Тема 1. Внутрішня енергія і способи її зміни

 

Термодинаміка (ТД) вивчає теплові явища і процеси, не враховуючи молекулярну будову речовини.

 

1. Внутрішня (теплова) енергія U – це основне поняття ТД.

Внутрішня енергія як фізична величина є кількісною мірою теплового руху частинок ТДС (речовини) і зумовлена її мікростанами. Тобто U характеризує ТДС_т тіл (і їх систем) у даний момент часу і визначається швидкостями і взаємодією їхніх молекул, а отже, і сумою кінетичної енергії теплового руху частинок та потенціальної енергії їх взаємодії:

_, (64)

.

Оскільки Т і V є основними параметрами ТДС_т системи, то можна сказати, що внутрішня енергія є функцією стану ТДС.

[U] = Дж.

 

2. Внутрішня енергія ідеального газу

· U одноатомного ІГ

Молекули одноатомного газу рухаються тільки поступально:

,

(65)

Виходячи з рівняння Менделєєва , матимемо

 

· U багатоатомного ІГ

Молекули багатоатомних газів перебувають не лише у стані поступального руху, а й обертального, тому коефіцієнти пропорційності між U і Т інші:

· U 2-атомного газу

(66)

· U газу, молекули якого складаються з трьох і більше атомів

(67)

З формул (64) – (67) внутрішня енергія газу постійної маси залежить тільки від роду газу (М) і від температури Т.

Слід зазначити, що формули (66) і (67) для реальних газів не виконуються при високих температурах, оскільки при цьому в молекулах виникають ще коливання атомів, що веде до збільшення внутрішньої енергії газу.

Фізичний зміст має не сама внутрішня енергія ТДС, а зміна внутрішньої енергії в ході того чи іншого теплового процесу, що відбувається з даною ТДС.

 

3. Способи зміни внутрішньої енергії ТДС

І. Тепловий – пов’язаний із зміною Т – теплопередача: ΔТ → Q.

ІІ.Механічний – пов’язаний із зміною V – виконання роботи: ΔV → А.

Зміну внутрішньої енергії 1-атомного ідеального газу можна визначити так

(68)

Аналогічно визначається зміна внутрішньої енергії багатоатомних газів.

Рис. 34

І. Тепловий спосіб зміни U – теплопередача (теплообмін) – процес передачі внутрішньої енергії від однієї ТДС до іншої без виконання роботи (або: обмін енергією між ТДС, які знаходяться у тепловому контакті).

 

Види теплопередачі

1) Теплопровідність – передача енергії від більш нагрітих тіл (або їх частин) до менш нагрітих, яка обумовлена безпосередньою взаємодією частинок тіл і веде до вирівнювання температури тіл (або їх частин) без перенесення речовини; властива тілам в усіх АСР, найкраща у твердих тіл, найгірша – в газах.

Пояснення: молекули з різними швидкостями та енергією зіштовхуються відбивається обмін енергією між „швидкими” і „повільними” молекулами, що і веде до вирівнювання температури тіл, які стикаються.

Приклад: нагрівання металевих стержнів, нагрівання рук теплою водою.

2) Конвекція – передача енергії від більш нагрітих шарів рідини або газу до менш нагрітих; супроводжується перенесенням речовини.

Пояснення: підвищення Т призводить до розширення газу (або рідини), що веде до зменшення його густини, а отже, і руху шару газу (або рідини) вгору внаслідок зменшення сили тяжіння, що на нього діє

Приклад: нагрівання води у чайнику, нагрівання повітря у кімнаті.

3) Теплове випромінювання – передача енергії завдяки електромагнітним хвилям (інфрачервоне випромінювання, довгохвильове); здійснюється будь-якими ТДС (в т.ч. і вакуумом).

Приклад: нагрівання повітря сонячним промінням.

Теплову енергію випромінюють і поглинають всі тіла, оскільки всі вони мають внутрішню енергію. Випромінювання і поглинання теплової енергії залежить від стану і кольору поверхні тіла (шорсткі, темні краще поглинають енергію, ніж гладкі і блискучі).

Результат теплообміну – тепловий процес:

1) зміна температури ТДС –

2) зміна агрегатного стану речовини:

пароутворення: рідина → тверде тіло (ΔТ > 0);

плавлення: тверде тіло → рідина ΔТ > 0;

конденсація: рідина → пара (ΔТ < 0).

 

2. Кількість теплоти Q – частина внутрішньої енергії, поглинутої або переданої ТДС при теплопередачі.

[Q] = Дж.

Якщо ТДС поглинає (отримує) енергію, то Q > 0 (при плавленні, пароутворенні).

Якщо ТДС виділяє (віддає) енергію, то Q < 0 (при конденсації, кристалізації).

3. Теплоізольована система (ТІС) – ТДС, яка не обмінюється внутрішньою енергією з іншими ТДС або навколишнім середовищем.

 

4. Закон збереження і перетворення енергії при теплопередачі для ТІС – рівняння теплового балансу:

(69)

 

5. Теплові процеси (ТП) і розрахункові формули теплоти, що їх описують

Назва ТП	Формула Q	Коефіцієнт	Назва і фізичний зміст коефіцієнта
Нагрівання (Q > 0) Охолодження (Q < 0)     (70)	*	, Дж/К   , Дж/кг·К   * , Дж/моль·К	теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання цієї речовини на 1К (або 1^0С); питома теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання 1 кг цієї речовини на 1К; молярна теплоємність речовини – кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання 1 моля цієї речовини на 1К
Плавлення (Q > 0) Тверднення (Q < 0)   (71)		, Дж/кг	питома теплота плавлення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг даної речовини з твердого стану у рідкий при температурі плавлення tпл= const
Пароутворення (Q > 0) Конденсація (Q < 0)   (72)		, Дж/кг	питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг даної речовини з рідкого стану у газоподібний при температурі кипіння tк= const
Згорання (Q > 0)   (73)		, Дж/кг	питома теплота згорання – кількість теплоти, яка утворюється під час повного згорання 1кг палива