Внутренняя энергия
2.8.2Функция состояния
Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от ¾предыстории¿ системы, т. е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.
Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.
Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:
совершение механической работы;
теплопередача.
Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудьили поставить наогонь :-)Рассмотрим эти способы подробнее.
2.8.3Изменение внутренней энергии: совершение работы
Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.
Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.
Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.
Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы работу совершили молоток и сила трения о доску.
Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается. Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется
и поднимает некий груз, совершая тем самым работу9. В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.
Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либовнешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.
2.8.4Изменение внутренней энергии: теплопередача
Теплопередача это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы. Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом.
9Процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным. Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики.
studfiles.net
Богданов К.Ю. – учебник по физике для 10 класса
§ 28. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА. ФОРМУЛА ДЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА.
Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии теплового движения его атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия между собой.
Во многих случаях механическая энергия тела, являющаяся суммой его кинетической и потенциальной энергии (см. §17), изменяется. Например, мяч, катящийся по полю, замедляется, а сосулька, упавшая с крыши, разбивается о землю и превращается в несколько неподвижных осколков. Когда мяч катится по полю, он преодолевает силу трения, совершая работу, в результате чего его кинетическая энергия уменьшается на величину совершённой работы, а вместе с ней – и скорость. Работа против силы трения приводит к различным деформациям вдоль траектории мяча, его нагреву, а также к нагреву всего того, чего он касался при движении. Механическая энергия ударившейся о землю сосульки частично расходуется на работу, необходимую для того, чтобы расколоть ее на куски, а остальная часть энергии тратится на деформацию этих осколков и участка земли, на который они упали. Ну, а если эти осколки скользили по земле прежде, чем остановиться, то часть механической энергии превратилась и в тепло.
Так как энергия не может исчезать или возникать из неоткуда, то уменьшение механической энергии движущегося мяча и падающей сосульки означает, что механическая энергия переходит в какой-то другой вид энергии, зависящий от внутреннего состояния тела – его температуры, энергии связи между его частями и т.п. Этот вид энергии тела называют его внутренней энергией
Внутренняя энергия тела увеличивается при нагреве, так как с ростом температуры кинетическая энергия молекул тоже растёт. Вторым слагаемым внутренней энергии является потенциальная энергия связей между частицами тела, т.к. эти частицы притягиваются друг к другу, чем и обеспечивается его целостность (рис. 28). Поэтому, внутреннюю энергию тела можно изменить, если сжать, растянуть или даже раздробить его, совершая, таким образом, работу над телом.
Однако внутренняя энергия тела зависит не только от его температуры, действующих на него сил и степени раздробленности. При плавлении, затвердевании, конденсации и испарении, т.е. при изменении
Очевидно, что внутренняя энергия тела должна быть пропорциональна его объёму и равна сумме кинетической и потенциальной энергии всех молекул и атомов, из которых состоит это тело. К сожалению, для большинства веществ величины кинетической и потенциальной энергии молекул неизвестны, и поэтому вычислить значение внутренней энергии соответствующих тел не представляется возможным. В то же время, идеальный газ устроен очень просто и состоит из молекул, не взаимодействующих между собой, а значит, потенциальная энергия из взаимодействия равна нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения его атомов или молекул и может быть вычислена довольно просто следующим образом.
Пусть газ одноатомный, т.е. состоит из отдельных атомов, а не молекул, например, любой из инертных газов. Тогда кинетическая энергия атомов этого газа равна кинетической энергии их поступательного движения, так как вращательное отсутствует. Поэтому для вычисления внутренней энергии,
Как следует из (28.1), внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре и не зависит от других макроскопических параметров газа – его давления и объёма. Таким образом, сжимая газ в изотермических условиях, мы не изменяем его внутренней энергии.
Вопросы для повторения:
· Дайте определение внутренней энергии тела?
· Как внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния и температуры?
· Как зависит внутренняя энергия идеального газа от его температуры, давления и объёма.
Рис. 28. Схематическое изображение внутренней энергии воды в стакане, состоящей из кинетической энергии движения её молекул (верх) и потенциальной энергии из взаимодействия (низ).
kaf-fiz-1586.narod.ru
Внутренней энергии идеального одноатомного газа
Приложение №1
Составить из карточек с буквами формулу для внутренней энергии идеального одноатомного газа, используя мел для математических знаков.
Выразить из получившейся формулы массу газа.
Составить из карточек с буквами формулу для изменения внутренней энергии идеального одноатомного газа, используя мел для математических знаков.
Выразить из получившейся формулы изменение температуры.
Приложение № 2
Знание и умение преобразовывать формулы:
Вариант 1 Вариант 2
| Формула | Выразить из формулы | Формула | Выразить из формулы |
| Внутренней энергии идеального одноатомного газа | Абсолютную температуру | Изменения внутренней энергии идеального двух атомного газа | Массу газа |
| Работы газа | Давление | Количества теплоты при парообразовании и конденсации | Удельную теплоту парообразования |
| Количества теплоты при нагревании и охлаждении | Массу | Уравнения Клапейрона-Менделеева | Абсолютную температуру |
Ф. И._________________ Ф. И._________________
Знание и умение преобразовывать формул: Знание и умение преобразовывать формул:
Вариант 1 Вариант 2
| Формула | Выразить из формулы | Формула | Выразить из формулы |
| Внутренней энергии идеального одноатомного газа | Абсолютную температуру | Изменения внутренней энергии идеального двух атомного газа | Массу газа |
| Работы газа | Давление | Количества теплоты при парообразовании и конденсации | Удельную теплоту парообразования |
| Количества теплоты при нагревании и охлаждении | Массу | Уравнения Клапейрона-Менделеева | Абсолютную температуру |
Ф. И._________________ Ф. И._________________
Знание и умение преобразовывать формул: Знание и умение преобразовывать формул:
Вариант 1 Вариант 2
| Формула | Выразить из формулы | Формула | Выразить из формулы |
| Внутренней энергии идеального одноатомного газа | Абсолютную температуру | Изменения внутренней энергии идеального двух атомного газа | Массу газа |
| Работы газа | Давление | Количества теплоты при парообразовании и конденсации | Удельную теплоту парообразования |
| Количества теплоты при нагревании и охлаждении | Массу | Уравнения Клапейрона-Менделеева | Абсолютную температуру |
Приложение № 3
Ф И. __________________________________________________ класс________
ВАРИАНТ №1
1. Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при изотермическом сжатии?
А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется. Г. Ответ неоднозначен.
2. Какое выражение соответствует I закону термодинамики для изохорного процесса?
А. ΔU=Q. Б. ΔU=A. В. ΔU=0. Г. Q= -A.
3. Чему равно изменение внутренней энергии газа, если ему передано количество теплоты 300 Дж, а внешние силы совершили над ним работу 500 Дж?
А. 200Дж, Б. 300Дж, В. 500Дж, Г. 800Дж.
4. Состояние идеального газа изменилось в соответствии с графиками на Р-V диаграмме. В каком случае изменение внутренней энергии больше? (см. рисунок)
А. в первом. Б. во втором. В. в обоих случаях одинаково. Г. ответ не однозначен.
Р, Па Р, Па
2 2 2 _______ 2
1 1_______ 1 1
____________________ ______________________
0 1 2 V,м3 0 1 2 V,м3
первый случай второй случай
5. В цилиндре компрессора адиабатно сжимают 2 моля кислорода. При этом совершается работа 8,31 кДж. Найдите, на сколько повысится температура газа.
Ф И. __________________________________________________ класс________
ВАРИАНТ №2
Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при изотермическом расширении?
А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется. Г. Ответ неоднозначен.
2. Какое выражение соответствует I закону термодинамики в адиабатном процессе?
А. ΔU=Q. Б. ΔU= -A. В. ΔU=0. Г. Q= -A.
3. Чему равно изменение внутренней энергии газа, если ему передано количество теплоты 500 Дж, а внешние силы совершили над ним работу 300 Дж?
А. 200Дж, Б. 300Дж, В. 500Дж, Г. 800Дж.
4. Состояние идеального газа изменилось в соответствии с графиками на Р-V диаграмме. В каком случае работа, совершаемая газом, больше? (см. рисунок)
А. в первом. Б. во втором. В. в обоих случаях одинаково. Г. ответ не однозначен.
Р, Па Р, Па
2 2 2 _______ 2
1 1_______ 1 1
____________________ ______________________
0 1 2 V,м3 0 1 2 V,м3
первый случай второй случай
5. При адиабатном сжатии азота совершается работа 0,831 кДж, при этом температура газа повышается на 20К. Найдите количество вещества данного газа.
Приложение № 4
Ф. И. ______________________________________
Создать на рабочем столе свою папку.
Выйти в Интернет и перейти по ссылке http://www.afportal.ru/physics/test/online/termo4
Решив предложенный тест, сохранить его результаты в своей папке.
Ф. И. ______________________________________
Создать на рабочем столе свою папку.
Выйти в Интернет и перейти по ссылке http://www.afportal.ru/physics/test/online/termo4
Решив предложенный тест, сохранить его результаты в своей папке.
Ф. И. ______________________________________
Создать на рабочем столе свою папку.
Выйти в Интернет и перейти по ссылке http://www.afportal.ru/physics/test/online/termo3
Решив предложенный тест, сохранить его результаты в своей папке.
Ф. И. ______________________________________
Создать на рабочем столе свою папку.
Выйти в Интернет и перейти по ссылке http://www.afportal.ru/physics/test/online/termo3
Решив предложенный тест, сохранить его результаты в своей папке.
Решив
moyamatem.ru
Урок по физике на тему “Внутренняя энергия идеального газа” (10 класс)
Тема: Внутренняя энергия идеального газа
Цель урока: повторить понятия внутренней энергии, идеального газа, вывести формулу для определения внутренней энергии идеального газа, рассмотреть изменение внутренней энергии во всех изопроцессах , происходящих в идеальном газе.
Ход урока
Организационный момент
Деятельность учителя
Предполагаемая деятельность учащихся
Здравствуйте, девчонки! Садитесь!
Сегодня у нас очередной урок физике. Вы готовы окунуться в мир физике на 45 минут?
Какие цели мы ставим на данном уроке, и какие задачи мы будем решать?
Цели: изучение новой темы, применение полученных знаний при решении задач. Задачи: развитие творческих и исследовательских способностей, повышение интереса к физике.
Повторение изученного материла. Проверка домашнего задания (13-15 мин).
Деятельность учителя
Предполагаемая деятельность учащихся
Сегодня проверка изученного материала и будет следующим образом.
Очередность высвечивания заданий и их проверка.
2. Проверка решения качественных задач.
3. проверка количественных задач
4. Проверка графических задач
5.Проверка работ виртуальной лаборатории
6. видео ролик эксперимента
Вопрос: почему вода в цилиндре поднимается? Причина подъема воды?
-Сегодня мы с вами рассмотрим внутреннюю энергию и изменение внутренней энергии в термодинамике.
Значит тема нашего урока?
Пишем сегодняшнее число и тему урока «Внутренняя энергия идеального газа»
1. группа 3-4 учащиеся выполняют экспериментальную работу. Проверка закона Гей-Люссака. Оборудование: термометр, горящая вода, холодная вода, цилиндр, пластилин, 2 стакана, линейка. Минивидеоролик эксперимента. Вычисления фото и видео передаем в Viber.
2. 1 -2 ученика должны составить вычислительную задачу средней сложности на применение газовых законов, сфотографировать и передать в Viber.
3. 1 -2 ученика должны в интернете найти качественную задачу на тему газовые законы и решить, Передать Viber.
4. 1 -2 ученика должны составить в график изопроцессов в V=V(Т) и перечертить в Р=Р(V). Чертежи нарисовать на доске.
5. 1 -2 ученика должны выполнить работу по виртуальной лаборатории. СПбГУ
6. Остальные выполняют тестовые задания, по завершению которой включаются в работу по проверке выполненного задания другими учащимися, представленные на доске.
– Уменьшение температуры воздуха внутри цилиндра;
– Внутренняя энергия
Изучение нового материала (13-15 мин).
Деятельность учителя
Предполагаемая деятельность учащихся
– Что такое внутренняя энергия?
– Идеальный газ?
-Свойства идеального газа
Вывод формулы внутренней энергии одноатомного идеального газа.
Формула внутренней энергии для одноатомного идеального газа. Одноатомные газы: гелий, неон, аргон.
Формула внутренней энергии для двухатомного идеального газа. Двухатомные газы: кислород, водород, азот
Формула внутренней энергии для многоатомного идеального газа. Многоатомные газы: углекислый газ, пар и т.д
Общая формула внутренней энергии идеального газа:
– Какие изопроцессы мы с вами рассматривали, и определите изменение внутренней энергии в этих процессах.
– Внутренняя энергия – потенциальная и кинетическая энергии всех молекул данного тела
– Идеальный газ – это газ, межмолекулярные взаимодействия которого пренебрежимо мало.
– 1) межмолекулярные взаимодей-ствия отсутствуют: потенциальная энергия молекул идеального газа равна нулю;
2) взаимодействия происходят только при их соударениях, удары абсолютно упругие;
3) молекулы идеального газа – материальные точки
Отвечают на вопросы, участвуют в выводе формулы
Делают записи, расписывают физические величины
– Изотермический процесс:
– Изобарный процесс:
– Изохорный процесс:
4. Закрепление изученного материала (15-17 мин)
Деятельность учителя
Предполагаемая деятельность учащихся
Задача:
Воздух массой 15 кг нагрели от температуры 100оС до температуры 250оС при постоянном давлении. Найдите изменение его внутренней энергии?
Учащиеся получают на электронную почту тест и решают задачи из теста самостоятельно
После завершения теста, ответы в автоматическом режиме высвечиваются на компьютере учителя
1 ученик оформляет решение задачи на доске. При решении применяется формула изменения внутренней энергии.
Учащиеся открывают почту решают тестовые задания.
5. Подведение итогов. Домашнее задание.
1Тест. Газовые законы
* Обязательно
Фамилия и имя *
В каком агрегатном состоянии вещества его молекулы хаотично движутся со средней скоростью 100 м/с *
в газообразном и жидком
только в газообразном
в жидком и твердом
в газообразном и твердом
Разряженный углекислый газ изобарно расширяется. Масса газа постоянна. Как надо изменить абсолютную температуру газа, чтобы увеличить его объем в 4 раза? *
повысить в 16 раз
повысить в 4 раза
понизить в 16 раз
понизить в 4 раза
Из стеклянного сосуда выпускают сжатый воздух, одновременно нагревая сосуд. При этом абсолютная температура воздуха в сосуде повысилась в 2 раза, а его давление увеличилось в 3 раза. Масса воздуха в сосуде уменьшилась в *
6 раз
3 раза
1,5 раза
2 раза
Согласно современным представлениям ядро атома углерода состоит из… *
электронов и протонов
нейтронов и позитронов
одних протонов
протонов и нейтронов
В баллоне находится 36*10^26 молекул газа. Какое примерно количество вещества в баллоне? *
6 моль
36 моль
6 кмоль
36 кмоль
Начало формы
Фамилия и имя
В каком из представленных примеров механическая энергия превращается во внутреннюю?
Кипение воды на газовой конфорке
попадание пули в мишень
двигатель внутреннего сгорания
нагревание металлической проволоки в пламени костра
Вариант 5
10 моль разряженного гелия находится в сосуде при давлении выше атмосферного. Как изменится внутренняя энергия газа, если в сосуде сделать небольшое отверстие и его температуру поддерживать постоянной
увеличится
уменьшится
не изменится
Как изменится внутренняя энергия воды в процессе ее нагревания от 25 С до 50 С?
не изменится, т.к. не образуется кристаллическая решетка
не изменяется, т.к. вода не кипит
растет, т.к. температура увеличивается
убывает, т.к. температура увеличивается
Идеальный газ изобарно сжимают. Как при этом изменяется внутренняя энергия газа?
Как изменилась внутренняя энергия газа при медленном изотермическом сжатии на 0,2 куб.м. газа, находившегося в исходном состоянии под давлением 200 кПа? Ответ округлите до целых чисел.
Конец формы
Начало формы
infourok.ru
Внутренняя энергия | Физика
Из курса физики VII класса известно, что любое макроскопическое тело обладает внутренней энергией.
Понятие внутренней энергии макроскопических тел играет важнейшую роль при исследовании тепловых явлений. Это обусловлено существованием фундаментального закона природы – закона сохранения энергии.
Открытие закона сохранения энергии стало возможным после того, как было доказано, что наряду с механической энергией микроскопические тело обладают еще и внутренней энергией, заключенной внутри самих тел. Эта энергия входит в общий баланс энергетических превращений в природе.
Когда скользящая по льду шайба останавливается под действием силы трения, то ее механическая (кинетическая) энергия не просто исчезает, а передается хаотически движущимся молекулам льда и шайбы. Неровности поверхностей трущихся тел деформируются при движении, и интенсивность хаотического движения молекул возрастает. Оба тела нагреваются, что и означает увеличение их внутренней энергии.
Нетрудно наблюдать обратный переход внутренней энергии в механическую. Если нагревать воду в пробирке, закрытой пробкой, то внутренняя энергия воды начнет возрастать. Вода закипит и давление пара увеличится настолько, что пробка будет выбита и полетит вверх. Кинетическая энергия пробки увеличивается за счет внутренней энергии пара. Расширяясь, водяной пар совершает работу и охлаждается. Его внутренняя энергия при этом уменьшается.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий хаотического движения всех молекул (или атомов) относительно центра масс тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел). Вычислить внутреннюю энергию тела (или ее изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положения друг относительно друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Необходимо поэтому уметь определять внутреннюю энергию (или ее изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерять.
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул. Одноатомными являются инертные газы – гелий, неон, аргон и др. Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.
Так как молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, за исключением коротких интервалов времени, когда они сталкиваются, их потенциальная энергия считается равной нулю. Вся внутренняя энергия идеального газа представляет собой кинетическую энергию теплового движения его молекул.
Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массы m нужно умножить среднюю энергию (2.9) одного атома на число атомов. Это число равно произведению количества вещества на постоянную Авогадро NA (см. § 2, формулы 1.3 и 1.7).
Умножая (2.9) на , получим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа:
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.
Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то его внутренняя энергия также пропорциональна абсолютной температуре, но коэффициент пропорциональности между U и T другой. Объясняется это тем, что сложные молекулы не только движутся поступательно, но и вращаются. Внутренняя энергия таких газов равна сумме энергий поступательного и вращательного движения молекул.
Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потенциальная энергия взаимодействия его молекул считается равной нулю.
У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Правда, для газов она много меньше средней кинетической энергии, но для твердых и жидких тел сравнима с кинетической. Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия в общем случае наряду с температурой T зависит еще и от объема V.
Так как значения макроскопических параметров T, V и других однозначно определяют состояние тел, то, следовательно, они определяют и внутреннюю энергию макроскопических тел.
Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние тел:
U = U(T, V).
Для идеального одноатомного газа это уравнение принимает форму (4.1).
Теперь рассмотрим, в результате каких процессов может меняться внутренняя энергия. Из курса физики VII класса известно, что существует два рода таких процессов совершение работы и передача теплоты. Вначале более детально, чем в VII классе, рассмотрим работу в термодинамике.
phscs.ru