Способы изменения внутренней энергии

Теплообмен. Определение, примеры

Работа. Определение, примеры

Количество теплоты, как мера передачи энергии (уч.10кл.стр.263)

Уменьшение внутренней энергии

Может ли совершаться работа при теплообмене

Удельная теплоемкость

Уравнение теплового баланса

Удельная теплота сгорания. Энергия топлива (уч.8кл.стр.25)

Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплообмен и совершение работы

Теплообмен(теплопередача, конвекция, излучение)– процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.

Количеством теплоты называют так же энергию, которую тело отдает или получает в результате теплообмена.

Количество теплоты, получаемое телом – энергия передаваемая телу извне в результате теплообмена.

При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.

При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты.

При нагревании увеличивается температура и внутренняя энергия тела.

Для уменьшения внутренней энергии тела нужно привести его в контакт с более холодным.

За счет изменения внутренней энергии при теплообмене не может совершаться работа.

За счет совершения работы может происходить увеличение температуры и внутренней энергии системы.

Например, при сжатии поршень передает молекулам часть своей кинетической энергии в результате чего газ нагревается.

Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела: Q = ∆U.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от его массы.

При остывании тело передает окружающим предметам тем больше количества теплоты, чем больше его масса.

Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, чтобы изменить его температуру на одну и туже величину.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое при остывании), зависит от массы тела, от изменения его температуры и рода вещества.

Количество теплоты обозначают – Q

Единица измерения (как вид энергии) – Дж (Джоуль)

Измерять количество теплоты ученые стали задолго до того, как в физике появилось понятие энергии. Тогда была установлена особая единица количества теплоты – кал (калория) (лат. калор – тепло, жар)

Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1оС.

1 кал = 4.19 Дж

1 ккал = 4190 Дж = 4.190 кДж

Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры:

Q = cm∆T (Дж)

Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется удельной теплоемкостью вещества.

Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы изменить его температуру на 1оС, называют удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.

Единица измерения - Дж/(кг*К)

Обозначение – с

Удельная теплоемкость «с» показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях различна.

Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача.

Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания на 1оС при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем при нагревании при постоянном объеме.

Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно, и их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.

При осуществлении теплообмена между двумя телами в условиях равенства нулю работы внешних сил и в тепловой изоляции от других тел, по закону сохранения энергии ΔU1 + ΔU2 = 0.

Если изменение внутренней энергии не сопровождается работой, то ΔU1,

или же Q1 + Q2 = 0, откуда :

c1m1ΔT1+ c2m2ΔT2 = 0

Это уравнение называется уравнением теплового баланса.

Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое при охлаждении, следует удельную теплоемкость умножить на массу тела и на разность между конечной и начальной температурами.

Использование топлива основано на явлении выделения энергии при соединении атомов при окислительно-восстановительных реакциях

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Единица измерения – Дж/кг Обозначение - q

Общее количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива массой m:

Q = q m

РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ(уч.10кл.стр.265-267)

Работа газа при расширении и сжатии (на примере поршня).

Формула работы газа и ее смысл

Работа газа при изопроцессах

Изобарное расширение. График и физический смысл площади под ним.

Изотермическое расширение. График и физический смысл площади под ним.

Формула работа при изотермическом расширении

В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.

В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.

При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа. Причина этого состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия. Поршень передает молекулам часть своей механической энергии.

При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как меняется среднее расстояние между молекулами.

Вычислим работу газа при расширении.

Газ действует на поршень с силой F’= pS,

где p - давление газа, S - площадь поверхности поршня.

При расширении газа поршень смещается в направлении силы F’ на малое расстояние ∆h. Если расстояние мало, то давление газа можно считать постоянным.

Работа газа равна:

A’ = F∆h = S∆h = ∆V,

где ∆h - изменение объема газа.

= F/S – среднее давление

∆V = V1 – V2 = S∆h – изменение объема

В процессе расширения газ совершает положительную работу, так как направление силы и перемещения совпадают.

В процессе расширения газ отдает энергию окружающим телам.

Работа, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы газа только знаком A = A’, так как сила F, действующая на газ, противоположна силе , с которой газ действует на поршень, и равна ей по модулю (третий закон Ньютона); а перемещение остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил равна:

A = - ∆V.

Работа, совершаемая газом, равна произведению среднего давления газа на изменение его объема

A = (V1 –V2)

При расширении ∆V > 0 газ совершает положительную работу, отдавая энергию окружающим телам.

При сжатии ∆V < 0 работа, совершаемая газом, отрицательная. Внутренняя энергия газа при сжатии увеличивается.

Работа, совершаемая газом в процессе его расширения или сжатия при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой, изображающей изменение состояния газа на диаграмме p, V

При изохорном процессе ∆V= 0 работа газом не совершается.

При изотермическом расширении газа его давление изменяется по гиперболическому закону.

 A =  RT ln

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ(уч.10кл.стр.269-273)

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии при тепловых процессах

Формулировка закона через внутреннюю энергию

Физический смысл первого закона термодинамики

Формулировка закона через количество теплоты

Первый закон термодинамики для изопроцессов на примере поршня.

(изотермический, изохорный, изобарный процессы)

Графики процессов и их физический смысл

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса (уч.10кл.стр.273)

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, распространенным на тепловые явления.

Закон сохранения энергии:

энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, а изменяться может лишь внутренняя энергия.

Внутренняя энергия может изменяться двумя способами: теплопередачей и совершением работы.

Первый закон термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил, действующих на нее, и количества теплоты, переданного системе извне.

∆U = Aвн + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа и она не обменивается теплотой с окружающими телами. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

∆U = U2 - U1 = 0

Внутренняя энергия замкнутой, изолированной системы сохраняется.

Работа, совершаемая газом, отличается от работы внешних сил только знаком:

Aвн = -А (т.к. Fвн = -F)

Работа и количество теплоты – характеристики процесса изменения внутренней энергии.

Система обладает определенной внутренней энергией. Но нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Работа и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в результате того или иного процесса.

На основе множества наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики формулируется именно для общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

DU = A + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А = 0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). В этом случае DU = U2 – U1 = 0, или U2 = U1:

Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется)

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А’ системы над внешними телами.

Учитывая что А’ = -А, первый закон термодинамики можно сформулировать так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Q = ∆U + A

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты:

Q = ∆U = RT2 - RT1 = R∆T

i - число степеней свободы молекул газа

Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами.

При изохорном нагревании давление газа возрастает из-за увеличения средней кинетической энергии молекул.

При изотермическом процессе (∆Т=0) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

Q = A

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы.

При изотермическом расширении молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшают свою скорость и соответственно среднюю энергию.

При изотермическом расширении (A>0) и сжатии (A<0) к газу подводят или отводят (Q<0) определенное количество теплоты.

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличение его внутренней энергии (∆U>0) и на совершение работы газом (A>0)

Q = ∆U + A

Для изобарного расширения газа от V1 до V2 , при котором увеличивается его температура, требуется большее количество теплоты, чек при изотермическом процессе, где температура газа не изменяется

Адиабатный процесс – процесс в теплоизолированной системе.

Следовательно, изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы (Q = 0):

∆U = A

Реальные процессы близки к адиабатному, если протекают достаточно быстро, чтобы не успевал происходить теплообмен с окружающей средой.

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается. (Пример: дизель)

При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.(Пример: сжижение газов при быстром расширении)

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ, ИЗОХОРНЫЙ И ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕССЫ(уч.10кл.стр.252-257, 265-267, 270-271)

Изотермический процесс. Закон Бойля-Мариотта. График процесса

Изобарный процесс. Закон Гей-Люссака. График процесса

Изохорный процесс. Закон Шарля. График процесса

См.выше Работа газа при изопроцессах (уч.10кл.стр.265-267)

Первый закон термодинамики для изопроцессов на примере поршня.

(изотермический, изохорный, изобарный процессы)

Графики процессов и их физический смысл

Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами. А процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, - изопроцессами.

Изопроцесс – термодинамический процесс, протекающий в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из макроскопических параметров системы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64