close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої
енергії. Робота термодинамічного процесу. Перший закон термодинаміки.
1. Термодинаміка. Термодинамічна система
Термодинаміка, основоположником якої був французький вчений С. Карно, як
наука сформувалася в першій половині ХІХ ст., її виникнення і розвиток були
зумовлені створенням теплових двигунів. Сьогодні ж термодинаміка — самостійна
наука, методи якої широко застосовуються не тільки в фізиці, а й в хімії, біології та
інших природничих науках.
Термодинаміка — розділ фізики, який вивчає загальні властивості
макроскопічних систем, які перебувають в стані термодинамічної рівноваги.
Вона вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не
розглядає молекулярної будови речовини.
Термодинамічна система — це будь-яка система, яка складається з великої
кількості частинок — атомів, молекул, йонів та електронів, які здійснюють тепловий
хаотичний рух та під час взаємодії обмінюються між собою енергією.
Якщо тіла системи взаємодіють тільки між собою, то така система називається
ізольованою (замкненою). Такими системами є гази, рідини і тверді тіла. Стан
термодинамічної системи зумовлюється температурою, об’ємом, та зовнішнім
тиском.
2. Внутрішня енергія. Способи її зміни
Вивчаючи курс механіки, ми ознайомилися з поняттям механічної енергії і
знаємо, що механічна енергія — це сума кінетичної енергії, зумовленої рухом тіл, і
потенційної енергії, зумовленої їх взаємодією. Якщо тіла взаємодіють за допомогою
сил тяжіння і пружності, то механічна енергія зберігається.
Механічна енергія зменшується, якщо між тілами діє сила тертя ковзання. При
цьому тіла нагріваються, а ми вже знаємо, що підвищення температури означає
збільшення енергії хаотичного руху частинок. Однак механічна енергія може
зменшуватися і без підвищення температури.
Наприклад, якщо терти лід за температури 0 °С, він перетворюватиметься на
воду, температура якої — також 0 °С. На що ж перетворюється при цьому механічна
енергія? Вона перетворюється на потенційну енергію взаємодії молекул. У процесі
перетворення льоду на воду ця потенційна енергія збільшується. Ми говоримо, що в
обох випадках збільшується внутрішня енергія тіла.
Отже, внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх
частинок, що входять до складу тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною.
Якщо йдеться про ідеальний газ, то для нього не розглядається взаємодія
молекул між собою. Отже, внутрішня енергія ідеального газу дорівнює тільки сумі
кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів), з яких він
складається.
i m
Для ідеального газу внутрішня енергія визначається формулою: U 
RT
2M
де U — внутрішня енергія, m — маса газу, i — число ступенів свободи молекул.
Число ступенів свободи — це число незалежних величин, за допомогою яких може
бути задано положення тіла або частинки. Для одноатомного газу i=3 ,
двохатомного i=5 , трьохатомного i=6 і т. д.
Приклади зміни внутрішньої енергії: нагрівання й остигання; плавлення і
кристалізація; випар і конденсація; хімічні реакції; ядерні реакції.
Способи зміни внутрішньої енергії:
1) здійснюючи над тілом роботу (наприклад, якщо стискати газ у
теплоізольованій посудині, то він нагрівається);
2) за допомогою теплопередачі, тобто без здійснення роботи (наприклад,
унаслідок контакту тіл різної температури їх температури вирівнюються, тобто
внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого —
збільшується).
3. Теплопередача, її види
Пропонується учням пригадати, що називають теплопередачею, які види її
існують?
Теплопередачею або теплообміном називається процес передачі енергії від
одного тіла до іншого без здійснення роботи.
Способи теплопередачі: 1) теплопровідність, 2) конвекція, 3) випромінювання.
Теплопровідність — вид теплопередачі, під час якої передавання внутрішньої
енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті і
зумовлена взаємодією атомів і молекул.
Конвекція — вид теплопередачі, при якій внутрішня енергія від одних тіл до
інших передається рухомими струменями рідини чи газу.
Випромінювання — це передача тепла за допомогою електро магнітних хвиль
(світлового потоку).
4. Кількість теплоти
В процесі теплообміну одні тіла віддають, а інші отримують деяку кількість
теплоти. Кількість теплоти позначається символом Q.
Кількість теплоти — це та частина внутрішньої енергії, яку тіло втрачає чи
отримує при теплопередачі.
Це скалярна величина. В СІ вимірюється в джоулях (Дж).
У ході теплообміну не відбувається перетворення енергії з однієї форми в іншу:
частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному; теплообмін
припиняється як тільки їхні температури зрівняються.
Теплообмін у замкненій системі описується рівнянням теплового балансу:
Qодер  Qвід
Qодер , де — сумарна кількість теплоти, одержана тілом при теплообміні;
Qвід — сумарна кількість теплоти, віддана тілом при теплообміні.
5. Робота ідеального газу. Зміна внутрішньої енергії при виконанні роботи
Завдання класу. Дайте означення роботи.
Термодинамічна робота здійснюється тілами в разі зміни їхнього об’єму.
Оскільки тверді й рідкі тіла в ході нагрівання розширюються незначною мірою, то
незначною є і здійснювана ними робота. Роботу в термодинаміці може здійснювати
тільки газ, який під час нагрівання значно змінює свій об’єм.
Робота ідеального газу при ізобарному нагріванні газу є добутком тиску газу на
m
зміну його об’єму: A  pV2  V1   RT1  T2 
M
Графічний зміст роботи газу: робота ідеального чисельно дорівнює площі
фігури, обмеженої графіком залежності р від V, віссю V і ординатами початкового і
кінцевого стану газу.
Демонстрація 1. У товстостінну посудину накачують повітря. Через деякий час
корок вилітає з посудини. Спостерігається утворення туману.
Запитання до класу
1. Під дією яких сил корок вилетів із посудини?
2. Про що свідчить утворення туману?
3. Який висновок можна зробити щодо зміни внутрішньої енергії газу, який
міститься в посудині?
Демонстрація 2. «Повітряне кресало». На дно прозорого циліндра з поршнем
кладуть шматочок вати і різко ударяють по штоку поршня. Вата у циліндрі спалахує
і згоряє.
Запитання до класу.
Що призвело до спалахування вати?
Який висновок можна зробити щодо зміни внутрішньої енергії газу, який
знаходився в циліндрі?
Отже, робимо висновок: якщо газ сам виконує роботу, то його внутрішня
енергія зменшується; якщо робота виконується над газом, то його внутрішня енергія
збільшується.
Роботу, яку виконує система, вважають додатною, а роботу, яку виконують
зовнішні сили над системою,— від’ємною.
6. Поняття адіабатного процесу
Запитання до класу.
Які ізопроцеси нам відомі? За яких сталих параметрах вони протікають?
Нехай газ міститься в посудині з теплоізольованими стінками, через які тепло
не проникає ні в посудину, ні в навколишнє середовище. За таких умов процес, який
протікає в газі, називається адіабатним.
Адіабатним називається процес, який відбувається в термодинамічній системі
без теплообміну з навколишнім середовищем.
На рис. адіабата схожа на ізотерму, але має більш крутий вигин. Це
пояснюється тим, що під час адіабатичного стиснення збільшення тиску газу
зумовлено не тільки зменшенням його об’єму, а й підвищенням температури. При
адіабатичному розширенні температура знижується, при стисненні — підвищується.
7. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону
термодинаміки
Принцип збереження енергії стверджує, що енергія не може бути створена або
зруйнована, але вона може переходити з однієї форми в іншу. Отже, у будь-якій
ізольованій або замкненій системі сума всіх видів енергії залишається незмінною.
Джоуль, Майєр і Гельмгольц довели еквівалентність тепла і роботи, показавши
експериментально, що кожній певній роботі завжди відповідає певна кількість
теплоти.
Робота французького вченого Карно «Міркування про рушійну силу вогню і
про машини, здатні розвивати цю силу» відіграла особливу роль у розвитку
термодинаміки.
Учений писав:
«Тепло — це механічна енергія, що змінила свою форму: це енергія руху
частинок тіла. Коли відбувається знищення механічної енергії, одночасно виникає
теплота в кількості, що точно дорівнює кількості зниклої механічної енергії. І
навпаки, у разі зникнення теплоти завжди виникає механічна енергія. Отже, енергія
існує в природі в незмінній кількості; вона ніколи не створюється й ніколи не
знищується, змінюючи лише свою форму».
Робота Карно була оцінена лише в 1834 р., коли Клапейрон, повторивши
міркування Карно, запровадив графічний метод опису процесів. Теорема Карно
ввійшла в термодинаміку як фундаментальний принцип, а робота Карно, викладена
Клапейроном і надрукована в 1843 р. німецькою мовою, послужила відправним
пунктом для досліджень В. Томсона і Р. Клаузіуса, що завершилися відкриттям
другого начала термодинаміки.
Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища,
називається першим законом термодинаміки.
Зміна внутрішньої енергії U при переході її з одного стану в інший дорівнює
сумі роботи зовнішніх сил A та кількості теплоти Q, переданої системі: U  Q  A
Якщо система сама виконує роботу над зовнішніми тілами, то перший закон
термодинаміки можна сформулювати так: кількість теплоти Q, передана системі,
витрачається на зміну її внутрішньої енергії U і на здійснення системою роботи
над зовнішніми силами A′: Q  U  A
Застосування першого закону термодинаміки різних процесів у газі:
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа