеї експерименти, метою яких було визначити, якою мірою новий електричний двигун міг стати практичним джерелом енергії. Доводячи неможливість подібного використання такого двигуна, оскільки енергія виходила від спалювання надзвичайно дорогого цинку в батареї, яка давала струм двигуну, він задумався над кількісної еквівалентністю роботи і теплоти.

Свої міркування він у році повідомив Британської асоціації в Корку 1843 року, яка, однак, не приділила їм майже ніякої уваги. Королівське товариство відмовилося опублікувати його доповідь в повному обсязі, і Джоуля довелося домагатися визнання допомогою все більш точних експериментів.

У році Гельмгольц 1847 році, намагаючись застосувати ньютоновой концепцію руху до прямування великого числа тіл, що знаходяться під впливом взаємного тяжіння, показав, що сума сили і напруги, те, що ми назвали б кінетичною і потенційною енергією, залишається постійною. Дане твердження є законом збереження енергії в його найбільш загальному сенсі. Це формулювання важлива була тим, що примиряла нові доктрини теплоти з більш старими доктринами механіки - процес, який був завершений головним чином Вільямом Томсоном (пізніше лорд Кельвін), одним як Джоуля, так і Гельмгольца, в його доповіді «Про динамічної теорії тепла» ( 1851).

Але яким би різним не був їхній підхід до проблеми, всі ці вчені перебували під впливом, швидше прямим, ніж непрямим, настроїв століття пара і, зокрема, паровоза. Як зауважив Майєр, "Локомотив з його потягом може бути порівняний з перегінним апаратом; тепло, розведене під котлом, перетворюється на рух, а таке знову осідає на осях коліс в якості тепла».

Закон збереження енергії - а механічна робота, електрика і теплота являють собою лише різні форми її - був найбільшим фізичним відкриттям середини століття XIX. Він об'єднав багато наук і знаходився у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики - так сказати, золотим стандартом змін, що відбувалися у всесвітом . Те, що було встановлено, являв собою твердий валютний курс для обміну між валютами різноманітних видів енергії: між калоріями теплоти, кілограм-метрами роботи і кіловат - годинами електрики. Вся людська діяльність у цілому - промисловість, транспорт, освітлення і, у кінцевому рахунку, харчування і саме життя - розглядалося з погляду залежності від цього одного загального терміна - енергія.

Позначимо зміну внутрішньої енергії тіла а роботу, виконану над цим тілом, позначимо А. Відповідно до закону збереження енергії

Ø Зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює сумі кількості теплоти, переданого тілу, і роботи, виконаної над тілом:

Закон збереження енергії для теплових явищ називають першим законом, термодинаміки.

Часто використовують і таке формулювання першого закону термодинаміки, у якому отримана тілом кількість теплоти виражається через зміну внутрішньої енергії та роботу, виконану тілом.

Позначимо цю роботу А_r, оскільки в теплових двигунах роботу виконує газ. Робота А_r пов'язана з роботою А, виконаною над тілом, співвідношенням А_г = —А. Тоді перший закон термодинаміки можна сформулювати так:

Ø Кількість теплоти, передана тілу, дорівнює сумі зміни внутрішньої енергії тіла і роботи, виконаної тілом: Q=

Приклади застосування першого закону термодинаміки до різних газових процесів розглянуто далі.

Задачі для розв’язування на занятті: