Внутрішня енергія, способи її зміни. Кількість теплоти та робота. Перший закон термодинаміки

 

 

Тіло як система зі складаючих його частинок володіє внутрішньою енергією.

 

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія складається з суми потенціальної енергії взаємодіючих частинок, з яких складається тіло, та кінетичної енергії їх невпорядкованого теплового руху. З молекулярною точки зору вона визначається зміною температури та об’єму тіла.

 

Закон збереження і перетворення енергії в термодинаміці формулюється так: при будь-яких процесах в ізольованій термодинамічній системі внутрішня енергія залишається незмінною.

 

U = const, або ∆ U = 0

 

Розглянемо внутрішню енергію ідеального газу. Вона обумовлена лише кінетичною енергією руху молекул; потенціальною енергією їх взаємодії можна знехтувати.

Таким чином, внутрішня енергія ідеального газу прямо пропорційна добутку тиску р на об'єм V, який займає газ.

 

Існують два засоби зміни внутрішньої енергії:

- теплопередача

- виконання роботи над тілом або самим тілом (наприклад, при терті пробірки виділяється тепло, і розігрітий газ виштовхує пробку)

Внутрішня енергія тіла може змінюватися тільки в результаті його взаємодії тіл ї іншими тілами. При механічній взаємодії тіл мірою енергії, яка передана від одного тіла до іншого, є робота А.

При здійсненні теплопередачі від одного тіла до іншого мірою переданої енергії є кількість теплоти Q.

Здійснення механічної роботи називається макроскопічним засобом передачі енергії, а теплопередача – мікроскопічним засобом.

 

1. Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може відбуватися такими способами:

1) теплопровідність;

2) випромінювання;

3) конвекція (перемішування).

Теплопровідність - вид теплопередачі, при якій 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. Конвекція приводить до виникнення вітру на березі моря.

При випромінюванні теплообмін зумовлений передачею енергії світловими потоками. Цей вид теплопередачі відрізняється від інших тим, що може здійснюватися в повному вакуумі. Випромінюванням передається на Землю і сонячна енергія.

 

2. Термодинамічна робота виконується тілами при зміні їхнього об'єму.

Оскільки тверді й рідкі тіла при нагріванні розширюються незначною мірою, то незначною є і виконувана ними термодинамічна робота. Роботу в термодинаміці може виконувати лише газ, який значно змінює свій об'єм при нагріванні.

 

Робота ідеального газу дорівнює:

А = р (V₂ –V₁) = р∆V

 

Під час розширення газу V₂ > V₁ - робота додатна. Під час стискання газу V₂ < V₁ - робота від’ємна.

 

Кількісну міру зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну називають кількістю теплоти Q.

Кількість теплоти – та частина внутрішньої енергії, яку тіло втрачає чи отримує при теплопередачі.

[Q] = Дж

 

Теплоємністю C тіла називають відношення кількості теплоти Q, потрібної для підвищення його температури від значення Т₁ до значення Т₂, до різниці цих температур ΔТ = Т₂ – Т₁

 

Питома теплоємність тіла С – характеристика речовини, що визначається кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання 1кг речовини на 1 К.

Кількість теплоти, яку необхідно передати тілу при його нагріванні дорівнює:

 

Вимірюється в СІ питома теплоємність Дж/ кг·К.

 

При теплообміні не відбувається перетворення енергії з однієї форми на іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному; теплообмін припиняється при вирівнюванні їхніх температур.

Теплообмін у замкненій системі описується рівнянням теплового балансу:

Q₁ + Q₂ + Q₂+... +Q_п = 0, Q_одерж = Q_відд

Де Q_одерж – сімарна кількість теплоти, одержана тілом при теплообміні;

Q_відд - сумарна кількість теплоти, віддана тілом при теплообміні.

 

У процесі теплообміну на межі між тілами відбувається взаємодія "повільних" молекул холодного тіла і "швидких" гарячого. У результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються і швидкість молекул холодного тіла підвищується, а гарячого - знижується. Кількістю теплоти також називають енергію, яку гаряче тіло передає холодному в результаті теплообміну.

Перший закон термодинаміки є узагальненням закону збереження і перетворення енергії для термодинамічної системи. Він формулюється таким чином:

 

1. зміна внутрішньої енергії ΔU системи дорівнює сумі роботи А, виконаної над системою зовнішніми силами і наданої їй кількості теплоти Q:

 

ΔU = Q + A.

 

Якщо роботу виконує система над зовнішніми тілами, то А´ = - А, тоді

2. Кількість теплоти Q, передана системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії ΔU і на здійснення системою роботи А´ над зовнішніми тілами:

Q = ΔU + A´.

 

Перший закон термодинаміки є узагальненням дослідних фактів. Згідно з цим законом, енергія не може бути створена або знищена; вона передається від однієї системи до іншої і перетворюється з однієї форми в іншу. Важливим наслідком першого закону термодинаміки є твердження про неможливість створення машини, здатної здійснювати корисну роботу без вжитку енергії ззовні і без яких-небудь змін усередині самої машини.