Первое начало термодинамики
Слово «термодинамика» произошло от греческих слов термос – теплота, жар и динамикос – сила. Взаимодействие этой области знаний было обусловлено потребностями практики – широким применением тепловых (паровых) машин. Необходимо было выявить закономерности превращения энергии с помощью тепловых машин и показать повышения их КПД. Термодинамика, таким образом, зародилась как наука о движущих силах, возникающих при тепловых процессах, как теория тепловых машин, рассматривая процесс взаимного превращения механической и внутренней энергий. Основные законы взаимопревращений механической и внутренней энергий являются основными законами термодинамики. Основоположником термодинамики считают французского ученого С.Карно. В настоящее время термодинамика – отдельная наука, методы которой применяются не только в физике, но и в химии, биологии и др.
1 Внутренняя энергия тела:
В термодинамике все явления рассматриваются не с точки зрения их механизма, а с точки зрения происходящих в этих явлениях преобразованиях энергии. Первоначально понятие энергии было введено в механике. Как мы уже говорили, существует 2 вида механической энергии – потенциальная и кинетическая. Эти энергии могут превращаться друг в друга. Мы знаем, что тела состоят из молекул, которые двигаются с определенной средней скоростью. Следовательно, они обладают кинетической энергией. Молекулы обладают также и потенциальной энергией, ведь они взаимодействуют друг с другом. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется внутренней энергией. Таким образом, помимо механической существует еще и внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия тела не зависит ни от движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.
2 Внутренняя энергия идеального газа
В идеальном газе силы взаимодействия молекул отсутствуют. Это означает, что потенциальной энергии нет. Таким образом, внутренняя энергия идеального газа представляет собой только сумму значений кинетической энергии хаотического движения всех его молекул.
Так как молекулы идеального газа обладают только поступательным движением, то
Eпост=(3/2)kT
Кинетическая энергия газа прямо пропорционально температуре.
Uкмоль=(3/2)NAkT
NAk=R
Uкмоль=(3/2)RT
Для произвольной массы имеем
U1=(3/2)(m/μ)RT (1)
Если молекула газа состоит из двух жёстко связанных атомов, то молекулы преобразуют ещё и вращательное движение. Поэтому внутренняя энергия идеального газа больше.
U2=(5/2)(m/μ)RT (2)
Если молекула многоатомного газа, то
Uм=3(m/r)RT (3)
Формулы два и три теряют смысл для реальных газов, так как возникает ещё колебание атомов. Почему это не относится к первой? Внутренняя энергия реального газа зависит и от скорости.
3 Способы изменения внутренней энергии
Из школьного курса мы знаем, что работа является мерой превращения энергии. Следовательно, заставив систему совершать работу, мы можем изменить её внутреннюю энергию (при пилке дров пила нагревается). Например:укрепим тонкостенную латунную трубку, в которой налито немного эфира. Трубку плотно закроем пробкой. Трубку обвивают верёвкой, и быстро двигают верёвку. Через некоторое время эфир закипит, и его пары выталкивают пробку. То есть внутренняя энергия эфира увеличилась, он закипел. Увеличение внутренней энергии произошло в результате работы, совершенной при нагревании трубки верёвкой. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, при понижении – уменьшается. Температура меняется при деформации. Внутреннюю энергию тела можно изменить путём совершения работы. Можно изменить внутреннюю энергию и другими способами. Опустим ложку в горячий чай. Со временем ложка нагреется. Температуры ложки и чая выровняются. При этом внутренняя энергия ложки повышается, а чая понижается. Процесс изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передаётся от одних частиц к другим, называется теплопередачей (или теплообменом). Следует, что внутреннюю энергию тела можно изменить теплообменом. Количеством теплоты называют энергию, полученную (или отданную) телом или системой тел в процессе теплообмена.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.