Внутрішня енергія- це енергія руху та взаємодії молекул.

Кінетична енергія всіх молекул, з яких складається тіло, і потенційна енергія їхньої взаємодії складають внутрішню енергію тіла.

При зупинці тіла механічний рух припиняється, проте посилюється безладний (тепловий) рух його молекул. Механічна енергія перетворюється на внутрішню енергію тіла

Внутрішня енергіязалежить від температури тіла, агрегатного стану речовини та інших факторів.

Внутрішня енергія тіла залежить ні від механічного руху тіла, ні від становища цього тіла щодо інших тіл.

Якщо розглядати кінетичну та потенційну енергію однієї молекули, то це дуже маленька величина, адже маса молекули мала. Оскільки в тілі міститься безліч молекул, то внутрішня енергія тіла, що дорівнює сумі енергій усіх молекул, буде великою.

Способи зміни внутрішньої енергії

У разі підвищення температури внутрішня енергія тіла збільшується, оскільки збільшується середня швидкістьрух молекул цього тіла. Зі зниженням температури, навпаки, внутрішня енергія тіла зменшується.

Досвід:якщо нагріти пляшку з гумовою пробкою, пробка через деякий час вилетить.

Таким чином, внутрішня енергія тіла змінюється за зміни швидкості руху молекул.

Внутрішню енергію можна змінити двома способами:

1) роблячи механічну роботу. Внутрішня енергія збільшується, якщо над тілом виконують роботу, а зменшується, якщо тіло виконує роботу.

2) шляхом теплопередачі (теплопровідністю, конвекцією, випромінюванням). Якщо тіло віддає тепло, то внутрішня енергія зменшується, і якщо приймає тепло, вона збільшується.

Види теплопередачі. Досліди, що ілюструють види теплопередач. Теплопередача у природі, техніці, механіці.

Теплообмін (теплопередача)- це процес зміни внутрішньої енергії, що відбувається без роботи.

1)

Теплопровідність - вид теплопередачі, при якому енергія передається від одного тіла до іншого при зіткненні або від однієї частини до іншої. Різні речовини мають різну теплопровідність. Теплопровідність у металів більша, у рідин - менше, у газів - низька. При теплопровідності немає переносу речовини.

2) Конвекція- вид теплопередачі, при якому енергія переноситься струменями газу та рідини. Існує два види конвекції: природна та вимушена. У твердих тілах конвекції немає, тому що їх частки не мають великої рухливості. Багато проявів конвекції можна виявити у природі та житті людини. Конвекція також знаходить застосування у техніці.

3) Випромінювання - вид теплопередачі, у якому енергія переноситься електромагнітними хвилями. Тіла з темною поверхнею краще поглинають та випромінюють енергію, ніж тіла, що мають світлу поверхню. Це використовується практично.

* При теплообміні кількість відданої теплоти дорівнює по модулю кількості отриманої теплоти, або їх сума дорівнює нулю. Це називається рівнем теплового балансу.

Ви бачите ракету, що злітає. Вона здійснює роботу – піднімає космонавтів та вантаж. Кінетична енергія ракети зростає,оскільки в міру підйому ракета набуває все більшої швидкості. Потенційна енергія ракети також зростає,тому що вона все вище піднімається над Землею. Отже, сума цих енергій, тобто механічна енергія ракети теж збільшується.

Ми пам'ятаємо, що з виконанні тілом роботи його енергія зменшується. Проте ракета здійснює роботу, та її енергія не зменшується, а збільшується! У чому розгадка протиріччя? Виявляється, що окрім механічної енергії існує ще один вид енергії – внутрішня енергія.Саме за рахунок зменшення внутрішньої енергії палива, що згорає, ракета здійснює механічну роботу і, крім того, збільшує свою механічну енергію.

Не тільки горючі, але і гарячітіла мають внутрішню енергію, яку легко перетворити на механічну роботу. Зробимо досвід. Нагріємо в окропі гирю і поставимо на жерстяну коробочку, приєднану до манометра. У міру того, як повітря в коробочці буде прогріватися, рідина в манометрі почне рухатися (див. малюнок).

Повітря, що розширюється, здійснює над рідиною роботу. За рахунок якої енергії це відбувається? Зрозуміло, рахунок внутрішньої енергії гирі. Отже, у цьому досвіді ми спостерігаємо перетворення внутрішньої енергії тіла на механічну роботу.Зауважимо, що механічна енергія гирі у цьому досвіді не змінюється – вона постійно дорівнює нулю.

Отже, внутрішня енергія- Це така енергія тіла, за рахунок якої може відбуватися механічна робота, при цьому не викликаючи втрат механічної енергії цього тіла.

Внутрішня енергія будь-якого тіла залежить від безлічі причин: роду та стану його речовини, маси та температури тіла та інших. Внутрішню енергію мають всі тіла: великі і маленькі, гарячі і холодні, тверді, рідкі і газоподібні.

Найбільш легко на потреби людини може бути використана внутрішня енергія лише, образно кажучи, гарячих та горючих речовин та тіл. Це нафта, газ, вугілля, геотермальні джерела поблизу вулканів тощо. Крім того, у XX столітті людина навчилася використовувати і внутрішню енергію про радіоактивні речовини. Це, наприклад, уран, плутоній та інші.

Погляньте на праву частину схеми. У популярній літературі нерідко згадуються теплова, хімічна, електрична, атомна (ядерна) та інші види енергії. Усі вони, зазвичай, є різновидами внутрішньої енергії, оскільки рахунок них може відбуватися механічна робота, не викликаючи у своїй втрати механічної енергії. Поняття внутрішньої енергії ми розглянемо докладніше за подальшого вивчення фізики.

Внутрішня енергія будь-якого тіла пов'язана з рухом та станом частинок (молекул, атомів) речовини. Якщо відома повна енергія тіла, то внутрішню можна знайти, виключивши з повного руху всього тіла як макроскопічного об'єкта, а також енергію взаємодії даного тілаіз потенційними полями.

Також внутрішня енергія містить у собі енергію коливань молекул та потенційну енергію міжмолекулярної взаємодії. Якщо йдеться про ідеальний газ, то основний внесок у внутрішню енергію дає кінетична складова. Повна внутрішня енергія дорівнює сумі енергій окремих частинок.

Як відомо, кінетична енергія поступального руху матеріальної точки, що моделює частинку речовини, залежить від швидкості її руху. Також варто зауважити, що і енергія коливальних та обертальних рухів залежить від їхньої інтенсивності.

Згадайте з курсу молекулярної фізики формулу внутрішньої енергії ідеального одноатомного газу. Вона виражається через суму кінетичних складових всіх частинок газу, яку можна усереднити. Усереднення по всіх частинках призводить до явної залежності внутрішньої енергії від температури тіла, а також кількості ступенів свободи частинок.

Зокрема, для одноатомного ідеального газу, частинки якого мають лише три ступені свободи поступального руху, внутрішня енергія виявляється прямо пропорційною трьом другим творам постійної Больцмана і температури.

Залежність від температури

Отже, внутрішня енергія тіла фактично відображає кінетичну енергію руху частинок. Щоб зрозуміти, який зв'язок даної енергії з температурою, необхідно визначити фізичний зміст величини температури. Якщо нагріти посудину, заповнену газом і має пересувні стінки, його обсяг збільшиться. Це говорить про те, що тиск усередині збільшився. Тиск газу створюється за рахунок ударів частинок об стінки судини.

Якщо тиск збільшився, значить, збільшилася і сила удару, що говорить про зростання швидкості руху молекул. Таким чином, збільшення температури газу спричинило збільшення швидкості руху молекул. У цьому полягає суть величини температури. Тепер стає ясно, що збільшення температури, що призводить до зростання швидкості руху частинок, тягне за собою збільшення кінетичної енергіївнутрішньомолекулярного руху, отже, і збільшення внутрішньої енергії.

Всі навколишні макроскопічні тіла у своєму складі мають частинки: атоми або молекули. Перебуваючи в постійному русі, вони одночасно мають два види енергії: кінетичну і потенційну і формують внутрішню енергію тіла:

U = ∑ Е k +∑ Е p

До цього поняття входить також енергія взаємодії друг з одним електронів, протонів, нейтронів.

Чи можлива зміна внутрішньої енергії

Існує 3 способи її зміни:

• завдяки процесу теплопередачі;
• шляхом здійснення механічної роботи;
• за допомогою хімічних реакцій.

Розглянемо докладніше всі варіанти.

Якщо роботу здійснюватиме саме тіло, то його внутрішня енергія зменшуватиметься, а коли роботу виконують над тілом, внутрішня його енергія збільшуватиметься.

Найпростішими прикладами збільшення енергії є випадки добування вогню за допомогою тертя:

• із застосуванням трута;
• за допомогою кресала;
• з використанням сірників.

Теплові процеси, пов'язані із змінами температури, також супроводжуються змінами внутрішньої енергії. Якщо нагрівати тіло, його енергія зростатиме.

Результатом хімічних реакцій є перетворення речовин, які відмінні один від одного будовою та складом. Наприклад, у процесі горіння палива після з'єднання водню з киснем утворюється оксид вуглецю. При з'єднанні соляної кислоти з цинком виділиться водень, а в результаті горіння водню виділиться водяна пара.

Внутрішня енергія тіла змінюватиметься і через переход електронів з однієї електронної оболонки на іншу.

Енергія тіл — залежність та характеристики

Внутрішня енергія є характеристикою теплового стану тіла. Вона залежить від:

• агрегатного стану, і змінюється при кипінні та випаровуванні, кристалізації або конденсації, плавленні або сублімації;
• маси тіла;
• температури тіла, що характеризує кінетичну енергію частинок;
• роду речовини.

Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу

Ця енергія, в ідеалі, складається з кінетичних енергій кожної частки, яка безладно і безперервно рухається, і потенційної енергіїїх взаємодії у межах конкретного тіла. Це відбувається завдяки зміні температури, що підтверджують проведені експерименти Джоуля.

Для розрахунку внутрішньої енергії одноатомного газу користуються рівнянням:

Де в залежності від зміни температури змінюватиметься внутрішня енергія (зростатиме зі збільшенням температури, і зменшуватиметься з її зменшенням). Внутрішня енергія – це функція стану.

Будь-яке макроскопічне тіло має енер-гію, обумовлену його мікростаном Ця енергіяназивається внутрішньої(позначається U). Вона дорівнює енергії руху та взаємодії мікрочастинок, з яких складається тіло. Так, внутрішня енергія ідеального газускладається з кінетичної енергії всіх його молекул, оскільки їх взаємодією в даному випадку можна знехтувати. Тому його внутрішня енергіязалежить лише від температури газу ( U ~T).

Модель ідеального газу передбачає, що молекули знаходяться на відстані кількох діаметрів один від одного. Тому енергія їх взаємодії набагато менша за енергію руху і її можна не враховувати.

У реальних газів, рідин і твердих тіл взаємодією мікрочастинок (атомів, молекул, іонів тощо) нехтувати не можна, оскільки воно суттєво впливає на їх властивості. Тому їх внутрішня енергіяскладається з кінетичної енергії теплового руху мікрочастинок та потенційної енергії їхньої взаємодії. Їхня внутрішня енергія, крім температури T,буде залежати також від обсягу V,оскільки зміна обсягу впливає на відстань між атомами і молекулами, а, отже, і на потенційну енергію їх взаємодії між собою.

Внутрішня енергія - це функція стану тіла, яка визначається його температуроюTта обсягом V.

Внутрішня енергія однозначно визначається температуроюT і об'ємом тіла V, що характеризують його стан:U =U(T, V)

Щоб змінити внутрішню енергіюті-ла, потрібно фактично змінити або кінетичну енергію теплового руху мікрочастинок, або потенційну енергію їх взаємодії (або й ту й іншу разом). Як відомо, це можна зробити двома способами - шляхом теплообміну або внаслідок виконання роботи. У першому випадку це відбувається за рахунок передачі певної кількості теплоти Q;у другому - внаслідок виконання роботи A.

Таким чином, кількість теплоти та виконана робота є мірою зміни внутрішньої енергії тіла:

Δ U =Q +A.

Зміна внутрішньої енергії відбувається за рахунок відданого або отриманого тілом деякої кількості теплоти або внаслідок виконання роботи.

Якщо має місце лише теплообмін, то зміна внутрішньої енергіївідбувається шляхом отримання чи віддачі певної кількості теплоти: Δ U =Q.При нагріванні або охолодженні тіла воно дорівнює:

Δ U =Q = cm(T 2 - Т 1) =cmΔT.

При плавленні або кристалізації твердих тіл внутрішня енергіязмінюється за рахунок зміни потенційної енергії взаємодії мікрочастинок, адже відбуваються структурні зміни будови речовини. У даному випадку зміна внутрішньої енергії дорівнює теплоті плавлення (кристалізації) тіла: Δ U -Q пл =λ m,де λ - Питома теплота плавлення (кристалізації) твердого тіла.

Випаровування рідин або конденсація пари також викликає зміну внутрішньої енергії, яка дорівнює теплоті пароутворення: Δ U =Q п =rm,де r- Питома теплова пароутворення (конденсації) рідини.

Зміна внутрішньої енергіїтіла внаслідок виконання механічної роботи (без теплообміну) чисельно дорівнює значенню цієї роботи: Δ U =A.

Якщо зміна внутрішньої енергії відбувається внаслідок теплообміну, тоΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),абоΔ U = Q пл = λ m,абоΔ U =Qп =rm.

Отже, з погляду молекулярної фізики: Матеріал із сайту

Внутрішня енергія тіла є сумою кінетичної енергії теплового руху атомів, молекул або інших частинок, з яких воно складається, і потенційної енергії взаємодії між ними; з термодинамічної точки зору вона є функцією стану тіла (системи тіл), яка однозначно визначається його макропараметрами – температуроюTі об'ємом V.

Таким чином, внутрішня енергія- Це енергія системи, яка залежить від її внутрішнього стану. Вона складається з енергії теплового руху всіх мікро-часток системи (молекул, атомів, іонів, електронів тощо) і енергії їх взаємодії. Повне значення внутрішньої енергії визначити практично неможливо, тому обчислюють зміну внутрішньої енергії Δ U,яке відбувається внаслідок теплопередачі та виконання роботи.

Внутрішня енергія тіла дорівнює сумі кінетичної енергії теплового руху і потенційної енергії взаємодії складових його мікрочастинок.

На цій сторінці матеріал за темами:

• Молекулярно-кінетичне тлумачення внутрішньої енергії системи

• Коротке повідомлення "про використання внутрішньої енергії тіла"

• Від чого залежить внутрішня енергія твердого тіла

• Спосіб зміни внутрішньої енергії тіла короткий конспект