Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 33. Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії тіла

  • Внутрішня енергія
  • Способи зміни внутрішньої енергії тіла

ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ. Загальні властивості термодинамічних систем та закони збереження енергії в них вивчає термодинаміка — наука про взаємні перетворення теплоти та інших форм енергії.

Термодинаміка є основою сучасних технологій зі створення різноманітних теплових машин, кріогенних установок для одержання зріджених газів, а також використовується у фізиці надпровідності, плазми, для опису еволюції Всесвіту.

В основу термодинаміки покладено поняття внутрішньої енергії (U). Поряд із механічною макроскопічні тіла мають ще й внутрішню енергію (енергію всередині цих тіл). Ця енергія входить до балансу енергетичних перетворень у природі.

З погляду МКТ речовини внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичних енергій безперервного теплового руху всіх молекул (атомів) відносно центру мас тіла і потенціальних енергій їх взаємодії між собою.

Встановимо залежність між внутрішньою енергією ідеального одноатомного газу і його макроскопічними параметрами.

де m — маса всього газу; М — молярна маса; R — універсальна газова стала; Т — термодинамічна температура; р — тиск газу; V — об’єм газу.

Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу пропорційна температурі й не залежить від об’єму та інших макропараметрів.

Зміна внутрішньої енергії певної маси ідеального газу здійснюється лише внаслідок зміни його температури Т:

Якщо газ не одноатомний, то його молекули не лише рухаються поступально, а й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального рухів.

У реальних газах, рідинах і твердих тілах середня потенціальна енергія взаємодії молекул не дорівнює нулю, тому їхня внутрішня енергія залежить від об’єму речовини й температури.

СПОСОБИ ЗМІНИ ВНУТРІШНЬОЇ ЕНЕРГІЇ ТІЛ. Із базового курсу фізики ви знаєте, що внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити двома способами: виконанням роботи та теплопередачею.

Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може здійснюватися такими способами:

  • 1) теплопровідністю;
  • 2) конвекцією;
  • 3) випромінюванням.

Механізм теплопровідності обумовлений хаотичним рухом і взаємодією молекул речовини (мал. 33.1).

Мал. 33.1. Механізм теплопровідності

Конвекція — теплообмін, який здійснюється під час перемішування нерівномірно нагрітих шарів рідини або газу (мал. 33.2).

Мал. 33.2. Механізм конвекції

Теплове випромінювання (або променевий теплообмін) здійснюється усіма без винятку тілами за рахунок випромінювання власної внутрішньої енергії в енергію електромагнітного випромінювання і навпаки, перетворення поглинутої енергії у внутрішню.

Інший спосіб зміни внутрішньої енергії тіла — виконання механічної роботи. Внутрішня енергія може змінюватись не лише під час теплообміну, а й під час виконання механічної роботи. Наприклад, під час свердління металевої деталі свердло і деталь нагріваються; нагрівається пилка під час розпилювання деревини тощо. Під час тертя, і взагалі за будь-якого опору руху, механічна енергія перетворюється у внутрішню.

Головне в цьому параграфі

Внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичних енергій безперервного теплового руху всіх молекул (атомів) відносно центру мас тіла і потенціальних енергій їх взаємодії між собою.

Змінити внутрішню енергію можна двома способами: виконанням роботи або теплопередачею.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?
  • 2. Виведіть формулу внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу.
  • 3. Моль якого газу — водню чи гелію — за однакової температури має більшу внутрішню енергію?
  • 4. Що називають теплопередачею чи теплообміном?
  • 5. Назвіть види теплообміну та наведіть приклади.

Вправа до § 33

  • 1(с). Визначте внутрішню енергію 10 моль одноатомного газу при температурі 27 °С.
  • 2(д). На скільки змінюється внутрішня енергія 200 г гелію при збільшенні температури на 20 °С?
  • 3(д). Визначте внутрішню енергію гелію, що заповнює аеростат об’ємом 60 м3 при тиску 100 кПа.
  • 4(в). При зменшенні об’єму одноатомного газу в 3,6 раза його тиск збільшився на 20%. У скільки разів змінилася внутрішня енергія?


Підтримати сайт і наші Збройні Сили можна за посиланням на Buy Me a Coffee.