A test belső energiájának megváltoztatásának módjainak diagramja. Az áram mágneses mezője

Belső energia és gáz munka

A termodinamika alapjai

Ismétlés. A teljes mechanikai energia megmaradásának törvénye: egy zárt rendszer teljes mechanikai energiája, amelyben nem hatnak súrlódási (ellenállási) erők, megmarad.

A rendszer ún zárva, ha minden összetevője csak egymással kölcsönhatásba lép.

A termodinamikai folyamatok során a munkavégzés és az energiafelszabadulás azt jelzi, hogy a termodinamikai rendszereknek van tartaléka belső energia.

Alatt belső energia rendszerek U a termodinamikában a mozgás kinetikus energiájának összegét értjük a rendszer összes mikrorészecskéje(atomok vagy molekulák) és egymással való kölcsönhatásuk potenciális energiája. Hangsúlyozzuk, hogy a mechanikai energia (a Föld felszíne alá emelkedett test potenciális energiája és mozgásának mozgási energiája összességében) nem számít bele a belső energiába.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy kétféleképpen lehet megváltoztatni a rendszer belső energiáját - egy mechanikus műveletet munka a rendszer felett és hőcsere más rendszerekkel.

A belső energia megváltoztatásának első módja a mechanikai munka elvégzése A" külső erők a rendszer felett vagy maga a rendszer a külső testek felett A (A = -A"). A munkavégzés során a rendszer belső energiája egy külső forrás energiája miatt megváltozik. Tehát a kerékpárkerék felfújásakor a szivattyú működése miatt a súrlódás segítségével felmelegszik a rendszer, őseink képesek voltak tüzet kelteni stb.

A rendszer belső energiájának megváltoztatásának második módját (munkavégzés nélkül) ún hőcsere (hőátadás). A test által egy ilyen folyamat során kapott vagy leadott energia mennyiségét ún hőmennyiségés ki van jelölve ΔQ.

Háromféle hőátadás létezik: hővezető képesség, konvekció, hősugárzás.

Nál nél hővezető hőátadás történik egy felhevültebb testről egy kevésbé fűtöttre a köztük lévő hőkontaktus során. A hőcsere a testrészek között is megtörténhet: egy jobban fűtött részről egy kevésbé fűtött részre anélkül, hogy a testet alkotó részecskéket átadnák.

Konvekció- hőátadás mozgó folyadék vagy gáz áramlásával az általuk elfoglalt térfogat egyik területéről a másikra. A vízforraló tűzhelyen történő melegítésekor a hővezető képesség biztosítja a hőáramlást a bogrács alján keresztül a víz alsó (határ)rétegei felé, de a belső vízrétegek felmelegedése éppen a konvekció eredménye, ami a meleg és hideg víz keverése.

Hősugárzás- hőátadás elektromágneses hullámokon keresztül. Ebben az esetben nincs mechanikai érintkezés a fűtőelem és a hőfogadó között. Például, amikor egy izzólámpához viszi a kezét, érezni fogja annak hősugárzását. A Föld a Naptól is kap energiát hősugárzáson keresztül.

Mivel a belső energia U a rendszer termodinamikai paraméterei egyedileg határozzák meg, akkor ez állapotfüggvény. Ennek megfelelően a belső energia változása ΔU a rendszer állapotának változása (hőmérséklet, térfogat, nyomás változása, folyadékból szilárd állapotba való átmenet stb.) a képlet segítségével megkereshető

ΔU=U 2 - U 1

Ahol U 1És U 2- belső energia az első és a második állapotban. A belső energia változása ΔU nem függ a rendszer közbenső állapotaitól egy ilyen átmenet során, hanem csak a kezdeti és végső energiaértékek határozzák meg.

A test belső energiája nem lehet állandó érték. Bármely testben változhat. Ha megemeli a testhőmérsékletet, akkor megnő a belső energiája, mert a molekulamozgás átlagos sebessége nőni fog. Így a test molekuláinak mozgási energiája növekszik. És fordítva, a hőmérséklet csökkenésével a test belső energiája csökken.

Megállapíthatjuk: A test belső energiája megváltozik, ha a molekulák mozgási sebessége változik. Próbáljuk meg meghatározni, milyen módszerrel lehet növelni vagy csökkenteni a molekulák mozgási sebességét. Tekintsük a következő kísérletet. Rögzítsünk egy vékony falú sárgaréz csövet az állványra. Töltse fel a csövet éterrel, és zárja le dugóval. Ezután kötelet kötünk köré, és elkezdjük intenzíven mozgatni a kötelet különböző irányokba. Egy bizonyos idő elteltével az éter felforr, és a gőz ereje kinyomja a dugót. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az anyag (éter) belső energiája megnőtt: végül is megváltozott a hőmérséklete, ugyanakkor forr.

A belső energia növekedése a cső kötéllel való dörzsölésekor végzett munka miatt következett be.

Mint tudjuk, a testek felmelegedése ütközés, hajlítás vagy nyújtás, vagy egyszerűbben deformáció során is felléphet. Valamennyi példában a test belső energiája nő.

Így a test belső energiája növelhető a testen végzett munkával.

Ha a munkát maga a szervezet végzi, belső energiája csökken.

Nézzünk egy másik kísérletet.

Levegőt pumpálunk egy vastag falú, dugóval lezárt üvegedénybe egy speciálisan kialakított lyukon keresztül.

Egy idő után a parafa kirepül az edényből. Abban a pillanatban, amikor a dugó kirepül a hajóból, ködképződést láthatunk majd. Következésképpen kialakulása azt jelenti, hogy az edényben a levegő lehűlt. Az edényben lévő sűrített levegő bizonyos mennyiségű munkát végez a dugó kihúzásakor. Ezt a munkát belső energiájának köszönhetően végzi, amely lecsökkent. A belső energia csökkenésére vonatkozó következtetések az edényben lévő levegő lehűlése alapján vonhatók le. És így, Egy test belső energiája bizonyos munkák elvégzésével megváltoztatható.

A belső energia azonban más módon is megváltoztatható, munka nélkül. Vegyünk egy példát: a tűzhelyen álló vízforralóban forr a víz. A levegőt, valamint a helyiségben lévő egyéb tárgyakat központi radiátor fűti. Ilyenkor megnő a belső energia, mert nő a testhőmérséklet. De a munka nincs kész. Tehát, levonjuk a következtetést a belső energia változása konkrét munkavégzés miatt nem következhet be.

Nézzünk egy másik példát.

Helyezzen egy fém kötőtűt egy pohár vízbe. A forró víz molekulák kinetikus energiája nagyobb, mint a hideg fémrészecskék kinetikus energiája. A forró víz molekulák mozgási energiájuk egy részét átadják a hideg fémrészecskéknek. Így a vízmolekulák energiája bizonyos módon csökken, míg a fémrészecskék energiája nő. A víz hőmérséklete csökken, és a kötőtű hőmérséklete lassan növekedni fog. A jövőben a kötőtű és a víz hőmérséklete közötti különbség eltűnik. Ennek a tapasztalatnak köszönhetően változást tapasztaltunk a különböző testek belső energiájában. Következtetésünk: A különböző testek belső energiája a hőátadás következtében megváltozik.

A belső energia átalakításának folyamatát anélkül, hogy a testen vagy magán a testen konkrét munkát végeznének hőátadás.

Van még kérdése? Nem tudja, hogyan csinálja meg a házi feladatát?
Ha segítséget szeretne kérni egy oktatótól, regisztráljon.
Az első óra ingyenes!

weboldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor a forrásra mutató hivatkozás szükséges.

Hogyan lehet megváltoztatni a test mechanikai energiáját? Igen, nagyon egyszerű. Változtassa meg a helyét vagy gyorsítsa fel. Például rúgjon egy labdát, vagy emelje fel magasabbra a földről.

Az első esetben a mozgási energiáját, a második esetben a potenciális energiáját változtatjuk meg. Mi a helyzet a belső energiával? Hogyan változtassuk meg a test belső energiáját? Először is derítsük ki, mi az. A belső energia a testet alkotó összes részecske kinetikai és potenciális energiája. Különösen a részecskék kinetikus energiája a mozgásuk energiája. És mozgásuk sebessége, mint ismeretes, a hőmérséklettől függ. Vagyis a logikus következtetés az, hogy a testhőmérséklet növelésével növeljük a belső energiáját. A testhőmérséklet növelésének legegyszerűbb módja a hőcsere. Amikor különböző hőmérsékletű testek érintkeznek, a hidegebb test felmelegszik a melegebb rovására. Ilyenkor a melegebb test lehűl.

Egy egyszerű hétköznapi példa: egy hideg kanál egy csésze forró teában nagyon gyorsan felmelegszik, míg a tea kicsit lehűl. A testhőmérséklet növelése más módon is lehetséges. Mit csinálunk mindannyian, ha az arcunk vagy a kezünk kihűl kint? Mi hárman. Amikor a tárgyak súrlódnak, felmelegszenek. Ezenkívül a tárgyak felmelegednek, amikor ütéseknek, nyomásnak vannak kitéve, azaz más szavakkal, amikor kölcsönhatásba lépnek. Mindenki tudja, hogyan keletkezett a tüzet az ókorban - akár úgy, hogy fadarabokat dörzsöltek egymáshoz, akár úgy, hogy kovakőt ütöttek egy másik kőre. A mi korunkban is a szilíciumöngyújtók egy fémrúd súrlódását használják a kovakő ellen.

Eddig a belső energia megváltoztatásáról beszéltünk az alkotó részecskék mozgási energiájának megváltoztatásával. Mi a helyzet ugyanezen részecskék potenciális energiájával? Mint ismeretes, a részecskék potenciális energiája a relatív helyzetük energiája. Így ahhoz, hogy a test részecskéinek potenciális energiáját megváltoztassuk, a testet deformálni kell: össze kell nyomnunk, csavarni és így tovább, vagyis meg kell változtatni a részecskék egymáshoz viszonyított elhelyezkedését. Ezt a test befolyásolásával érik el. Az egyes testrészek sebességét változtatjuk, vagyis dolgozunk rajta.

Példák a belső energia változásaira

Így a test belső energiájának megváltoztatása érdekében történő befolyásolásának minden esete kétféle módon valósul meg. Vagy úgy, hogy hőt adunk át neki, vagyis hőátadjuk, vagy úgy, hogy a részecskéinek sebességét megváltoztatjuk, vagyis munkát végeznek a testen.

Példák a belső energia változásaira- ez szinte az összes folyamat, amely a világon előfordul. A részecskék belső energiája nem változik abban az esetben, ha semmi sem történik a testtel, ami, látod, rendkívül ritka - az energiamegmaradás törvénye érvényben van. Mindig történik valami körülöttünk. Még azokkal a tárgyakkal is, amelyekkel első pillantásra semmi sem történik, valójában különféle, számunkra észrevehetetlen változások történnek: kisebb hőmérséklet-változások, enyhe deformációk stb. A szék meghajlik súlyunk alatt, a polcon lévő könyv hőmérséklete minden légmozgásnál enyhén változik, a huzatról nem is beszélve. Nos, ami az élő testeket illeti, szavak nélkül is világos, hogy bennük folyamatosan történik valami, és a belső energia szinte minden pillanatban változik.

Hogyan lehet megváltoztatni a test mechanikai energiáját? Igen, nagyon egyszerű. Változtassa meg a helyét vagy gyorsítsa fel. Például rúgjon egy labdát, vagy emelje fel magasabbra a földről.

Az első esetben a mozgási energiáját, a második esetben a potenciális energiáját változtatjuk meg. Mi a helyzet a belső energiával? Hogyan változtassuk meg a test belső energiáját? Először is derítsük ki, mi az. A belső energia a részecskék kinetikai és potenciális energiája – ez a mozgásuk energiája. És mozgásuk sebessége, mint ismeretes, a hőmérséklettől függ. Vagyis a logikus következtetés az, hogy a testhőmérséklet növelésével növeljük a belső energiáját. A testhőmérséklet növelésének legegyszerűbb módja a hőcsere. Amikor különböző hőmérsékletű testek érintkeznek, a hidegebb test felmelegszik a melegebb rovására. Ilyenkor a melegebb test lehűl.

Egy egyszerű hétköznapi példa: egy hideg kanál egy csésze forró teában nagyon gyorsan felmelegszik, míg a tea kicsit lehűl. A testhőmérséklet növelése más módon is lehetséges. Mit csinálunk mindannyian, ha az arcunk vagy a kezünk kihűl kint? Mi hárman. Amikor a tárgyak súrlódnak, felmelegszenek. Ezenkívül a tárgyak felmelegednek, amikor ütéseknek, nyomásnak vannak kitéve, vagyis más szavakkal, amikor kölcsönhatásba lépnek. Mindenki tudja, hogyan keletkezett a tüzet az ókorban - akár úgy, hogy fadarabokat dörzsöltek egymáshoz, akár úgy, hogy kovakőt ütöttek egy másik kőre. A mi korunkban is a szilíciumöngyújtók egy fémrúd súrlódását használják a kovakő ellen.

Eddig a belső energia megváltoztatásáról beszéltünk az alkotó részecskék mozgási energiájának megváltoztatásával. Mi a helyzet ugyanezen részecskék potenciális energiájával? Mint ismeretes, a részecskék potenciális energiája a relatív helyzetük energiája. Így ahhoz, hogy a test részecskéinek potenciális energiáját megváltoztassuk, a testet deformálni kell: össze kell nyomnunk, csavarni és így tovább, vagyis meg kell változtatni a részecskék egymáshoz viszonyított elhelyezkedését. Ezt a test befolyásolásával érik el. Az egyes testrészek sebességét változtatjuk, vagyis dolgozunk rajta.

Így a test belső energiájának megváltoztatása érdekében történő befolyásolásának minden esete kétféleképpen érhető el. Vagy úgy, hogy hőt adunk át neki, vagyis hőátadjuk, vagy úgy, hogy a részecskéinek sebességét megváltoztatjuk, vagyis munkát végeznek a testen.

Példák a belső energia változásaira- ez szinte az összes folyamat, amely a világon előfordul. A részecskék belső energiája nem változik abban az esetben, ha semmi sem történik a testtel, ami, látod, rendkívül ritka - az energiamegmaradás törvénye érvényben van. Mindig történik valami körülöttünk. Még azokkal a tárgyakkal is, amelyekkel első pillantásra semmi sem történik, valójában különféle, számunkra észrevehetetlen változások történnek: kisebb hőmérséklet-változások, enyhe deformációk stb. A szék meghajlik súlyunk alatt, a polcon lévő könyv hőmérséklete minden légmozgásnál enyhén változik, a huzatról nem is beszélve. Nos, ami az élő testeket illeti, szavak nélkül is világos, hogy bennük folyamatosan történik valami, és a belső energia szinte minden pillanatban változik.

A test belső energiája nem valamiféle állandó érték. Ugyanabban a testben változhat.

A hőmérséklet emelkedésével a test belső energiája nő, hiszen a molekulák átlagos mozgási sebessége nő.

Következésképpen ennek a testnek a molekuláinak kinetikus energiája növekszik. A hőmérséklet csökkenésével éppen ellenkezőleg, a test belső energiája csökken.

És így, a test belső energiája megváltozik, ha a molekulák mozgási sebessége változik.

Próbáljuk kitalálni, hogyan lehet növelni vagy csökkenteni a molekulák mozgási sebességét. Ehhez végezzük el a következő kísérletet. Rögzítsünk egy vékonyfalú sárgaréz csövet egy állványra (3. ábra). Öntsön egy kis étert a csőbe, és zárja le egy dugóval. Ezután a csövet kötéllel tekerjük, és gyorsan mozgatjuk az egyik, majd a másik irányba. Egy idő után az éter felforr, és a gőz kinyomja a dugót. A tapasztalat azt mutatja, hogy az éter belső energiája megnőtt: végül is felforrósodott, sőt fel is forrt.

Rizs. 3. A test belső energiájának növelése a rajta végzett munka során

A belső energia növekedése a cső kötéllel történő dörzsölésekor végzett munka eredményeként következett be.

A testek felmelegedése ütközések, nyújtás és hajlítás, azaz deformáció során is felmelegszik. A test belső energiája az összes fenti példában növekszik.

Ennélfogva, A test belső energiája növelhető a testen végzett munkával.

Ha a test maga végzi a munkát, akkor az a belső energia csökken.

Végezzük el a következő kísérletet.

Egy vastag falú, dugóval lezárt üvegedénybe a benne lévő speciális lyukon keresztül levegőt pumpálunk (4. ábra).

Rizs. 4. A test belső energiájának csökkenése, amikor a munkát maga a szervezet végzi

Egy idő után a parafa kiugrik az edényből. Abban a pillanatban, amikor a parafa kipattan a tartályból, köd képződik. Megjelenése azt jelenti, hogy az edényben a levegő hidegebb lett. Az edényben lévő sűrített levegő, amely kinyomja a dugót, működik. Ezt a munkát belső energiája rovására végzi, ami csökken. A belső energia csökkenése az edényben lévő levegő lehűlése alapján ítélhető meg. Így, A test belső energiája munkavégzéssel megváltoztatható.

A test belső energiája más módon, munka nélkül is megváltoztatható. Például a tűzhelyre helyezett vízforralóban felforr a víz. A helyiségben lévő levegőt és különféle tárgyakat a központi fűtés radiátor fűti, a házak tetejét a napsugarak, stb. Mindezen esetekben a testek hőmérséklete nő, ami azt jelenti, hogy a belső energiájuk megnő. De a munka nincs kész.

Eszközök, a belső energia változása nemcsak az elvégzett munka következtében következhet be.

Mivel magyarázhatjuk ezekben az esetekben a belső energia növekedését?

Tekintsük a következő példát.

Helyezzen egy fém kötőtűt egy pohár forró vízbe. A forró víz molekulák kinetikus energiája nagyobb, mint a hideg fémrészecskék kinetikus energiája. A forró vízmolekulák, amikor kölcsönhatásba lépnek a hideg fémrészecskékkel, kinetikus energiájuk egy részét átadják nekik. Ennek következtében a vízmolekulák energiája átlagosan csökken, a fémrészecskék energiája pedig nő. A víz hőmérséklete csökken, és a fém küllő hőmérséklete fokozatosan emelkedik. Egy idő után a hőmérsékletük kiegyenlítődik. Ez a tapasztalat a testek belső energiájának megváltozását mutatja.

Így, A testek belső energiája hőátadással megváltoztatható.

A belső energia megváltoztatásának folyamatát anélkül, hogy a testen vagy magán a testen munkát végeznénk, hőátadásnak nevezzük.

A hőátadás mindig egy bizonyos irányban történik: a magasabb hőmérsékletű testektől az alacsonyabb hőmérsékletű testek felé.

Amikor a testhőmérséklet kiegyenlítődik, a hőátadás leáll.

Egy test belső energiája kétféleképpen változtatható: mechanikai munka végzésével vagy hőátadással.

A hőátadás viszont végrehajtható: 1) hővezető képesség; 2) konvekció; 3) sugárzás.

Kérdések

1. A 3. ábra segítségével mondja el, hogyan változik a test belső energiája, amikor munkát végeznek rajta.
2. Írjon le egy kísérletet, amely megmutatja, hogy egy test képes munkát végezni belső energia felhasználásával!
3. Mondjon példákat a test belső energiájának hőátadás következtében bekövetkező változásaira!
4. Magyarázza el az anyag molekulaszerkezete alapján a forró vízbe merített kötőtű melegítését!
5. Mi a hőátadás?
6. Milyen két módon lehet megváltoztatni a test belső energiáját?

2. gyakorlat

1. A súrlódási erő hat a testre. Változik-e a test belső energiája? Milyen jelek alapján ítélhetjük meg ezt?
2. Ha gyorsan repül, felforrósodik a keze. Magyarázza el, miért történik ez.

Gyakorlat

Helyezze az érmét egy rétegelt lemezre vagy egy fa deszkára. Nyomja az érmét a táblához, és gyorsan mozgassa egyik vagy másik irányba. Figyelje meg, hányszor kell mozgatnia az érmét, hogy meleg, meleg legyen. Vonjon le következtetést az elvégzett munka és a test belső energiájának növekedése közötti összefüggésről!