Näete raketti õhku tõusmas. Ta teeb tööd – tõstab astronaute ja koormat. Raketi kineetiline energia suureneb, kuna tõustes omandab rakett aina suurema kiiruse. Samuti suureneb raketi potentsiaalne energia, kui see tõuseb Maast kõrgemale ja kõrgemale. Seetõttu on nende energiate summa, see tähendab suureneb ka raketi mehaaniline energia.

Me mäletame, et kui keha teeb tööd, väheneb selle energia. Rakett aga töötab, kuid selle energia ei vähene, vaid suureneb! Mis on vastuolu lahendus? Selgub, et peale mehaaniline energia on ka teist tüüpi energia - sisemine energia. Just põleva kütuse siseenergia vähenemise tõttu teeb rakett mehaanilist tööd ja lisaks suurendab selle mehaanilist energiat.

Mitte ainult põlev, aga ka kuum kehadel on siseenergia, mida saab kergesti muuta mehaaniliseks tööks. Teeme katse. Kuumutame raskuse keevas vees ja paneme manomeetri külge kinnitatud plekkkarbi peale. Kui õhk karbis soojeneb, hakkab manomeetris olev vedelik liikuma (vt joonist).

Paisuv õhk mõjutab vedelikku. Millise energiaga see juhtub? Seda muidugi kaalu sisemise energia tõttu. Seetõttu jälgime selles kogemuses keha siseenergia muutmine mehaaniliseks tööks. Pange tähele, et raskuse mehaaniline energia selles katses ei muutu - see on alati võrdne nulliga.

Niisiis, sisemine energia- see on selline keha energia, mille tõttu saab teha mehaanilist tööd, põhjustamata seejuures selle keha mehaanilise energia vähenemist.

Sisemine energia iga keha sõltub paljudest põhjustest: selle aine liik ja olek, kehamass ja temperatuur ning muud. Kõigil kehadel on siseenergia: suur ja väike, kuum ja külm, tahke, vedel ja gaasiline.

Kõige kergemini saab inimese vajadusteks kasutada ainult siseenergiat, piltlikult öeldes kuumi ja tuleohtlikke aineid ja kehasid. Need on nafta, gaas, kivisüsi, vulkaanide lähedal asuvad geotermilised allikad jne. Lisaks õppis inimene 20. sajandil kasutama nn radioaktiivsete ainete siseenergiat. Need on näiteks uraan, plutoonium jt.

Heitke pilk diagrammi paremale küljele. Populaarses kirjanduses mainitakse sageli soojus-, keemia-, elektri-, aatomi- (tuuma-) ja muid energialiike. Kõik need on reeglina siseenergia sordid, kuna nende tõttu saab mehaanilist tööd teha ilma mehaanilist energiat kaotamata. Siseenergia mõistet käsitleme üksikasjalikumalt füüsika edasises uurimises.

Sisemine energia

Molekulaarkineetilise teooria seisukohast sisemine energia(J) on summa potentsiaalne energia keha moodustavate osakeste vastastikmõju ja nende juhusliku soojusliikumise kineetiline energia. Osakeste korratu liikumise kineetiline energia on võrdeline temperatuuriga T, potentsiaalne vastasmõju energia sõltub osakeste vahelisest kaugusest, s.o. keha mahul V. Seetõttu defineeritakse termodünaamikas keha siseenergia U temperatuuri T ja ruumala V funktsioonina.

Mis tahes protsesside puhul isoleeritud termodünaamilises süsteemis jääb siseenergia muutumatuks: või.

Siseenergia määrab süsteemi termodünaamiline olek ja see ei sõltu sellest, kuidas süsteem sellesse olekusse sattus. Järelikult ei seostata siseenergiat süsteemi oleku muutumise protsessiga. Süsteemi kahes või enamas identses olekus on selle siseenergia sama.

Praktilist huvi ei paku mitte sisemine energia ise, vaid selle muutumine süsteemi üleminekul ühest olekust teise. Kui molekulide interaktsiooni potentsiaalne energia on null, võrdub ideaalse gaasi siseenergia kõigi selle molekulide liikumisenergiate summaga. Ideaalse gaasi siseenergia on otseselt võrdeline selle absoluutse temperatuuriga. Järelikult, kui ideaalse gaasi temperatuur muutub, muutub selle siseenergia tingimata.

kus R on universaalne gaasikonstant, M on molaarmass, T on absoluutne temperatuur, m on mass ja molekulide arv.

Siseenergia sõltuvus makroskoopilistest parameetritest

Ideaalse gaasi siseenergia sõltub ühest parameetrist – temperatuurist. Ideaalse gaasi siseenergia ei sõltu mahust, sest selle molekulide potentsiaalset vastasmõju loetakse nulliks.

Päris gaaside, vedelike ja tahked ained molekulide vastasmõju keskmine potentsiaalne energia ei ole võrdne nulliga. Molekulide interaktsiooni keskmine potentsiaalne energia sõltub aine mahust, kuna ruumala muutumisel muutub molekulide keskmine kaugus. Järelikult sõltub siseenergia termodünaamikas üldjuhul koos temperatuuriga T mahust V.

Makroskoopiliste kehade siseenergia U määravad üheselt kindlaks nende kehade olekut iseloomustavad parameetrid: temperatuur ja maht.

Töö termodünaamikas

Siseenergiat saab muuta kahel viisil: töö tegemisega, kui siseenergia muutub välisjõudude A tööga võrdses ulatuses, ja soojusülekandega, mille puhul siseenergia muutust iseloomustab soojushulk Q.

Kui töö on tehtud, muutub keha maht ja selle kiirus jääb nulliks. Kuid keha molekulide, näiteks gaasi, kiirused muutuvad. Seetõttu muutub ka kehatemperatuur.

Niisiis muutub termodünaamika alase töö tegemisel makroskoopiliste kehade olek: muutuvad nende maht ja temperatuur.

Töö arvestus:

F "on jõud, millega gaas surub kolvile;

F on jõud, millega kolb surub gaasile;

A "- gaasi poolt väliskehadele tehtud töö;

A on väliskehade poolt gaasiga tehtud töö.

1.gaas paisub

kus on helitugevuse muutus.

Gaas kannab energiat ümbritsevatele kehadele ja jahtub.

2. gaas surutakse kokku

Gaas saab energiat välistest kehadest ja soojeneb. Miinusmärk näitab, et kui gaas on kokku surutud, millal, siis on välisjõu töö positiivne.

Igal makroskoopilisel kehal on energiat oma mikrooleku tõttu. See energiat helistas sisemine(näidatud U). See võrdub keha moodustavate mikroosakeste liikumise ja vastasmõju energiaga. Niisiis, sisemine energia ideaalne gaas koosneb kõigi selle molekulide kineetilisest energiast, kuna nende vastastikmõju võib sel juhul tähelepanuta jätta. Seetõttu tema sisemine energia sõltub ainult gaasi temperatuurist ( U ~T).

Ideaalne gaasimudel eeldab, et molekulid asuvad üksteisest mitme läbimõõdu kaugusel. Seetõttu on nende interaktsiooni energia palju väiksem kui liikumise energia ja seda võib ignoreerida.

Päris gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes ei saa tähelepanuta jätta mikroosakeste (aatomite, molekulide, ioonide jne) vastasmõju, kuna see mõjutab oluliselt nende omadusi. Seetõttu nende sisemine energia koosneb mikroosakeste soojusliikumise kineetilisest energiast ja nende vastasmõju potentsiaalsest energiast. Nende sisemine energia, välja arvatud temperatuur T, oleneb ka helitugevusest V, kuna ruumala muutus mõjutab aatomite ja molekulide vahelist kaugust ning järelikult ka nende omavahelise interaktsiooni potentsiaalset energiat.

Sisemine energia See on keha seisundi funktsioon, mille määrab selle temperatuurTja V köide.

Sisemine energia üheselt määratud temperatuurigaT ja keha maht V, iseloomustades selle olekut:U =U (TV)

To muuta sisemist energiat keha, peate tegelikult muutma kas mikroosakeste soojusliikumise kineetilist energiat või nende vastasmõju potentsiaalset energiat (või mõlemat koos). Nagu teate, saab seda teha kahel viisil - soojusvahetuse või tööd tehes. Esimesel juhul tekib see teatud koguse soojuse ülekandmise tõttu Q; teises - töö sooritamise tõttu A.

Sellel viisil, soojushulk ja tehtud töö on keha siseenergia muutuse mõõt:

Δ U =Q +A.

Siseenergia muutus toimub organismi poolt antud või vastuvõetud teatud soojushulga või töö tegemise tõttu.

Kui toimub ainult soojusvahetus, siis muutus sisemine energia tekib teatud koguse soojuse vastuvõtmisel või eraldamisel: Δ U =K. Keha soojendamisel või jahutamisel on see võrdne:

Δ U =K = cm (T 2 - T 1) =cmΔT.

Kui tahked ained sulavad või kristalliseeruvad sisemine energia muutused mikroosakeste interaktsiooni potentsiaalse energia muutumise tõttu, kuna toimuvad aine struktuuris struktuursed muutused. Sel juhul on siseenergia muutus võrdne keha sulamissoojuse (kristalliseerumise) soojusega: Δ U -Q pl =λ m, kus λ - tahke aine sulamis- (kristalliseerumise) erisoojus.

Muutuse põhjustab ka vedelike aurustumine või auru kondenseerumine sisemine energia, mis on võrdne aurustumissoojusega: Δ U =Q p =rm, kus r- vedeliku erisoojus (kondensatsioon).

Muutus sisemine energia kere mehaanilise töö tegemise tõttu (ilma soojusülekandeta) on arvuliselt võrdne selle töö väärtusega: Δ U =A.

Kui siseenergia muutus toimub soojusülekande tõttu, siisΔ U =Q =cm (T 2 -T 1),võiΔ U = Q pl = λ m,võiΔ U =Kn =rm.

Seega, molekulaarfüüsika seisukohalt: Materjal saidilt

Keha sisemine energia on aatomite, molekulide või muude osakeste, millest see koosneb, soojusliikumise kineetilise energia ja nendevahelise interaktsiooni potentsiaalse energia summa; termodünaamilisest vaatenurgast on see keha (kehade süsteemi) seisundi funktsioon, mis on üheselt määratud selle makroparameetrite - temperatuurigaTja V köide.

Sellel viisil, sisemine energia Kas süsteemi energia, mis sõltub selle sisemisest olekust. See koosneb kõigi süsteemi mikroosakeste (molekulid, aatomid, ioonid, elektronid jne) soojusliikumise energiast ja nende vastasmõju energiast. Siseenergia koguväärtust on praktiliselt võimatu määrata, seetõttu arvutatakse siseenergia muutus Δ U, mis tekib soojusülekande ja töö teostamise tõttu.

Keha siseenergia on võrdne soojusliikumise kineetilise energia ja selle koostises olevate mikroosakeste potentsiaalse interaktsioonienergia summaga.

Sellel lehel on materjal teemadel:

• Süsteemi siseenergia molekulaarkineetiline tõlgendamine

• Lühisõnum "keha siseenergia kasutamisest"

• Mis määrab tahke aine siseenergia

• Keha siseenergia muutmise viis Lühikokkuvõte

• Kõikides meid ümbritsevates makroskoopilistes kehades on osakesed: aatomid või molekulid. Olles pidevas liikumises, omavad nad samaaegselt kahte tüüpi energiat: kineetiline ja potentsiaalne ning moodustavad keha siseenergia:

  U = ∑ Е k + ∑ Е p

  See kontseptsioon hõlmab ka elektronide, prootonite, neutronite vastastikmõju energiat.

  Kas sisemist energiat on võimalik muuta

  Selle muutmiseks on 3 võimalust:

  • soojusülekande protsessi tõttu;
  • mehaaniliste tööde tegemisega;
  • keemiliste reaktsioonide läbiviimisel.

  Vaatleme kõiki võimalusi üksikasjalikumalt.

  

  Kui tööd teeb keha ise, siis hakkab tema siseenergia vähenema ja kui keha kallal tööd teha, siis siseenergia suureneb.

  Lihtsaimad näited energia suurendamisest on hõõrdumise teel tule tekitamine:

  • tinderi kasutamine;
  • tulekivi kasutamine;
  • vasteid kasutades.

  

  Temperatuurimuutustega seotud termiliste protsessidega kaasnevad ka siseenergia muutused. Kui soojendate keha, suureneb selle energia.

  

  Keemiliste reaktsioonide tulemuseks on üksteisest struktuuri ja koostise poolest erinevate ainete muundumine. Näiteks kütuse põlemise protsessis tekib pärast vesiniku ühendamist hapnikuga süsinikmonooksiid. Vesinikkloriidhappe ühinemisel tsingiga eraldub vesinik ja vesiniku põlemise tulemusena veeaur.

  Keha siseenergia muutub ka elektronide ülemineku tõttu ühelt elektronkihilt teisele.

  Kehade energia - sõltuvus ja omadused

  Siseenergia on keha termilise oleku tunnusjoon. See sõltub:

  • agregatsiooni olek ja muutused keemise ja aurustumise, kristalliseerumise või kondenseerumise, sulamise või sublimatsiooni käigus;
  • kehakaal;
  • kehatemperatuur, mis iseloomustab osakeste kineetilist energiat;
  • omamoodi aine.

  Monatoomilise ideaalgaasi siseenergia

  Ideaalis koosneb see energia iga osakese kineetilisest energiast, mis liigub juhuslikult ja pidevalt, ja nende vastasmõju potentsiaalsest energiast konkreetses kehas. See juhtub temperatuurimuutuse tõttu, mida kinnitavad Joule'i katsed.

  Monatoomilise gaasi siseenergia arvutamiseks kasutage võrrandit:

  Kus, olenevalt temperatuurimuutusest, muutub siseenergia (temperatuuri tõustes suureneb ja temperatuuri langusega väheneb). Siseenergia on oleku funktsioon.

  Sisemine energia- kõigi elusate ja elutute kehade olemasolu ja omaduste kõige olulisem tingimus. Et teha kindlaks selle tähtsus meie planeedi elukorralduses, tuletagem meelde termodünaamika füüsikalisi põhimõisteid.

  Makroskoopilised kehad koosnevad liikuvatest ja interakteeruvatest osakestest: molekulid, aatomid, ioonid... Omakorda koosnevad ka aatomid ja aatomite tuumad liikuvatest ja vastastikku mõjutavatest osakestest.

  Teatavasti on liikuvatel kehadel kineetiline energia, seetõttu on ainet moodustavatel osakestel (molekulid, aatomid, ioonid) ka kineetiline energia.

  Interaktsioonis olevatel kehadel on vastasmõju energia ehk potentsiaalne energia. Kuna aineosakesed interakteeruvad üksteisega, on neil potentsiaalne energia.

  Järelikult on makroskoopilisi kehasid moodustavatel osakestel kineetiline ja potentsiaalne energia, nende summa on sisemine energia makroskoopiline süsteem.

  Sisemine energia (UMakroskoopilist süsteemi nimetatakse kineetilise energia summaks (EK) selle koostisosade (molekulid, aatomid, ioonid) liikumine ja potentsiaalne energia (EP) nende vastasmõju:U =E K +E P.

  Siseenergia mõõtmise ühik on džaul (1 J).

  Siseenergia hõlmab ka aine aatomeid ja tuumasid moodustavate osakeste liikumis- ja vastastikmõju, kuid molekulaarfüüsikas tegelevad need protsessidega, mis toimuvad mitte liiga kõrgetel temperatuuridel ega ole seotud aine muundumisega. Nendes protsessides aatomisisene ja tuumasisene energia ei muutu.

  Siseenergia, samuti temperatuur, rõhk ja maht ( termodünaamilised parameetrid), iseloomustab süsteemi olekut. Kui keha seisund muutub, muutub ka siseenergia väärtus.

  Nagu teate, on keha kineetiline energia otseselt võrdeline selle kiiruse ruuduga. Kuna molekulidel on erinevad kiirused ja seega ka erinevad kineetilised energiad, iseloomustab nende kogumit keskmine kineetiline energia, mis on otseselt võrdeline molekulide kiiruse keskmise ruuduga:

  Ėk = m 0 v̇ 2 / 2.Materjal saidilt

  Kuna keha temperatuur on otseselt võrdeline selle koostisosade osakeste keskmise kineetilise energiaga, siis keha siseenergia oleneb tema temperatuurist ning siseenergia muutust saab hinnata keha temperatuuri muutuse järgi.

  Keha siseenergia oleneb ka selle agregatsiooniseisundist. Seega on see rohkem kraadises aurus kui sama massiga vees samal temperatuuril. See on tingitud auru- ja veemolekulide interaktsiooni potentsiaalsete energiate erinevusest.

  Siseenergia oleneb ka keha deformatsioonist: see on deformeerunud kehal suurem kui deformeerimata kehal.

  Tuleb meeles pidada, et keha siseenergia ei sõltu selle liikumisest tervikuna ja ruumis paiknemisest. Seega on põrandal lebava ja teatud kõrgusele tõstetud palli siseenergia väärtused samadel muudel tingimustel samad.

  Küsimused selle materjali kohta: