ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. Подготовила И.А. Боярина

Сумма кинетической энергии хаотического движения всех частиц, входящих в состав данного тела, и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией. В каких процессах и каким образом может изменяться внутренняя энергия? При изменении температуры тела изменяется кинетическая энергия хаотического движения атомов, а также потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул в жидкостях и твёрдых телах. При химических реакциях и изменении агрегатного состояния вещества изменяется потенциальная энергия атомов, входящих в состав молекул. При ядерных реакциях изменяется потенциальная энергия частиц, входящих в состав атомного ядра

В чём проявляется изменение внутренней энергии Пример механического эквивалента Нагревание и охлаждение При изменении температуры изменяется кинетическая энергия хаотического движения молекул, а в жидкости и твёрдом теле – также и потенциальная энергия взаимодействия молекул Чтобы нагреть от комнатной температуры до температуры кипения 1 литр воды, надо затратить столько же энергии, сколько нужно для подъёма легкового автомобиля на 12 этажей Плавление и кристаллизация При разрушении или образовании кристаллической решётки изменяется потенциальная энергия взаимодействия атомов или молекул Чтобы расплавить 1 кг льда, надо затратить столько же энергии, сколько нужно для подъёма легкового автомобиля на 10 этажей Испарение и конденсация При разрыве или образовании связей между молекулами изменяется потенциальная энергия их взаимодействия Чтобы испарить 1 кг воды, надо затратить столько же энергии, сколько нужно для подъёма легкового автомобиля на 70 этажей

В чём проявляется изменение внутренней энергии Пример механического эквивалента Химические реакции, идущие с выделением тепла При перестройке молекул происходит превращение потенциальной энергии взаимодействия атомов в кинетическую энергию хаотического движения молекул При сгорании 1 кг бензина выделяется столько же энергии, сколько нужно для подъёма легкового автомобиля на гору высотой 4, 5 км Ядерные реакции При делении или синтезе атомных ядер происходи превращение потенциальной энергии взаимодействия частиц, входящих в состав атомного ядра, в кинетическую энергию хаотического движения частиц и энергию излучения При полном делении ядер в 1 кг урана выделяется энергия, достаточная для «забрасывания» гружённого железнодорожного состава на Луну

Механическая энергия Кинетическая энергия хаотического движения молекул Потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул Потенциальная энергия частиц, входящих в состав атомного ядра Схематическое изображение различных видов энергии, которыми обладает тело

Q СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ: 1. посредством теплопередачи (при контакте тела с другой температурой; 2. посредством совершения работы (при изменении объёма). ДВИЖЕНИЕ ПОРШНЯ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Изменение внутренней энергии тела равно сумме количества теплоты, переданного телу, и работы, совершённой над телом: U = Q + A Количество теплоты, переданное телу, равно сумме изменения внутренней энергии тела и работы, совершённой телом: Q = U + A «Тепло – это механическая энергия, изменившая свой вид: это энергия движения частиц тела. Когда происходит уничтожение механической энергии, возникает одновременно теплота в количестве, точно равном количеству исчезнувшей энергии. И, наоборот, при исчезновении теплоты всегда возникает механическая энергия. Таким образом, энергия существует в природе в неизменном количестве; она никогда не создаётся и никогда не уничтожается, изменяя только свою форму» Карно, « Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу »

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ В ГАЗАХ Здесь U(T 1 ) и U(T 2 ) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0). В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением A = p(V 2 – V 1 ) = p V Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает: Q = U + p V При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T 2 < T 1 ; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0. В изотермическом процессе (T = const), следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0. Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением Q = A В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно Q = U = U (T 2 ) - U (T 1 ) Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.