Как пишется внутренняя энергия в физике

Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:

кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
внутриатомная и внутриядерная энергии.

В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела.

Внутренняя энергия — величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения частиц вещества и потенциальной энергии их взаимодействия.

Ч ислом степени свободы называется число независимых переменных, определяющих положение тела в пространстве и обозначается i .

Как видно, положение материальной точки (одноатомной молекулы) задаётся тремя координатами, поэтому она имеет три степени свободы: i = 3

Внутренняя энергия зависит от температуры. Если изменяется температура, значит изменяется внутренняя энергия.

Изменение внутренней энергии

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U2 — U1. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1. При совершении механической работы.

а) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является мерой изменения внутренней энергии тела.

б) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, — проволока нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

2. При помощи теплообмена. Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится, следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его частей.

Изменение внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в газообразном состоянии.

б) Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объема в другие.

в) Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн.

1. Найдите внутреннюю энергию 2 кг водорода при температуре 200 °С.

А) 6,1 кДж; Б) 6,1 МДж; В) 610 000 Дж.

2. Найдите внутреннюю энергию 5 м 3 гелия при давлении 10 5 Па.

А) 7,5 МДж; Б) 7,5 кДж; В) 750 000 Дж.

3. Сравните внутреннюю энергию 32 г кислорода и 2 г водорода при температуре 23 °С.

4. Сравните внутреннюю энергию 1 моля кислорода и 1 моля аргона при одной и той же температуре.

5. От каких величин зависит внутренняя энергия газа?

А) только от Т; Б) только от V; В) от Т и V.

Источник статьи: http://www.sites.google.com/site/opatpofizike/teoria/vnutrennaa-energia

Внутренняя энергия

Примеры внутренней энергии

Если в лабораторную колбу налить немного воды, закрыть ее пробкой и поставить нагреваться на плитке, то через некоторое время пробка выскочит под давлением пара, который образуется в результате кипения воды. То есть будет произведена работа по выталкиванию (перемещению) пробки, хотя весь объем пара (как целое) находился в состоянии покоя. Электрическая энергия перешла в тепло, которое довело воду до точки кипения, и образовавшийся пар (газообразное состояние воды) вытолкнул пробку. На совершение работа была затрачена внутренняя энергия пара.

Рис. 1. Выдавливание пробки из колбы горячими водяными парами.

Откуда берется эта энергия?

Все физические объекты (твердые, жидкие и газообразные) состоят из атомов и молекул, которые находятся в постоянном движении. В газах атомы и молекулы перемещаются внутри всего объема хаотично. В жидкостях длина пробега намного меньше, а в твердом теле молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки. При повышении температуры возрастают скорость перемещения частиц, то есть увеличивается их кинетическая энергия, которая равняется:

Все частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются, отталкиваются), а значит обладают еще и потенциальной энергией E_п. Сумма этих двух энергий является внутренней энергией системы, которую обозначают U:

Рис. 2. Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий молекул.

Скорости молекул в газах сильно зависят от массы молекул и температуры. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул в водороде составляет 1930 м/сек, а в кислороде — 480 м/сек.

Как измерить внутреннюю энергию?

Внутренняя энергия тела может изменяться под воздействием внешней средой либо получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии U. Первый закон термодинамики устанавливает формулу нахождения U:

Величину совершенной работы и полученное (или отданное) тепло можно измерить, а значит можно определить изменение внутренней энергии.

Рис. 3. Способы изменения внутренней энергии.

Молекулярная внутренняя энергия идеального газа

Идеальным газом называют такую среду, в которой расстояния между молекулами настолько велики, что друг с другом они не взаимодействуют, а значит внутренняя энергия газа представляет собой только сумму кинетических энергий всех молекул. Для такой модели удается получить формулу для вычисления внутренней энергии U:

M — молярная масса газа, кг/моль;

R — универсальная газовая постоянная, R = 8,3144598 Дж/(моль*К).

Из этой формулы следует, что внутренняя энергия идеального газа U зависит только от температуры.

Реальные физические объекты (газов, жидкостей, твердых тел) такая модель не описывает, так как необходимо учитывать энергию взаимодействия между частицами. Значит появится зависимость от объема тела.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела. В идеальном газе внутренняя энергия зависит только от температуры. Изменить внутреннюю энергию можно только либо с помощью совершения работы, либо подведения (или отбора) тепла к телу.

Тест по теме

Кинематика
Термодинамика
Динамика
Электричество

Правильный ответ Неправильный ответ Вы и еще 71% ответили правильно 71% ответили правильно на этот вопрос

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 102.

Не понравилось? — Напиши в комментариях, чего не хватает.

Содержание

Примеры внутренней энергии
Откуда берется эта энергия?
Как измерить внутреннюю энергию?
Молекулярная внутренняя энергия идеального газа
Что мы узнали?

Бонус

По многочисленным просьбам теперь можно: сохранять все свои результаты, получать баллы и участвовать в общем рейтинге.

1. Сергей Наумов 258
2. Игорь Проскуренко 249
3. Igor S 219
4. Даниил Васильев 169
5. aleqsandr sagrishvili 149
6. Михаил Азрапкин 142
7. Ульяна Потапкина 136
8. Алсу Сакаева 118
9. Der Pro 113
10. Елизавета Анчербак 106

1. Кристина Волосочева 19,120
2. Ekaterina 18,721
3. Юлия Бронникова 18,580
4. Darth Vader 17,856
5. Алина Сайбель 16,787
6. Мария Николаевна 15,775
7. Лариса Самодурова 15,735
8. Игорь Проскуренко 15,468
9. Liza 15,165
10. TorkMen 14,876

Самые активные участники недели:

1. Виктория Нойманн — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
2. Bulat Sadykov — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
3. Дарья Волкова — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Три счастливчика, которые прошли хотя бы 1 тест:

1. Наталья Старостина — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
2. Николай З — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
3. Давид Мельников — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Карты электронные(код), они будут отправлены в ближайшие дни сообщением Вконтакте или электронным письмом.

Источник статьи: http://obrazovaka.ru/fizika/vnutrennyaya-energiya-fizicheskaya-velichina.html

Формула внутренней энергии

Определение и формула внутренней энергии

Внутренней энергией тела (системы) называют энергию, которая связана со всеми видами движения и взаимодействия частиц, составляющих тело (систему), включая энергию взаимодействия и движения сложных частиц.

Из выше сказанного следует, что к внутренней энергии не относят кинетическую энергию движения центра масс системы и потенциальную энергию системы, вызванную действием внешних сил. Это энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы.

Внутреннюю энергию чаще всего обозначают буквой U. При этом бесконечно малое ее изменение станет обозначаться dU. Считается, что dU является положительной величиной, если внутренняя энергия системы растет, соответственно, внутренняя энергия отрицательна, если внутренняя энергия уменьшается.

Внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого отдельного тела плюс энергия взаимодействия между телами внутри системы.

Внутренняя энергия – функция состояния системы. Это означает, что изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от способа перехода (вида термодинамического процесса при переходе) системы и равно разности внутренних энергий конечного и начального состояний:

Для кругового процесса полное изменение внутренней энергии системы равно нулю:

Для системы, на которую не действуют внешние силы и находящуюся в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия – полная энергия системы.

Внутренняя энергия может быть определена только с точностью до некоторого постоянного слагаемого (U₀), которое не определимо методами термодинамики. Однако, данный факт не существенен, так как при использовании термодинамического анализа, имеют дело с изменениями внутренней энергии, а не абсолютными ее величинами. Часто U_0 полагают равным нулю. При этом в качестве внутренней энергии рассматривают ее составляющие, которые изменяются в предлагаемых обстоятельствах.

Внутреннюю энергию считают ограниченной и ее граница (нижняя) соответствует T=0K.

Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его абсолютной температуры (T) и пропорциональна массе:

где C_V – теплоемкость газа в изохорном процессе; c_V — удельная теплоемкость газа в изохорном процессе; – внутренняя энергия, приходящаяся на единицу массы газа при абсолютном нуле температур. Или:

i – число степеней свободы молекулы идеального газа, v – число молей газа, R=8,31 Дж/(моль•К) – универсальная газовая постоянная.

Первое начало термодинамики

Как известно первое начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из формулировок, которую предложил К. Каратеодори говорит о существовании внутренней энергии как составляющей полной энергии системы.Она является функцией состояния, в простых системах зависящей от объема (V), давления (p), масс веществ (m_i), которые составляют данную систему: . В формулировке, которую дал Каратеодори внутренняя энергия не является характеристической функцией своих независимых переменных.

В более привычных формулировках первого начала термодинамики, например, формулировке Гельмгольца внутренняя энергия системы вводится как физическая характеристика системы. При этом поведение системы определено законом сохранения энергии. Гельмгольц не определяет внутреннюю энергию как функцию конкретных параметров состояния системы:

– изменение внутренней энергии в равновесном процессе, Q – количество теплоты, которое получила система в рассматриваемом процессе, A – работа, которую система совершила.

Единицы измерения внутренней энергии

Основной единицей измерения внутренней энергии в системе СИ является: [U]=Дж

Примеры решения задач

Задание. Вычислите, на какую величину изменится внутренняя энергия гелия имеющего массу 0,1 кг, если его температура увеличилась на 20С.

Решение. При решении задачи считаем гелий одноатомным идеальным газом, тогда для расчетов можно применить формулу:

Так как мы имеем с одноатомным газом, то , молярную массу () возьмем из таблицы Менделеева ( кг/моль). Масса газа в представленном процессе не изменяется, следовательно, изменение внутренней энергии равно:

где

Все величины необходимые для вычислений имеются:

(Дж)

Ответ. (Дж)

Задание. Идеальный газ расширили в соответствии с законом, который изображен графиком на рис.1. от начального объема V₀. При расширении объем сал равен . Каково приращение внутренней энергии газа в заданном процессе? Коэффициент адиабаты равен .