Vidite kako raketa polijeće. Ona radi posao - podiže astronaute i teret. Kinetička energija rakete se povećava jer kako se raketa diže, ona dobija sve veću brzinu. Povećava se i potencijalna energija rakete, kako se sve više uzdiže iznad Zemlje. Dakle, zbir ovih energija, tj mehanička energija rakete se takođe povećava.

Sjećamo se da kada tijelo radi, njegova energija se smanjuje. Međutim, raketa radi, ali njena energija se ne smanjuje, već se povećava! Koje je rješenje kontradikcije? Ispostavilo se da pored mehaničke energije postoji još jedna vrsta energije - unutrašnja energija. Raketa proizvodi smanjenjem unutrašnje energije gorućeg goriva mehanički rad i, osim toga, povećava njegovu mehaničku energiju.

Ne samo zapaljivo, ali i vruće tijela imaju unutrašnju energiju koja se lako može pretvoriti u mehanički rad. Hajde da napravimo eksperiment. Zagrijte uteg u kipućoj vodi i stavite ga na limenu kutiju pričvršćenu na manometar. Kako se zrak u kutiji zagrije, tekućina u mjeraču tlaka će početi da se kreće (vidi sliku).

Širenje vazduha radi na tečnosti. Zbog koje energije se to dešava? Naravno, zbog unutrašnje energije težine. Stoga, u ovom eksperimentu posmatramo pretvaranje unutrašnje energije tijela u mehanički rad. Imajte na umu da se mehanička energija utega ne mijenja u ovom eksperimentu - uvijek je jednaka nuli.

dakle, unutrašnja energija- to je energija tijela zbog koje se može izvršiti mehanički rad bez smanjenja mehaničke energije ovog tijela.

Unutrašnja energija svakog tijela ovisi o mnogim razlozima: vrsti i stanju njegove tvari, masi i temperaturi tijela i drugim. Sva tela imaju unutrašnju energiju: velika i mala, topla i hladna, čvrsta, tečna i gasovita.

Unutrašnja energija samo, slikovito rečeno, vrućih i zapaljivih tvari i tijela najlakše se može iskoristiti za ljudske potrebe. To su nafta, gas, ugalj, geotermalni izvori u blizini vulkana i tako dalje. Osim toga, u 20. stoljeću čovjek je naučio da koristi unutrašnju energiju takozvanih radioaktivnih supstanci. To su, na primjer, uranijum, plutonijum i drugi.

Pogledajte desnu stranu dijagrama. U popularnoj literaturi se često spominju termička, hemijska, električna, atomska (nuklearna) i druge vrste energije. Svi su oni, u pravilu, vrste unutrašnje energije, jer se zbog njih mehanički rad može izvoditi bez gubitka mehaničke energije. Pojam unutrašnje energije ćemo detaljnije razmotriti u daljem proučavanju fizike.

Energija je opća mjera različitih oblika kretanja materije. Prema oblicima kretanja materije razlikuju se i vrste energije - mehanička, električna, hemijska itd. Svaki termodinamički sistem u bilo kom stanju ima određenu količinu energije, čije je postojanje dokazao R. Clausius (1850) i nazvano je unutrašnjom energijom.

Unutrašnja energija (U) je energija svih vrsta kretanja mikročestica koje čine sistem i energija njihove međusobne interakcije.

Unutrašnja energija se sastoji od energije translacionog, rotacionog i vibracionog kretanja čestica, energije intermolekularnih i intramolekularnih, intraatomskih i intranuklearnih interakcija itd.

Energija intramolekularne interakcije, tj. energija interakcije atoma u molekuli, koja se često naziva hemijsku energiju . Promjena ove energije se dešava tokom hemijskih transformacija.

Za termodinamičku analizu nije potrebno znati od kojih oblika kretanja materije se sastoji unutrašnja energija.

Količina unutrašnje energije zavisi samo od stanja sistema. Shodno tome, unutrašnja energija se može smatrati jednom od karakteristika ovog stanja zajedno sa takvim veličinama kao što su pritisak i temperatura.

Svako stanje sistema odgovara strogo definisanoj vrednosti svakog njegovog svojstva.

Ako homogeni sistem u početnom stanju ima zapreminu V 1, pritisak P 1, temperaturu T 1, unutrašnju energiju U 1, električnu provodljivost æ 1 itd., a u konačnom stanju ova svojstva su respektivno jednaka V 2, P 2 , T 2, U 2, æ 2, itd., tada će promjena svakog svojstva tokom tranzicije sistema iz početnog stanja u konačno stanje biti ista, bez obzira na to na koji način sistem prelazi iz jednog stanja u drugo : prvi, drugi ili treći (sl. 1.4).

Rice. 1.4 Nezavisnost svojstava sistema od njegove tranzitne putanje

iz normalnog stanja u drugo

One. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)

Gdje su brojevi I, II, III itd. naznačiti puteve procesa. Shodno tome, ako se sistem kreće iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) jednom putanjom, a iz konačnog stanja na početku - drugom putanjom, tj. Ako je kružni proces (ciklus) završen, tada će promjena svakog svojstva sistema biti jednaka nuli.

Dakle, promjena funkcije stanja sistema ne zavisi od putanje procesa, već zavisi samo od početnog i konačnog stanja sistema. Infinitezimalna promjena u svojstvima sistema se obično označava diferencijalnim predznakom d. Na primjer, dU je beskonačno mala promjena unutrašnje energije, itd.

Oblici razmjene energije

U skladu sa različitim oblicima kretanja materije i različitim vrstama energije, postoje različiti oblici razmene energije (prenosa energije) – oblici interakcije. Termodinamika razmatra dva oblika razmjene energije između sistema i okoline. Ovo je rad i toplina.

Posao. Najočigledniji oblik razmene energije je mehanički rad, koji odgovara mehaničkom obliku kretanja materije. Nastaje kada se tijelo kreće pod utjecajem mehaničke sile. U skladu sa drugim oblicima kretanja materije, razlikuju se i druge vrste rada: električni, hemijski itd. Rad je oblik prenošenja urednog, organizovanog kretanja, jer kada se radi, čestice tela se kreću organizovano u jednom pravcu. Na primjer, rad obavljen tokom ekspanzije plina. Molekuli gasa koji se nalaze u cilindru ispod klipa su u haotičnom, nesređenom kretanju. Kada plin počne da pomiče klip, odnosno da obavlja mehanički rad, organizirano kretanje će se nadovezati na nasumično kretanje molekula plina: sve molekule dobivaju neki pomak u smjeru kretanja klipa. Električni rad je također povezan s organiziranim kretanjem nabijenih čestica materije u određenom smjeru.

Pošto je rad mjera prenesene energije, njegova količina se mjeri u istim jedinicama kao i energija.

Toplota. Oblik razmjene energije koji odgovara haotičnom kretanju mikročestica koje čine sistem naziva se izmjena toplote, a količina energije koja se prenosi tokom izmjene topline naziva se toplina.

Prijenos topline nije povezan s promjenom položaja tijela koja čine termodinamički sistem, a sastoji se od direktnog prijenosa energije sa molekula jednog tijela na molekule drugog pri njihovom kontaktu.

P Zamislimo izolovanu posudu (sistem) podeljenu na dva dela pregradom AB koja provode toplotu (slika 1.5). Pretpostavimo da se u oba dijela posude nalazi plin.

Rice. 1.5. Za koncept topline

U lijevoj polovini posude temperatura plina je T 1, au desnoj polovini T 2. Ako je T 1 > T 2, tada je prosječna kinetička energija ( ) molekule plina na lijevoj strani posude će biti veće od prosječne kinetičke energije ( ) u desnoj polovini posude.

Kao rezultat kontinuiranih sudara molekula sa pregradom u lijevoj polovini posude, dio njihove energije se prenosi na molekule pregrade. Molekuli plina koji se nalaze u desnoj polovini posude, sudarajući se s pregradom, će dobiti dio energije od njegovih molekula.

Kao rezultat ovih sudara, kinetička energija molekula u lijevoj polovini posude će se smanjiti, au desnoj će se povećati; temperature T 1 i T 2 će se izjednačiti.

Pošto je toplota oblik energije, njena količina se meri u istim jedinicama kao i energija. Dakle, razmjena toplote i rad su oblici razmjene energije, a količina toplote i količina rada mjere su prenesene energije. Razlika između njih je u tome što je toplota oblik prenosa mikrofizičkog, nesređenog kretanja čestica (i, shodno tome, energije tog kretanja), a rad je oblik prenosa energije uređenog, organizovanog kretanja materije.

Ponekad se kaže: toplina (ili rad) se dovodi ili uklanja iz sistema, ali treba shvatiti da se ne dovode ili uklanjaju toplina i rad, već energija, stoga ne treba koristiti izraze kao što su „rezerva topline“ ili „sadržana toplota“.

Budući da su oblici razmene energije (oblici interakcije) sistema sa okolinom, toplota i rad ne mogu biti povezani ni sa jednim specifičnim stanjem sistema, ne mogu biti njegova svojstva, a samim tim ni funkcije njegovog stanja. To znači da ako sistem prijeđe iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) na različite načine, tada će toplina i rad imati različite vrijednosti za različite prelazne puteve (slika 1.6)

Konačne količine toplote i rada su označene sa Q i A, a beskonačno male vrednosti sa δQ i δA, respektivno. Veličine δQ i δA, za razliku od dU, nisu potpuni diferencijal, jer Q i A nisu funkcije stanja.

Kada je put procesa unapred određen, rad i toplota će dobiti svojstva funkcija stanja sistema, tj. njihove numeričke vrijednosti će biti određene samo početnim i konačnim stanjem sistema.

Unutrašnja energija- ovo je energija kretanja i interakcije molekula.

Kinetička energija svih molekula koji čine tijelo i potencijalna energija njihove interakcije su unutrašnja energija tela.

Kada se tijelo zaustavi, mehaničko kretanje prestaje, ali se intenzivira nasumično (toplinsko) kretanje njegovih molekula. Mehanička energija pretvara u unutrašnju energiju tijela

Unutrašnja energijazavisi od telesne temperature, stanja agregacije supstance i drugih faktora.

Unutrašnja energija tela ne zavisi ni od mehaničkog kretanja tela ni od položaja ovog tela u odnosu na druga tela.

Ako uzmemo u obzir kinetičku i potencijalnu energiju jednog molekula, onda je to vrlo mala vrijednost, jer je masa molekula mala. Budući da tijelo sadrži mnogo molekula, unutrašnja energija tijela, jednaka zbiru energija svih molekula, bit će velika.

Načini promjene unutrašnje energije

Kako temperatura raste, unutrašnja energija tijela raste, kako se povećava prosječna brzina kretanja molekula ovog tijela. Kako temperatura pada, naprotiv, unutrašnja energija tijela se smanjuje.

iskustvo: Ako zagrijete bocu gumenim čepom, čep će nakon nekog vremena izletjeti.

Dakle, unutrašnja energija tijela se mijenja kada se promijeni brzina kretanja molekula.

Unutrašnja energija se može menjati na dva načina:

1) obavljanje mehaničkih radova. Unutrašnja energija se povećava ako se radi na tijelu, a smanjuje se ako se radi na tijelu.

2) prenosom toplote (toplotna provodljivost, konvekcija, zračenje). Ako tijelo odaje toplinu, unutrašnja energija se smanjuje, a ako prima toplinu, onda se povećava.

Vrste prijenosa topline. Eksperimenti koji ilustruju vrste prenosa toplote. Prijenos topline u prirodi, tehnologiji, mehanici.

Izmjena topline (prijenos topline) je proces promjene unutrašnje energije koji se dešava bez obavljanja posla.

1)

Toplotna provodljivost - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi s jednog tijela na drugo pri kontaktu ili s jednog njegovog dijela na drugi. Različite supstance imaju različitu toplotnu provodljivost. Toplotna provodljivost metala je visoka, tečnosti manja, a gasova niska. Kod toplotne provodljivosti nema prijenosa materije.

2) Konvekcija- vrsta prenosa toplote u kojoj se energija prenosi mlazovima gasa i tečnosti. Postoje dvije vrste konvekcije: prirodna i prisilna. IN čvrste materije nema konvekcije, jer njihove čestice nemaju veliku pokretljivost. Mnoge manifestacije konvekcije mogu se naći u prirodi i ljudskom životu. Konvekcija također nalazi primjenu u tehnologiji.


3) Zračenje - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi elektromagnetnim valovima. Tijela sa tamnom površinom apsorbiraju i emituju energiju bolje od tijela sa svijetlom površinom. Ovo se koristi u praksi.

* Prilikom razmjene topline, količina predane topline je u apsolutnoj vrijednosti jednaka količini primljene topline, ili je njihov zbir jednak nuli. Ovo se zove nivo toplotne ravnoteže.

Unutrašnja energija svakog tijela povezana je s kretanjem i stanjem čestica (molekula, atoma) materije. Ako je poznato ukupna energija tijelo, onda se ono unutrašnje može pronaći isključujući iz ukupnog kretanja cijelog tijela kao makroskopskog objekta, kao i energiju interakcije ovog tijela sa potencijalnim poljima.

Takođe, unutrašnja energija sadrži energiju vibracija molekula i potencijalnu energiju međumolekulske interakcije. Ako govorimo o idealnom gasu, tada glavni doprinos unutrašnjoj energiji daje kinetička komponenta. Ukupna unutrašnja energija jednaka je zbiru energija pojedinačnih čestica.

Kao što je poznato, kinetička energija translacionog kretanja materijalne tačke koja modelira česticu materije jako zavisi od brzine njenog kretanja. Također je vrijedno napomenuti da energija vibracijskih i rotacijskih pokreta ovisi o njihovom intenzitetu.

Zapamtite iz svog kursa molekularne fizike formulu za unutrašnju energiju idealnog monoatomskog gasa. Izražava se kroz zbir kinetičkih komponenti svih gasnih čestica, koji se mogu usrednjavati. Usrednjavanje po svim česticama dovodi do eksplicitne zavisnosti unutrašnje energije od telesne temperature, kao i od broja stepeni slobode čestica.

Konkretno, za jednoatomski idealni gas, čije čestice imaju samo tri stepena slobode translacionog kretanja, ispostavlja se da je unutrašnja energija direktno proporcionalna trostrukom proizvodu Boltzmannove konstante i temperature.

Zavisnost od temperature

Dakle, unutrašnja energija tijela zapravo odražava kinetičku energiju kretanja čestica. Da bismo razumjeli odnos između ove energije i temperature, potrebno je utvrditi fizičko značenje vrijednosti temperature. Ako zagrijete posudu napunjenu plinom i koja ima pomične stijenke, njen volumen će se povećati. To ukazuje da se pritisak iznutra povećao. Pritisak plina nastaje udarom čestica na stijenke posude.

Pošto je pritisak povećan, to znači da je povećana i sila udara, što ukazuje na povećanje brzine kretanja molekula. Dakle, povećanje temperature plina dovelo je do povećanja brzine kretanja molekula. Ovo je suština temperature. Sada postaje jasno da povećanje temperature, što dovodi do povećanja brzine kretanja čestica, povlači za sobom povećanje kinetičke energije unutarmolekularnog kretanja, a time i povećanje unutrašnje energije.

Unutrašnja energija — najvažniji uslov postojanje i karakteristike svega živog i nežive prirode. Da bismo utvrdili njegov značaj u organizaciji života na našoj planeti, podsjetimo se glavnog fizički koncepti termodinamika.

Makroskopska tijela sastoje se od čestica koje se kreću i međusobno djeluju: molekule, atomi, joni. Zauzvrat, atomi i atomska jezgra se također sastoje od čestica koje se kreću i međusobno djeluju.

Kao što je poznato, tijela koja se kreću imaju kinetičku energiju, stoga i čestice (molekule, atomi, joni) koje čine materiju imaju kinetička energija.

Interakciona tijela imaju interakcijsku energiju ili potencijalnu energiju. Budući da čestice materije međusobno djeluju, one imaju potencijalnu energiju.

Posljedično, čestice koje čine makroskopska tijela imaju kinetičku i potencijalnu energiju, njihov zbir je unutrašnja energija makroskopski sistem.

Unutrašnja energija (U) makroskopskog sistema naziva se zbir kinetičke energije (EJ) kretanje njegovih sastavnih čestica (molekula, atoma, jona) i potencijalna energija (EP) njihove interakcije:U =EK+E P.

Jedinica unutrašnje energije je džul (1 J).

Unutrašnja energija uključuje i energiju kretanja i interakcije čestica koje čine atome i jezgra materije, ali se u molekularnoj fizici bave procesima koji se dešavaju kada nije previše visoke temperature i nisu povezani sa transformacijom materije. U ovim procesima, intraatomska i intranuklearna energija se ne mijenja.

Unutrašnja energija, kao i temperatura, pritisak i zapremina ( termodinamičkih parametara), karakteriše stanje sistema. Kada se stanje tijela promijeni, mijenja se i vrijednost unutrašnje energije.

Kao što je poznato, kinetička energija tijela je direktno proporcionalna kvadratu njegove brzine. Kako molekuli imaju različite brzine, a samim tim i različite kinetičke energije, njihovu ukupnost karakterizira prosječna kinetička energija, koja je direktno proporcionalna srednjem kvadratu brzine kretanja molekula:

Ėk = m 0 v̇ 2 / 2.Materijal sa sajta

Budući da je temperatura tijela direktno proporcionalna prosječnoj kinetičkoj energiji njegovih sastavnih čestica, unutrašnja energija tijela ovisi o njegovoj temperaturi, a promjena unutrašnje energije može se suditi po promjeni tjelesne temperature.

Unutrašnja energija tijela također ovisi o njegovom agregacijskom stanju. Dakle, veća je za paru od sto stepeni nego za vodu iste mase na istoj temperaturi. Ovo se objašnjava razlikom u potencijalnim energijama interakcije između molekula pare i vode.

Unutrašnja energija zavisi i od deformacije tela: veća je za deformisano telo nego za nedeformisano.

Treba imati na umu da unutrašnja energija tijela ne zavisi od njegovog kretanja u cjelini i položaja u prostoru. Dakle, vrijednosti unutrašnje energije lopte koja leži na podu i podignuta na određenu visinu su iste pod istim drugim uvjetima.

Pitanja o ovom materijalu: