Glavna karakteristika unutrašnjeg stanja fizičkog sistema je njegova unutrašnja energija.

Unutrašnja energija (U) uključuje energiju haotičnog (toplinskog) kretanja svih mikročestica sistema (molekula, atoma, jona itd.) i energiju interakcije ovih čestica, tj. kinetička, potencijalna itd., sa izuzetkom ukupne energije mirovanja svih čestica.

Svojstva unutrašnje energije

1. U stanju termodinamičke ravnoteže, čestice koje čine makroskopska tijela kreću se tako da je njihova ukupna energija uvijek, sa velikom preciznošću, jednaka unutrašnjoj energiji tijela.

2. Unutrašnja energija je funkcija stanja fizičkog sistema.

3. Unutrašnja energija fizičkog sistema ne zavisi od putanje njegovog prelaska iz jednog stanja u drugo, već je određena samo vrednostima unutrašnje energije u početnom i konačnom stanju: D U = U 2 -U 1.

4. Unutrašnju energiju karakteriše svojstvo aditivnosti, tj. jednaka je ukupnoj unutrašnjoj energiji tijela uključenih u sistem.

Napomena: čestice gasa, pored translacionih stepena slobode, imaju i unutrašnje. Na primjer, ako su čestice plina molekule, tada je, osim elektronskog kretanja, moguća i rotacija molekula, kao i vibracije atoma koji čine molekule.

Translatorno kretanje čestica gasa podleže klasičnim zakonima, a njihova unutrašnja kretanja su kvantne prirode. Samo pod određenim uslovima unutrašnji stepeni slobode se mogu smatrati klasičnim.

Za izračunavanje unutrašnje energije idealnog gasa koristi se zakon ekvidistribucije energije preko klasičnih stupnjeva slobode. U slučaju idealnog gasa uzima se u obzir samo kinetička energija translacionog kretanja čestica. Ako su čestice gasa pojedinačni atomi, onda svaka ima tri translaciona stepena slobode.

Dakle, svaki atom ima prosječnu kinetičku energiju:

< e k > =3 kT/2.

Ako se plin sastoji od N atoma, onda je njegova unutrašnja energija

Ako su i vibracijski stepeni slobode molekula pobuđeni, onda je njihov doprinos unutrašnjoj energiji

.

(1.27)

Formula (1.27) uzima u obzir da svako vibraciono kretanje molekula karakteriše prosečna kinetička i prosečna potencijalna energija, koje su međusobno jednake. Dakle, prema zakonu ekvidistribucije energije po stepenima slobode, u prosjeku postoji energija kT po vibracionom stepenu slobode.

Dakle, ako je molekul dvoatomski, onda je ukupan broj stupnjeva slobodei=6. Tri od njih su progresivna (i brzo =3), dvije rotacijske (i vr =2) i jedan oscilatorni (i count =1). Na temperaturama kada su vibracioni stepeni slobode još uvek „zamrznuti“, unutrašnja energija dvoatomskih molekula idealnog gasa .

Ako su vibracioni stepeni slobode „odmrznuti“, onda je unutrašnja energija dvoatomskih molekula idealnog gasa U = U post + U vr + U coll =.

Dakle, unutrašnja energija monoatomskog idealnog gasa je

U=N < e k > = (3/2)NkT,

(1.28)

Gdje< e k > = .

Broj molova gasa n=N/N a = m/M, onda

« Fizika - 10. razred"

Toplotni fenomeni se mogu opisati pomoću veličina (makroskopskih parametara) mjerenih instrumentima kao što su mjerač tlaka i termometar. Ovi uređaji ne reaguju na uticaj pojedinačnih molekula. Teorija toplinskih procesa, koja ne uzima u obzir molekularnu strukturu tijela, naziva se termodinamika. Termodinamika razmatra procese sa stanovišta pretvaranja toplote u druge vrste energije.

Šta je unutrašnja energija.
Koje načine promjene unutrašnje energije poznajete?

Termodinamika je nastala sredinom 19. veka. nakon otkrića zakona održanja energije. Zasnovan je na konceptu unutrašnja energija. Sam naziv „unutrašnji“ implicira razmatranje sistema kao ansambla pokretnih i međudjelujućih molekula. Zadržimo se na pitanju kakva veza postoji između termodinamike i molekularne kinetičke teorije.

Termodinamika i statistička mehanika.

Prva naučna teorija toplotnih procesa nije bila molekularna kinetička teorija, već termodinamika.

Termodinamika je nastala iz proučavanja optimalnih uslova za korišćenje toplote za obavljanje posla. To se dogodilo sredinom 19. stoljeća, mnogo prije nego što je teorija molekularne kinetike dobila opšte priznanje. Istovremeno, dokazano je da, pored mehaničke energije, makroskopska tijela imaju i energiju sadržanu u samim tijelima.

Danas se u nauci i tehnologiji za proučavanje toplotnih fenomena koriste i termodinamika i molekularno-kinetička teorija. U teorijskoj fizici molekularna kinetička teorija se naziva statistička mehanika

Termodinamika i statistička mehanika proučavaju iste fenomene koristeći različite metode i međusobno se dopunjuju.

Termodinamički sistem naziva skupom međusobno povezanih tijela koja razmjenjuju energiju i materiju.

Unutrašnja energija u molekularno-kinetičkoj teoriji.

Glavni koncept u termodinamici je koncept unutrašnje energije.

Unutrašnja energija tela(sistem) je zbir kinetičke energije haotičnog toplotnog kretanja molekula i potencijalne energije njihove interakcije.

Mehanička energija tijela (sistema) kao cjeline nije uključena u unutrašnju energiju. Na primjer, unutrašnja energija plinova u dvije identične posude pod jednakim uvjetima je ista, bez obzira na kretanje posuda i njihovu lokaciju u odnosu jedna na drugu.

Izračunavanje unutrašnje energije tijela (ili njezine promjene), uzimajući u obzir kretanje pojedinih molekula i njihov položaj u odnosu jedan prema drugom, gotovo je nemoguće zbog ogromnog broja molekula u makroskopskim tijelima. Stoga je potrebno moći odrediti vrijednost unutrašnje energije (ili njenu promjenu) u zavisnosti od makroskopskih parametara koji se mogu direktno mjeriti.

Unutrašnja energija idealnog jednoatomnog gasa.

Izračunajmo unutrašnju energiju idealnog jednoatomnog gasa.

Prema modelu, molekuli idealnog plina ne stupaju u interakciju jedni s drugima, stoga je potencijalna energija njihove interakcije nula. Celokupna unutrašnja energija idealnog gasa određena je kinetičkom energijom nasumičnog kretanja njegovih molekula.

Da biste izračunali unutrašnju energiju idealnog jednoatomnog plina mase m, trebate pomnožiti prosječnu kinetičku energiju jednog atoma sa brojem atoma. Uzimajući u obzir da je kN A = R, dobijamo formulu za unutrašnju energiju idealnog gasa:

Unutrašnja energija idealnog jednoatomnog gasa je direktno proporcionalna njegovoj apsolutnoj temperaturi.

Ne zavisi od zapremine i drugih makroskopskih parametara sistema.

Promjena unutrašnje energije idealnog plina

tj. određena je temperaturama početnog i krajnjeg stanja gasa i ne zavisi od procesa.

Ako se idealni gas sastoji od složenijih molekula od monoatomskog, onda je i njegova unutrašnja energija proporcionalna apsolutnoj temperaturi, ali je koeficijent proporcionalnosti između U i T drugačiji. To se objašnjava činjenicom da se složeni molekuli ne samo da se kreću translacijsko, već i rotiraju i osciliraju u odnosu na svoje ravnotežne položaje. Unutrašnja energija takvih gasova jednaka je zbiru energija translacionog, rotacionog i vibracionog kretanja molekula. Posljedično, unutrašnja energija poliatomskog plina je veća od energije jednoatomnog plina na istoj temperaturi.

Ovisnost unutrašnje energije o makroskopskim parametrima.

Utvrdili smo da unutrašnja energija idealnog gasa zavisi od jednog parametra – temperature.

U stvarnim plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima prosječna potencijalna energija interakcije između molekula je nije jednako nuli. Istina, za plinove je mnogo manja od prosječne kinetičke energije molekula, ali za čvrste tvari i tekućine je uporediva s njom.

Prosječna potencijalna energija interakcije između molekula plina ovisi o volumenu tvari, budući da se pri promjeni volumena mijenja i prosječna udaljenost između molekula. Shodno tome, unutrašnja energija realnog gasa u termodinamici u opštem slučaju zavisi, zajedno sa temperaturom T, i od zapremine V.

Da li je moguće reći da unutrašnja energija realnog gasa zavisi od pritiska, na osnovu činjenice da se pritisak može izraziti kroz temperaturu i zapreminu gasa.

Vrijednosti makroskopskih parametara (temperatura T volumena V, itd.) nedvosmisleno određuju stanje tijela. Stoga oni određuju i unutrašnju energiju makroskopskih tijela.

Unutrašnja energija U makroskopskih tijela jedinstveno je određena parametrima koji karakteriziraju stanje ovih tijela: temperaturom i zapreminom.

Predmet: Unutrašnja energija idealnog gasa

Svrha lekcije: ponoviti koncepte unutrašnje energije, idealnog gasa, izvesti formulu za određivanje unutrašnje energije idealnog gasa, razmotriti promjenu unutrašnje energije u svim izoprocesima koji se dešavaju u idealnom plinu.

Tokom nastave

Organiziranje vremena

Aktivnosti nastavnika

Zdravo devojke! Sjedni!

Danas imamo još jedan čas fizike. Jeste li spremni da uronite u svijet fizike na 45 minuta?

Koje ciljeve postavljamo za ovu lekciju i koje ćemo zadatke rješavati?

Ciljevi: proučiti novu temu, primijeniti stečeno znanje u rješavanju problema. Ciljevi: razvoj kreativnih i istraživačkih sposobnosti, povećanje interesovanja za fiziku.

Ponavljanje proučenog materijala. Provjera domaćeg zadatka (13-15 min).

Aktivnosti nastavnika

Predviđene studentske aktivnosti

Danas će test proučenog materijala biti sljedeći.

Redoslijed kojim se zadaci prikazuju i provjeravaju.

1. Provjera testova.

2. Provjera rješenja kvalitativnih problema.

3. provjeravanje kvantitativnih zadataka

4. Provjera grafičkih zadataka

5.Provjera rada virtuelne laboratorije

6. video snimak eksperimenta

Pitanje: Zašto voda u cilindru raste? Razlog za porast vode?

Danas ćemo pogledati unutrašnju energiju i promjenu unutrašnje energije u termodinamici.

Dakle, tema naše lekcije?

Pišemo današnji datum i temu lekcije "Unutarnja energija idealnog gasa"

1. Učenici grupe 3-4 izvode eksperimentalni rad. Provjeravam Gay-Lussacov zakon. Oprema: termometar, goruća voda, hladna voda, cilindar, plastelin, 2 čaše, ravnalo. Mini-video eksperimenta. Prenosimo foto i video proračune naViber.

2. 1-2 studenta moraju izraditi računski problem srednje složenosti o primjeni gasnih zakona, fotografirati i dostavitiViber.

3. 1-2 učenika moraju pronaći kvalitetan problem na internetu na temu gasnih zakona i riješiti, PoložitiViber.

4. 1-2 učenika treba da naprave graf izoprocesa uV= V(T) i ponovo nacrtaj u P=P(V). Nacrtajte crteže na tabli.

5. 1-2 studenta moraju završiti virtuelni laboratorijski rad. SPbSU

6. Ostali rade testne zadatke, po čijem završetku se uključuju u rad provjere urađenog zadatka od strane ostalih učenika predstavljenih na tabli.

Smanjenje temperature vazduha unutar cilindra;

Unutrašnja energija

Učenje novog gradiva (13-15 min).

Aktivnosti nastavnika

Predviđene studentske aktivnosti

Šta je unutrašnja energija?

Idealan gas?

Svojstva idealnog gasa

Izvođenje formule za unutrašnju energiju jednoatomskog idealnog gasa.

Formula za unutrašnju energiju za jednoatomski idealni gas. Monatomski gasovi: helijum, neon, argon.

Formula za unutrašnju energiju za dvoatomski idealni gas. Dvoatomski gasovi: kiseonik, vodonik, azot

Formula za unutrašnju energiju za poliatomski idealni gas. Poliatomski plinovi: ugljični dioksid, para, itd.

Opšta formula za unutrašnju energiju idealnog gasa :

Promjena unutrašnje energije idealnog plina :

Koje smo izoprocese razmatrali i odredili promjenu unutrašnje energije u tim procesima.

Unutrašnja energija je potencijalna i kinetička energija svih molekula datog tijela

Idealan gas je gas čije su međumolekularne interakcije zanemarljive.

1) nema međumolekularnih interakcija: potencijalna energija molekula idealnog gasa je nula;

2) interakcije se javljaju samo pri njihovim sudarima, udari su apsolutno elastični;

3) molekule idealnog gasa - materijalne tačke

Odgovarajte na pitanja, sudjelujte u izvođenju formule

Zabilježite, opišite fizičke veličine

Izotermni proces:

izobarski proces:

Izohorni proces:

4. Konsolidacija proučenog materijala (15-17 min)

Aktivnosti nastavnika

Predviđene studentske aktivnosti

zadatak:

Vazduh težine 15 kg zagrejan je sa temperature od 100 O C do temperature 250 O C pri konstantnom pritisku. Pronađite promjenu njegove unutrašnje energije?

Učenici dobijaju test putem e-pošte i samostalno rješavaju probleme sa testa.

Nakon završenog testa, odgovori se automatski prikazuju na računaru nastavnika

1 učenik nacrta rješenje zadatka na tabli. Prilikom rješavanja koristi se formula za promjenu unutrašnje energije.

Učenici otvaraju svoju poštu i rješavaju testne zadatke.

5. Sumiranje. Zadaća.

1Test. Zakoni o gasu

* Obavezno

Prezime i ime *

U kojem se stanju agregacije neke supstance kreću njeni molekuli haotično prosječnom brzinom od 100 m/s *

u gasovitom i tečnom

samo u gasovitom

u tečnom i čvrstom

u gasovitom i čvrstom

Ispušteni ugljični dioksid se izobarično širi. Masa gasa je konstantna. Kako treba promijeniti apsolutnu temperaturu plina da bi se njegov volumen povećao za 4 puta? *

porasti za 16 puta

povećati 4 puta

smanjiti za 16 puta

smanjiti za 4 puta

Komprimirani zrak se ispušta iz staklene posude, istovremeno zagrijavajući posudu. Istovremeno se apsolutna temperatura zraka u posudi povećala za 2 puta, a njegov tlak za 3 puta. Masa zraka u posudi se smanjila za *

6 puta

3 puta

1,5 puta

2 puta

Prema modernim konceptima, jezgro atoma ugljika sastoji se od... *

elektrona i protona

neutrona i pozitrona

samo protoni

protona i neutrona

Balon sadrži 36*10^26 molekula gasa. Kolika je približna količina tvari u cilindru? *

6 mol

36 mol

6 kmol

36 kmol

2 Test. Unutrašnja energija

Početak forme

Prezime i ime

U kojem od prikazanih primjera se mehanička energija pretvara u unutrašnju energiju?

Kipuća voda na plinskom plameniku

metak pogađa metu

motor sa unutrašnjim sagorevanjem

zagrijavanje metalne žice u plamenu vatre

Opcija 5

10 molova ispuštenog helijuma nalazi se u posudi pod pritiskom iznad atmosferskog. Kako će se promijeniti unutrašnja energija plina ako se u posudi napravi mala rupa i njegova temperatura ostane konstantna?

će se povećati

će se smanjiti

Neće se promijeniti

Kako će se unutrašnja energija vode promijeniti tokom njenog zagrijavanja sa 25 C na 50 C?

neće se promeniti, jer ne formira se kristalna rešetka

ne menja, jer voda ne ključa

raste jer temperatura raste

smanjuje, jer temperatura raste

Idealan plin je izobarski komprimiran. Kako se mijenja unutrašnja energija plina?

povećava

smanjuje se

se ne mijenja

Kako se unutrašnja energija gasa promenila tokom spore izotermne kompresije za 0,2 kubna metra? gas, koji je bio u početnom stanju pod pritiskom od 200 kPa? Zaokružite odgovor na cijele brojeve.

Kraj forme

Početak forme

Sva makroskopska tijela oko nas sadrže čestice: atome ili molekule. Budući da su u stalnom kretanju, oni istovremeno poseduju dve vrste energije: kinetičku i potencijalnu i formiraju unutrašnju energiju tela:

U = ∑ E k +∑ E p

Ovaj koncept također uključuje energiju interakcije elektrona, protona i neutrona jedni s drugima.

Da li je moguće promijeniti unutrašnju energiju

Postoje 3 načina da ga promijenite:

• zahvaljujući procesu prijenosa topline;
• obavljanjem mehaničkih radova;
• putem hemijskih reakcija.

Pogledajmo bliže sve opcije.

Ako rad obavlja samo tijelo, tada će se njegova unutrašnja energija smanjiti, a kada se radi na tijelu, njegova unutrašnja energija će se povećati.

Najjednostavniji primjeri povećanja energije su slučajevi paljenja vatre pomoću trenja:

• korištenje tindera;
• korištenje kremena;
• koristeći šibice.

Toplotni procesi povezani s promjenama temperature također su praćeni promjenama unutrašnje energije. Ako zagrijete tijelo, njegova energija će se povećati.

Rezultat kemijskih reakcija je transformacija tvari koje se međusobno razlikuju po strukturi i sastavu. Na primjer, prilikom sagorijevanja goriva, nakon što se vodonik spoji s kisikom, nastaje ugljični monoksid. Kada se hlorovodonična kiselina spoji sa cinkom, oslobađa se vodonik, a kao rezultat sagorevanja vodika, oslobađa se vodena para.

Unutrašnja energija tijela također će se promijeniti zbog prijelaza elektrona iz jedne elektronske ljuske u drugu.

Energija tijela - ovisnost i karakteristike

Unutrašnja energija je karakteristika toplotnog stanja tela. Zavisi od:

• agregatno stanje i promjene tokom ključanja i isparavanja, kristalizacije ili kondenzacije, topljenja ili sublimacije;
• tjelesna težina;
• tjelesna temperatura, koja karakterizira kinetičku energiju čestica;
• vrsta supstance.

Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa

Ova energija se, idealno, sastoji od kinetičke energije svake čestice, koja se kreće nasumično i kontinuirano, i potencijalne energije njihove interakcije unutar određenog tijela. To se događa zbog promjene temperature, što potvrđuju i Jouleovi eksperimenti.

Da biste izračunali unutrašnju energiju jednoatomnog gasa, koristite jednačinu:

Pri čemu će se, ovisno o promjeni temperature, unutrašnja energija mijenjati (rasti s povećanjem temperature, a opadati s njenim smanjenjem). Unutrašnja energija je funkcija stanja.

Svako makroskopsko tijelo ima energije, određena njegovim mikrostanjem. Ovo energije pozvao interni(označeno U). Jednaka je energiji kretanja i interakcije mikročestica koje čine tijelo. dakle, unutrašnja energija idealan gas sastoji se od kinetičke energije svih njegovih molekula, budući da se njihova interakcija u ovom slučaju može zanemariti. Stoga je unutrašnja energija zavisi samo od temperature gasa ( U~T).

Model idealnog plina pretpostavlja da se molekule nalaze na udaljenosti od nekoliko promjera jedna od druge. Stoga je energija njihove interakcije mnogo manja od energije kretanja i može se zanemariti.

U stvarnim gasovima, tečnostima i čvrstim materijama interakcija mikročestica (atoma, molekula, jona itd.) se ne može zanemariti, jer značajno utiče na njihova svojstva. Stoga oni unutrašnja energija sastoji se od kinetičke energije toplinskog kretanja mikročestica i potencijalne energije njihove interakcije. Njihova unutrašnja energija, osim temperature T, zavisiće i od jačine zvuka V, budući da promjena volumena utječe na udaljenost između atoma i molekula, a samim tim i na potencijalnu energiju njihove međusobne interakcije.

Unutrašnja energija je funkcija stanja tijela koje je određeno njegovom temperaturomTi tom V.

Unutrašnja energija je jedinstveno određen temperaturomT i volumen tijela V, koji karakterizira njegovo stanje:U =U(T, V)

To promeni unutrašnju energiju tijela, trebate zapravo promijeniti ili kinetičku energiju toplinskog kretanja mikročestica, ili potencijalnu energiju njihove interakcije (ili oboje zajedno). Kao što znate, to se može učiniti na dva načina - izmjenom topline ili izvođenjem radova. U prvom slučaju to se događa zbog prijenosa određene količine topline Q; u drugom - zbog obavljanja posla A.

dakle, količina toplote i obavljeni rad su mjera promjene unutrašnje energije tijela:

Δ U =Q+A.

Promjena unutrašnje energije nastaje zbog određene količine topline koju tijelo daje ili prima ili zbog obavljanja rada.

Ako se odvija samo izmjena topline, onda promjena unutrašnja energija nastaje primanjem ili oslobađanjem određene količine topline: Δ U =Q. Prilikom zagrijavanja ili hlađenja tijela ono je jednako:

Δ U =Q = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.

Tokom topljenja ili kristalizacije čvrstih materija unutrašnja energija promjene zbog promjene potencijalne energije interakcije mikročestica, jer dolazi do strukturnih promjena u strukturi supstance. U ovom slučaju, promjena unutrašnje energije jednaka je toplini topljenja (kristalizacije) tijela: Δ U—Qpl =λ m, Gdje λ — specifična toplota topljenja (kristalizacije) čvrste supstance.

Isparavanje tekućine ili kondenzacija pare također uzrokuje promjene unutrašnja energija, što je jednako toplini isparavanja: Δ U =Q p =rm, Gdje r— specifična toplota isparavanja (kondenzacije) tečnosti.

Promjena unutrašnja energija telo usled izvođenja mehaničkog rada (bez razmene toplote) brojčano je jednako vrednosti ovog rada: Δ U =A.

Ako se promjena unutrašnje energije dogodi zbog izmjene topline, ondaΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),iliΔ U = Q pl = λ m,iliΔ U =Qn =rm.

Dakle, sa stanovišta molekularne fizike: Materijal sa sajta

Unutrašnja energija tela je zbir kinetičke energije toplotnog kretanja atoma, molekula ili drugih čestica od kojih se sastoji i potencijalne energije interakcije između njih; sa termodinamičke tačke gledišta, to je funkcija stanja tela (sistema tela) koje je jedinstveno određeno njegovim makroparametrima - temperaturomTi tom V.

dakle, unutrašnja energija je energija sistema, koja zavisi od njegovog unutrašnjeg stanja. Sastoji se od energije toplotnog kretanja svih mikročestica sistema (molekula, atoma, jona, elektrona itd.) i energije njihove interakcije. Gotovo je nemoguće odrediti punu vrijednost unutrašnje energije, pa se izračunava promjena unutrašnje energije Δ U, koji nastaje zbog prijenosa topline i radnog učinka.

Unutrašnja energija tijela jednaka je zbiru kinetičke energije toplinskog kretanja i potencijalne energije interakcije njegovih sastavnih mikročestica.

Na ovoj stranici nalazi se materijal o sljedećim temama:

• Od čega zavisi unutrašnja energija čvrstog tela?

• Kratak sažetak metode promjene unutrašnje energije tijela

• Od kojih makroparametara zavisi unutrašnja energija tela?

• Kratka poruka "o korišćenju unutrašnje energije tela"