Внутренняя энергия молекулярная физика. Расчет изменения внутренней энергии

Внутренняя энергия молекулярная физика. Расчет изменения внутренней энергии

«Физика — 10 класс»

Тепловые явления можно описывать с помощью величин (макроскопических параметров), измеряемых такими приборами, как манометр и термометр. Эти приборы не реагируют на воздействие отдельных молекул. Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой. В термодинамике рассматриваются процессы с точки зрения превращения теплоты в другие виды энергии.

Что такое внутренняя энергия.
Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете?

Термодинамика была создана в середине XIX в. после открытия закона сохранения энергии. В её основе лежит понятие внутренняя энергия. Само название «внутренняя» предполагает рассмотрение системы как ансамбля движущихся и взаимодействующих молекул. Остановимся на вопросе о том, какая связь существует между термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией.

Термодинамика и статистическая механика.

Первой научной теорией тепловых процессов была не молекулярно-кинетическая теория, а термодинамика.

Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы. Это произошло в середине XIX в., задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание. Тогда же было доказано, что наряду с механической энергией макроскопические тела обладают ещё и энергией, заключённой внутри самих тел.

Сейчас в науке и технике при изучении тепловых явлений используется как термодинамика, так и молекулярно-кинетическая теория. В теоретической физике молекулярно-кинетическую теорию называют статистической механикой

Термодинамика и статистическая механика изучают различными методами одни и те же явления и взаимно дополняют друг друга.

Термодинамической системой называют совокупность взаимодействующих тел, обменивающихся энергией и веществом.

Главное содержание термодинамики состоит в двух основных её законах, касающихся преобразования энергии. Эти законы установлены опытным путём. Они справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения.

Внутренняя энергия в молекулярно-кинетической теории.

Основным понятием в термодинамике является понятие внутренней энергии.

Внутренняя энергия тела (системы) — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Механическая энергия тела (системы) как целого не входит во внутреннюю энергию. Например, внутренняя энергия газов в двух одинаковых сосудах при равных условиях одинакова независимо от движения сосудов и их расположения относительно друг друга.

Вычислить внутреннюю энергию тела (или её изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положения относительно друг друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или её изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа.

Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.

Согласно модели молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, следовательно, потенциальная энергия их взаимодействия равна нулю. Вся внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией беспорядочного движения его молекул.

Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой т нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов. Учитывая, что kNA = R, получим формулу для внутренней энергии идеального газа:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Она не зависит от объёма и других макроскопических параметров системы.

Изменение внутренней энергии идеального газа

т. е. определяется температурами начального и конечного состояний газа и не зависит от процесса.

Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то его внутренняя энергия также пропорциональна абсолютной температуре, но коэффициент пропорциональности между U и Т другой. Объясняется это тем, что сложные молекулы не только движутся поступательно, но ещё и вращаются и колеблются относительно своих положений равновесия. Внутренняя энергия таких газов равна сумме энергий поступательного, вращательного и колебательного движений молекул. Следовательно, внутренняя энергия многоатомного газа больше энергии одноатомного газа при той же температуре.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров.

Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра — температуры.

У реальных газов, жидкостей и твёрдых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Правда, для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твёрдых и жидких тел сравнима с ней.

Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул газа зависит от объёма вещества, так как при изменении объёма меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия реального газа в термодинамике в общем случае зависит наряду с температурой T и от объёма V.

Читать еще:  Фотографии женщин за 40 блондинок. Женщины за сорок, которые выглядят абсолютно божественно

Можно ли утверждать, что внутренняя энергия реального газа зависит от давления, основываясь на том, что давление можно выразить через температуру и объём газа.

Значения макроскопических параметров (температуры Т, объёма V и др.) однозначно определяют состояние тел. Поэтому они определяют и внутреннюю энергию макроскопических тел.

Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: температурой и объёмом.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Термодинамика. Внутренняя энергия.

Внутреннюю энергию тела составляют кинетическая энергия всех его молекул и потенциаль­ная энергия их взаимодействия.

Внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе. После открытия внутренней энергии был сформулирован закон сохранения и превращения энергии. Рассмотрим взаимное превращение механической и внутренней энергий. Пусть на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим. Когда мы подняли шар, то сообщили ему потен­циальную энергию. При падении шара она уменьшается, т. к. шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился. И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты стали равными нулю. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температу­ру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Нагрев означает увеличение средней кинетической энергии молекул тела. При деформации из­меняется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, можно утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит превращение механической энергии, которой обладал в начале опыта шар, во внутреннюю энергию тела.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую.

Например, если взять толстостенный стеклянный сосуд и накачать в него воздух через отверстие в пробке, то спустя какое-то время пробка из сосуда вылетит. В этот момент в сосуде образуется туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внут­ренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку (т. е. расширяясь), совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии сжатого воздуха.

Таким образом, одним из способов изменения внутренней энергии тела является работа, совершаемая молекулами тела (или другими телами) над данным телом. Способом изменения внут­ренней энергии без совершения работы является теплопередача.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа .

Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, их потенциальная энергия считается равной нулю. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Для ее вычисления нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов . Учитывая, что k NA = R, получим значение внутренней энергии идеального газа:

.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре. Если воспользоваться уравнением Клапейрона-Менделеева, то выражение для внутренней энергии идеального газа можно представить в виде:

.

Следует отметить, что, согласно выражению для средней кинетической энергии одного атома и в силу хаотичности движения, на каждое из трех возможных направлений движения, или каждую степень свободы, по оси X, Y и Z приходится одинаковая энергия .

Число степеней свободы — это число возможных независимых направлений движения молекулы.

Газ, каждая молекула которого состоит из двух атомов, называется двухатомным. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому общее число возможных направлений дви­жения — 6. За счет связи между молекулами число степеней свободы уменьшается на одну, по­этому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти.

Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна . Соответственно внутрен­няя энергия идеального двухатомного газа равна:

.

Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить:

.

где i — число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного и i = 5 для двухатомного газа).

Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от одного макроскопического параметра — температуры и не зависит от объема, т. к. потенциальная энергия равна нулю (объем определяет среднее расстояние между молекулами).

Для реальных газов потенциальная энергия не равна нулю. Поэтому внутренняя энергия в тер­модинамике в общем случае однозначно определяется параметрами, характеризующими состоя­ние этих тел: объемом (V) и температурой (T).

Молекулярно-кинетическая теория. Внутренняя энергия тела

Дата публикации: 24.09.2014 2014-09-24

Читать еще:  Почему у меня резко меняется настроение. В чем причины перепадов настроения у мужчин, женщин или детей

Статья просмотрена: 2675 раз

Библиографическое описание:

Медов И. Р. Молекулярно-кинетическая теория. Внутренняя энергия тела // Молодой ученый. — 2014. — №16. — С. 40-41. — URL https://moluch.ru/archive/75/12755/ (дата обращения: 03.11.2019).

Статистическая физика и термодинамика, молекулярно-кинетическая теория. Молекулярно-кинетической теорией называется учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества. Существует два способа для того, чтобы описать процессы, которые происходят в макроскопических телах, т. е. телах, которые состоят из очень большого числа частиц — атомов и молекул, — называются статистическим и термодинамическим процессом. Статистическая физика изучает раздел физики, который посвящен, глубокому изучению свойств макроскопических тел, исходя из свойств образующих тело частиц и взаимодействий между ними. В качестве примера мы возьмем один кубический сантиметр газа при комнатной температуре и атмосферном давлении. В одном кубическом сантиметре содержится 3*10 19 молекул. Казалось бы, что, зная положение и скорость всех молекул в некоторый начальный момент времени, нам можно определить с помощью законов механики, положение и скорость каждой молекулы, а следовательно, и состояние газа в последующие моменты времени. Однако для детального описания совокупности молекул, образующих газ, потребовалось бы нам написать, а затем решить около 10 20 уравнений движения. Если даже затратить время на написание уравнения только одну секунду, то лишь на написание уравнений без их решения, нам потребовалось бы время в 300 раз превышающее возраст нашей Вселенной. Допустим, что, если даже мы решим задачу и получим для каждого момента времени 10 20 точных значений координат и 10 20 точных значений компонент скоростей молекул. Статистическая физика изучает статистические закономерности. Она используется вероятностными методами и истолковывает свойства тел, которые наблюдались на опыте таких, как давление и температура.

Термодинамика изучает свойства макроскопических тел и протекающие в них процессы, не вдаваясь в микроскопическую природу тел. В отличие от статистической физики, термодинамика позволяет делать ряд выводов относительно их протекания. В основе термодинамики лежит небольшое число фундаментальных законов, которые называются началом термодинамики, установленные путем обобщения очень большого количества опытных фактов. По этой причине результаты, получаемые термодинамикой, имеют весьма общий характер.

Состояние термодинамической системы и ее процессы. Термодинамическая система — это совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться энергией меду собой и с внешней средой, а также с другими телами. Например: жидкость и находящийся в соприкосновении с ней пар или газ. Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, она отличается температурой, давлением, а также объемом и плотностью. Подобные величины, которые характеризуют состояние системы — это параметры состояния. Параметры состояния не всегда имеют определенные значения. Например: у тела, подогреваемого с другой стороны и охлаждаемого с другой. Температура в разных точках будет разной, поэтому точное значение температуры мы не можем записать. Состояние, в котором хотя бы один параметр точного значения, называется неравновесным. Состояние термодинамической системы равновесное тогда, когда все параметры состояния имеют определенные значения, не изменяющиеся с течением времени. Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом, называют изолированными или замкнутыми. Существует некий процесс, который называется процессом релаксации. Процесс релаксации это то, когда система переходит с неравновесного состояния в равновесное состояние. С латинского (relaxation) означает уменьшение, ослабление напряжения. Время, за которое первоначальное отклонение какой — либо величины уменьшается в е раз, называется временем релаксации. Поясню сказанное примером. Допустим, нам дан теплоизолированный цилиндрический сосуд, в нем находится газ равновесного состояния. Давление газа равно p, температура Т. Вдвинем поршень резко на небольшое расстояние и сразу вернем в исходное положение. Равновесие газа будет нарушено. Давление возрастет, предположим, равное 272 Па, а температура также возрастет и примет значение 0,272 К. После вращения поршня начнется процесс релаксации.

Термодинамический процесс — это переход системы с одного состояния в другое. Такой переход всегда связан с нарушением равновесия системы. Допустим, для уменьшения объема газа, нужно вдвинуть поршень. При этом газ сожмется и повысится давление, при этом будет нарушено равновесие поршня. Равновесный процесс — это, когда состояние газа все время будет в равновесном состоянии. Бесконечно медленный процесс — это медленный процесс, когда реакции протекают медленно и значения параметров равновесного процесса пренебрежимо малы. Равновесные процессы называются также обратимыми процессами. Когда тело возвращается в исходное положение — это называется циклом.

Читать еще:  Как заинтересовать парня по переписке примеры. Как заинтересовать парня по переписке. Что не нужно делать

Молекулярнокинетические представления. Согласно молекулярно-кинетическим представлениям любое тело, находящееся в 3-х состояниях, твердом, жидком и газообразном состоит из мельчайших частиц, называемых молекулами. Молекулы находятся в беспорядочном, хаотичном движении, их интенсивность зависит от температуры тела. Поэтому, такое движение называется тепловым движением. Доказательством теплового движения служит броуновское движение, которое открыл знаменитый английский ботаник Роберт Браун (1773–1858). В 1827 году он обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, которые находились в жидкости. Это движение названо броуновским, потому что молекулы находятся всегда в беспорядочном движении. Также знаменитый, великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Он довел идею об атомическом строении вещества, которая была идеей древних греков. Он видел причину тепла во вращательном движении частиц тела. Таким образом, были сформулированы молекулярно-кинетические представления. Характеристики относительной атомной и молекулярной относительной массы веществ. Относительная атомная масса (Аr) химического элемента называется отношения массы атома этого элемента к 1/12 массы атома углерода. Относительной молекулярной массой (Mr) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома углерода. Из них определения следуют, что атомная и молекулярная массы — это безразмерные величины. Масса, равная 1/12 массы атома углерода, называется атомной единицей массы. Кроме того, число частиц, которые содержатся в моле вещества, называется постоянной Авогадро. Обозначается NA= 6.022*10 23 моль -1 . Формулы для определения молярной массы, постоянной Авогадро, массы молекул, количества вещества. Формулы по которым можно найти определения ниже приведенные мною:

формула молярной массы, где m — это масса молекулы, v — это количество вещества. Формула массы молекулы приведена ниже , где N — это число молекул вещества. Молярную массу вещества, можно выразить через массу молекулы вещества: M=mNA. Количество вещества, можно найти по формуле v= .

Внутренняя энергия. Одним из основных законов физики является закон сохранения энергии. При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной. Внутренняя энергия — это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело и кинетической энергии и их беспорядочного движения. Например, внутренняя энергия идеального газа вычисляется так:

U = v NA

Для того чтобы вычислить внутреннюю энергию одноатомного газа нужно подставить уравнение идеального газа:

U =p V

Таким образом, внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна произведению давления p на объем V, занимаемый газом. Существует два способа изменения внутренней энергии — теплопередача и совершение механической работы. Сумма изменений внутренней энергии равно 0. Потому что работа и количество теплоты, отрицательные.

Это выражение закона сохранения энергии и превращения энергии называется первым законом термодинамики, а если работы равны по значению, но противоположны по знаку, то первый закон будет иметь такое выражение:

В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно разности полученным количеством теплоты и работой, которую совершает система.

Вывод: Таким образом, при помощи молекулярно-кинетической теории, мы можем узнать, из какого количества состоит тело, узнать строение молекул и атомов. Мы можем найти массу атома, любого химического элемента, вещества. Благодаря процессам определить температуру, состояние вещества. Кроме того узнали о том, что в каком то 1 см 3 , содержится 3*10 19 степени молекул. Узнали о том, что означает каждый процесс, молекулярно-кинетической теории. По каким формулам, можно найти количества вещества, массу молекулы и молярную массу вещества. Все мы это узнали в Разделе молекулярно-кинетической теории. Узнали о том, что такое внутренняя энергия, что она представляет, по каким формулам можно найти внутреннюю энергию и на какие законы она делится и правильно определяется. Если бы мы не знали о молекулярно-кинетической теории, и их не открыли наши знаменитые ученые, мы бы не имели представления о молекулах, атомах, не могли бы посчитать также массу молекулы и атома, их количество. Сейчас мы имеем представления о молекулярно-кинетической теории и внутренней энергии. Научимся решать задачи по молекулярно-кинетической теории и внутренней энергии. Под микроскопом узнаем о строении молекул и атомов. Благодаря, нашим знаменитым ученым, мы имеем представление о молекулярно-кинетической теории и внутренней энергии

1. Кабардин О. Ф. справочные материалы, 1988 год. [70, 72, 71, 74, 94, 96]

2. Савельев И. В. курс физики том 1, 1989 год. [207; 209,212, 214]

3. Мясников С. П. пособие по физике 1976 год. [114, 117,118,120]

Источники:

http://class-fizika.ru/10_a182.html
http://www.calc.ru/Termodinamika-Vnutrennyaya-Energiya.html
http://moluch.ru/archive/75/12755/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector