Внутренняя энергия системы в термодинамике: Внутренняя энергия тела – способы изменения, формула

Урок 23. внутренняя энергия. работа. количество теплоты — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 23. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты

Список вопросов, рассмотренных в уроке: внутренняя энергия; способы изменения внутренней энергии; различные виды теплообмена; уравнение теплового баланса; работа в термодинамике; нахождение численного значения работы в различных тепловых процессах.

Глоссарий по теме

Термодинамическая система представляет собой систему тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией и веществом.

Состояние равновесия — это состояние системы, в которой нет теплообмена между телами, составляющими систему.

Термодинамический процесс — процесс изменения состояния системы, который изменяет параметры системы.

Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической энергии хаотичного теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия всех молекул, составляющих тело.

Теплоемкость представляет собой энергию, которая численно равна количеству тепла, которое выделяется или поглощается, когда температура тела изменяется на 1 К.

Теплопередача- это передача энергии от одного тела другому без выполнения работы.

Количество тепла является количественной мерой изменения внутренней энергии во время теплообмена.

Работа в термодинамике — это взаимодействие системы с внешними объектами, в результате чего изменяются параметры системы.

Список литературы

Г.Я. Мякишев., Б. Буховцев., Н. Н. Соцкий. Физика.10. Учебник для образовательных организаций М .: Просвещение, 2017. — С. 243-254.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.- с.75-84

Основное содержание урока

Внутренняя энергия тела — это полная энергия всех молекул, которые его составляют. Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна его температуре.

U = 3/2 · ν · R · T

Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества, надо сообщить ему некоторое количество тепла или совершить работу.

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии системы: A = ΔU.

Работа газа в изобарном процессе равна A = P · ΔV. Если газ расширяется, то А > 0, если газ сжимается, то А < 0.

Кроме того, работа газа может быть определена с использованием графика давления в зависимости от объема.

Работа газа численно равна площади под графиком давления.

Количество теплоты — это энергия, которую система получает или теряет во время теплообмена.

Количество тепла для различных термических процессов определяется по-разному.

При нагревании и охлаждении: Q = c_ ∙ m ∙ ΔT;

Во время плавления и кристаллизации: Q = ℷ ∙ m;

Во время испарения и конденсации; Q = r ∙ m;

При сжигании: Q = q ∙ m.

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса: Q1 + Q2 + … + Qn = 0

Выражение для внутренней энергии одноатомного идеального или разреженного реального газа имеет следующий вид:

U = 3/2 ν ∙ R ∙ T

Для идеального газа из молекул с двумя, тремя или более атомами необходимо учитывать кинетическую энергию вращения молекул (они больше не могут считаться материальными точками), поэтому выражение для их внутренней энергии отличается от U = 3/2 ν ∙ R ∙ T числовым коэффициентом.

Для двухатомного газа (например, O2, CO и т. д.):

U = 5/2 ν ∙ R ∙ T

Для газа с тремя атомами или более (например, O3, Ch5):

U = 3ν · R · T

Изменить внутреннюю энергию вещества можно, передав ему некоторое количество тепла или выполнить над ним работу.

Существует три типа теплопередачи:

1) Теплопроводность представляет собой процесс переноса энергии от более теплого тела к менее нагретому телу с прямым контактом или от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотично движущимися частицами тела (атомы, молекулы, электроны , и т.д.). Простым примером является нагревание чашки, в которую выливают горячий чай.

2) Конвекция — это своего рода передача тепла, в которой внутренняя энергия передается снизу вверх струями или потоками жидкости или газа. Пример: нагревание воды в чайнике, который стоит на горячей плите.

3) Лучистый обмен или излучение — это процесс передачи энергии через электромагнитное излучение. Простой пример: солнечный свет.

Механическая работа изменяет механическую энергию тела. Термодинамическая работа изменяет внутреннюю энергию газа.

Если газ расширяется, то работа газа считается положительной. Если он сжат, то отрицательной.

Формула для нахождения работы газа в изобарном процессе имеет следующий вид:

A = p · ΔV

Для изотермического процесса формула принимает следующий вид: A = ν ∙ R ∙ T ∙ ln⁡ (V_2 / V_1)

Разбор тренировочных заданий

1. Объём газа, расширяющегося при постоянном давлении 100 кПа, увеличился на 20 литров. Работа, выполняемая газом в этом процессе, — _____.

Варианты ответов:

2000 Дж;

20 000 Дж;

200 Дж;

50 МДж.

Правильный вариант / варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) 2000 Дж.

Совет: используйте формулу работы.

2. Чтобы из 5 кг снега, при температуре 0ºС, получить воду при 20ºС, необходимо сжигать в печке с КПД 40% __ кг дров.

Решение: при сгорании дров выделится количество теплоты:

из этого количества на полезную работу пойдёт только:

Для плавления снега необходимо количество теплоты:

для нагревания воды понадобится:

Согласно уравнению теплового баланса:

Отсюда следует:

Подставим числовые значения в формулу:

Ответ: 0,5175 кг.

Урок 23. внутренняя энергия. работа. количество теплоты — Физика — 10 класс

Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии

Выражение для внутренней энергии одноатомного идеального или разреженного реального газов имеет следующий вид: $U = \frac{3}{2} \cdot \nu \cdot R \cdot T$.

Для идеального газа из молекул с двумя, тремя или большим числом атомов требуется учёт кинетической энергии вращения молекул (их уже нельзя считать материальными точками), поэтому выражение для их внутренней энергии отличается от $U = \frac{3}{2} \cdot \nu \cdot R \cdot T$, но только числовым коэффициентом.

Для двухатомного газа (например, H₂, O₂, CO и пр.):

$U = \frac{5}{2} \cdot \nu \cdot R \cdot T$.

Для газа с тремя атомами и более (например, CO₂, CH₄):

$U = 3 \cdot \nu \cdot R \cdot T$.

Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества, нужно передать ему некоторое количество теплоты либо совершить над ним работу.

Существует три вида теплопередачи:

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Простой пример – нагревание ложки в горячем чае.

Конвекция – вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями или потоками жидкости, или газа. Пример: проветривание комнаты.

Излучение – процесс переноса энергии посредством электромагнитного излучения. Простой пример: солнечный свет.

Механическая работа меняет механическую энергию тела. В термодинамике то же самое. К примеру, если газ двигает поршень, расширяясь, то у нас, как и в механике, есть и сила, и перемещение. Разница только в том, что при совершении работы в термодинамике меняется не кинетическая или потенциальная энергия газа как целого тела, а кинетическая энергия его молекул, то есть внутренняя энергия газа.

Если газ расширяется, то работу газа принято считать положительной. Если же сжимается – то отрицательной.

Формула для нахождения работы газа при изобарном процессе примет следующий вид: $A = p \cdot \Delta V$.

Для изотермического процесса формула принимает следующий вид: $A = \nu \cdot R \cdot T \cdot ln \frac{V_2}{V_1}$.

Внутренняя энергия. 1-й закон термодинамики.

Внутренняя энергия 1-й закон термодинамики.
Сумма кинетических  энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела  (молекул, атомов) и потенциальных энергий  их  взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией.
Внимание! Энергия упорядоченного движения частиц тела представляет собой механическую кинетическую энергию тела. Вообще говоря, во внутреннюю энергию входят энергии внутриатомных частиц, но при не очень больших температурах эта энергия остается неизменной. Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит — температурой тела. Потенциальная  — расстоянием между частицами, а значит — объемом. Следовательно: U=U(T,V) — внутренняя энергия зависит от объема и температуры.	U=U(T,V)
Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем.  — внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Внутренняя энергия — однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) — одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния.	Идеальный  газ:
Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты.
Р.Майер, Д.Джоуль, Г.Гельмгольц — закон сохранения энергии для тепловых процессов — 1-й закон термодинамики.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Изменений внутренней энергии не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Т.о. существует два способа изменения внутренней энергии: совершение механической работы и теплопередача (теплообмен). Работа и количество теплоты характеризуют процесс изменения внутренней энергии, но не саму внутреннюю энергию.
Если А — работа внешних сил, а А’ — работа газа, то А = —  А’ (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда: — другая форма записи первого закона термодинамики.Количество теплоты, переданное системе,  идет на изменение ее  внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Невозможность создания вечного двигателя 1-го рода. Вечный двигатель первого рода — устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты энергии. Тогда Q=0. Следовательно: A’= — ΔU. Т.е. такой двигатель должен совершать работу за счет убыли внутренней энергии. Но ее запасы конечны. После того, как запас энергии будет исчерпан, двигатель остановится.

Формула внутренней энергии в физике

Содержание:

Определение и формула внутренней энергии

Определение

Внутренней энергией тела (системы) называют энергию, которая связана со всеми видами движения и взаимодействия частиц, составляющих тело (систему), включая энергию взаимодействия и движения сложных частиц.

Из выше сказанного следует, что к внутренней энергии не относят кинетическую энергию движения центра масс системы и потенциальную энергию системы, вызванную действием внешних сил. Это энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы.

Внутреннюю энергию чаще всего обозначают буквой U. При этом бесконечно малое ее изменение станет обозначаться dU. Считается, что dU является положительной величиной, если внутренняя энергия системы растет, соответственно, внутренняя энергия отрицательна, если внутренняя энергия уменьшается.

Внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого отдельного тела плюс энергия взаимодействия между телами внутри системы.

Внутренняя энергия – функция состояния системы. Это означает, что изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от способа перехода (вида термодинамического процесса при переходе) системы и равно разности внутренних энергий конечного и начального состояний:

$$\Delta U=U_{2}-U_{1}(1)$$

Для кругового процесса полное изменение внутренней энергии системы равно нулю:

$$\oint d U=0(2)$$

Для системы, на которую не действуют внешние силы и находящуюся в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия – полная энергия системы.{T} c_{V} d T+u_{0}\right)$$

где C_V – теплоемкость газа в изохорном процессе; c_V — удельная теплоемкость газа в изохорном процессе; $u_{0}=\frac{U_{0}}{m}$ – внутренняя энергия, приходящаяся на единицу массы газа при абсолютном нуле температур. Или:

$$d U=\frac{i}{2} \nu R d T(4)$$

i – число степеней свободы молекулы идеального газа, v – число молей газа, R=8,31 Дж/(моль•К) – универсальная газовая постоянная.

Первое начало термодинамики

Как известно первое начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из формулировок, которую предложил К. Каратеодори говорит о существовании внутренней энергии как составляющей полной энергии системы.Она является функцией состояния, в простых системах зависящей от объема (V), давления (p), масс веществ (m_i), которые составляют данную систему: $U=U\left(p, V, \sum m_{i}\right)$ . В формулировке, которую дал Каратеодори внутренняя энергия не является характеристической функцией своих независимых переменных.

В более привычных формулировках первого начала термодинамики, например, формулировке Гельмгольца внутренняя энергия системы вводится как физическая характеристика системы. При этом поведение системы определено законом сохранения энергии. Гельмгольц не определяет внутреннюю энергию как функцию конкретных параметров состояния системы:

$$\Delta U=Q-A(5)$$

$\Delta U$ – изменение внутренней энергии в равновесном процессе, Q – количество теплоты, которое получила система в рассматриваемом процессе, A – работа, которую система совершила.

Единицы измерения внутренней энергии

Основной единицей измерения внутренней энергии в системе СИ является: [U]=Дж

Примеры решения задач

Пример

Задание. Вычислите, на какую величину изменится внутренняя энергия гелия имеющего массу 0,1 кг, если его температура увеличилась на 20С.

Решение. При решении задачи считаем гелий одноатомным идеальным газом, тогда для расчетов можно применить формулу:

$$d U=\frac{i}{2} \nu R d T(1.{3}$ (Дж)

Слишком сложно?

Формула внутренней энергии не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Пример

Задание. Идеальный газ расширили в соответствии с законом, который изображен графиком на рис.1. от начального объема V₀. При расширении объем сал равен $V=\tau V_{0}$ . Каково приращение внутренней энергии газа в заданном процессе? Коэффициент адиабаты равен $\gamma$.

Решение. Исходя из рисунка, уравнение процесса можно представить аналитически как:

$$p=\alpha V(2.1)$$

Показатель адиабаты связан с числом степеней свободы газа выражением:

$$\gamma=\frac{i+2}{i}(2.2)$$

Выразим число степеней свободы из (2.2):

$$i=\frac{2}{\gamma-1}$$

Приращение внутренней энергии для постоянной массы газа (см. Пример 1) найдем в соответствии с формулой:

$$\Delta U=\frac{i}{2} \nu R \Delta T(2.4)$$

Запишем уравнения состояний идеального газа для точек (1) и (2) рис.{2}-1\right)$

Читать дальше: Формула времени.

ХиМиК.ru — ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ — Химическая энциклопедия

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ термодинамич. ф-ция состояния системы, ее энергия, определяемая внутр. состоянием. Внутренняя энергия складывается в осн. из кинетич. энергии движения частиц (атомов, молекул, ионов, электронов) и энергии взаимод. между ними (внутри- и межмолекулярной). На внутреннюю энергию влияет изменение внутр. состояния системы под действием внеш. поля; во внутреннюю энергию входит, в частности, энергия, связанная с поляризацией диэлектрика во внеш. электрич. поле и намагничиванием парамагнетика во внеш. магн. поле. Кинетич. энергия системы как целого и потенциальная энергия, обусловленная пространств. расположением системы, во внутреннюю энергию не включаются. В термодинамике определяется лишь изменение внутренней энергии в разл. процессах. Поэтому внутреннюю энергию задают с точностью до нек-рого постоянного слагаемого, зависящего от энергии, принятой за нуль отсчета.

Внутренняя энергия U как ф-ция состояния вводится первым началом термодинамики, согласно к-рому разность между теплотой Q, переданной системе, и работой W, совершаемой системой, зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода, т.е. представляет изменение ф-ции состояния

где U₁ и U₂ — внутренняя энергия системы в начальном и конечном состояниях соответственно. Ур-ние (1) выражает закон сохранения энергии в применении к термодинамич. процессам, т. е. процессам, в к-рых происходит передача теплоты. Для циклич. процесса, возвращающего систему в начальное состояние, . В изохорных процессах, т.е. процессах при постоянном объеме, система не совершает работы за счет расширения, W=0 и теплота, переданная системе, равна приращению внутренней энергии: Q_v=. Для адиабатич. процессов, когда Q = 0, = — W.

Внутренняя энергия системы как ф-ция ее энтропии S, объема V и числа молей m_i i-того компонента представляет собой термодинамический потенциал. Это является следствием первого и второго начал термодинамики и выражается соотношением:

«

где Т — абс. т-ра, р-давление,-хим. потенциал i-того компонента. Знак равенства относится к равновесным процессам, знак неравенства-к неравновесным. Для системы с заданными значениями S, V, m_i (закрытая система в жесткой адиабатной оболочке) внутренняя энергия при равновесии минимальна. Убыль внутренней энергии в обратимых процессах при постоянных V и S равна макс. полезной работе (см. Максимальная работа реакции).

Зависимость внутренней энергии равновесной системы от т-ры и объема U =f(T, V)наз. калорическим уравнением состояния. Производная внутренней энергии по т-ре при постоянном объеме равна изохорной теплоемкости:

Внутренняя энергия идеального газа от объема не зависит и определяется только т-рой.

Экспериментально определяют значение внутренней энергии в-ва, отсчитываемое от ее значения при абс. нуле т-ры. Определение внутренней энергии требует данных о теплоемкости С_V(Т), теплотах фазовых переходов, об ур-нии состояния. Изменение внутренней энергии при хим. р-циях (в частности, стандартная внутренняя энергия образования в-ва) определяется по данным о тепловых эффектах р-ций, а также по спектральным данным. Теоретич. расчет внутренней энергии осуществляется методами статистич. термодинамики, к-рая определяет внутреннюю энергию как среднюю энергию системы в заданных условиях изоляции (напр., при заданных Т, V, m_i). Внутренняя энергия одноатомного идеального газа складывается из средней энергии поступат. движения молекул и средней энергии возбужденных электронных состояний; для двух- и многоатомных газов к этому значению добавляется также средняя энергия вращения молекул и их колебаний около положения равновесия. Внутренняя энергия 1 моля одноатомного идеального газа при т-рах порядка сотен К составляет 3RT/2, где R-газовая постоянная; она сводится к средней энергии поступат. движения молекул. Для двухатомного газа мольное значение внутренней энергии-ок. 5RT/2 (сумма поступат. и вращат. вкладов). Указанные значения отвечают закону равнораспределения энергии для названных видов движения и вытекают из законов классич. статистич. механики. Расчет колебат. и электронного вкладов во внутреннюю энергию, а также вращат. вклада при низких т-рах требует учета квантовомех. закономерностей. Внутренняя энергия реальных систем включает помимо вкладов, учитываемых для идеального газа, также среднюю энергию межмолекулярных взаимодействии.

===
Исп. литература для статьи «ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ»: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964; Полторак О. М., Лекции по химической термодинамике, М., 1971; Ка-рапетьянц М. X., Химическая термодинамика, 3 изд., М., 1975. Н. А. Смирнова.

Страница «ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

Внутренняя энергия в термодинамике — интернет энциклопедия для студентов

Термодинамическая система и определение энергии

Внутренняя энергия системы

Первый закон термодинамики

Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов

Внутренней энергией считают одну из самых важных физических величин, что ответственна за характеристику термодинамической системы и равновесное состояние ее.

Термодинамическая система и определение энергии

Данная система представляет собой совокупность, где осуществляется процесс материального обмена непосредственно между всеми частями, что составляют эту систему (теплообменные и массообменные процессы).

Исходя из уровня изолированности существуют такие виды систем как:

• изолированные — те объекты, что не имеют контакта с окружающей средой;
• закрытые — не осуществляют обменные процессы веществом с окружающей средой (молекулами, ионами, атомами и так далее), но они взаимодействуют с ней с помощью процесса механической работы, обмена теплом и излучения;
• открытые — той тип систем, что характеризуется обменом с внешней средой веществом, излучением, теплом и механической работой.

Под энергией понимают меру движения общую, количественную и взаимодействие разнообразных видов материи. Она не способна без причины исчезать и возникать.

Если система изолирована, то энергия имеет возможность переходить из одной в другую форму, но в плане количества — она сохраняет свой первозданный вид.

Когда система не изолирована, энергия может меняться, но лишь при параллельном изменении энергетических ресурсов окружающей среды на такую же величину.

Во время перехода системы в различные степени, изменение энергии не зависит от способа, с помощью которого был осуществлен перевод, то есть какие превращения его постигли. То есть, можно сказать, что энергия считается не функцией самого процесса, а непосредственно функцией состояния.

Она обеспечивает систему достаточно важным свойством, ведь каждая система должна иметь конкретные энергетические запасы для функционирования.

Внутренняя энергия системы

В природной среде можно выделить такие типы энергии как:

• кинетическая — движения;
• потенциальная — взаимодействие и положение;
• внутренняя энергия — состояние.

Последний вид считается в физической науке суммой энергии потенциальной силы взаимодействия всех частиц системы между собой и кинетической энергии, сопровождающей их движение.

Внутренняя энергия состоит из:

• энергии колебательного, вращательного, поступательного молекулярного движения;
• энергии внутриядерного, межмолекулярного, внутримолекулярного, внутриатомного взаимодействия;
• энергия гравитации, излучения и так далее.

Такой вид энергии представляет из себя суммарный запас энергии системы за вычетом потенциальной и кинетической энергий, их положения в пространстве. Если говорить о абсолютной величине, то у этой энергии она неизвестна, но необходимо принимать ко вниманию изменения внутренней энергии, если система переходит из одного в другое состояние.

От пути процесса внутренняя энергия не зависит, лишь следуя по нему данная система достигла конкретного состояния. Это состояние и является исключительным определением системы. Внутренняя энергия напрямую зависит от массы, поэтому она представлена как экстенсивная величина (количество, масса и объем вещества). Интенсивными величинами, в свою очередь, можно назвать: температуру, давление и прочие характеристики.

Первый закон термодинамики

Энергия внутренняя термодинамической системы может изменяться в процессе работы, которую осуществляют над ней окружающие тела, или наоборот — сама система совершает влияние на внешние тела. Если приложить внешнюю силу, мы способны сжать газ и это приведет к росту температуры газа, значит и внутренняя энергия будет повышаться. Данный тип энергии можно поменять благодаря передачи самой системе или изъятия у нее любого количества тепла.

Принимая ко внимаю закон энергетического сохранения, можно сделать вывод, что перемены внутренней системной энергии приравниваются сумме той теплоты и работы, которую было осуществлено. Эта формулировка закона о сохранности энергии названа первым законом термодинамики и применяется к термодинамическим системам.

Исследователи говорят о том, что отличительной особенностью от внутренней энергии является то, что количество теплоты и работа зависимы от начального, конечного состояния самой системы и от пути, где осуществлялось изменения состояния энергетического.

Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов

Чтобы изучить тепловые явления и механическую энергию тел, в физической науке введено понятие внутренней энергии идеального газа, которую можно легко вычислить.

Одноатомный газ является самым простым, состоит он из отдельных атомов, а не молекул. Если говорить о одноатомных газах, к ним можно отнести инертные газы как: аргон, гелий, неон и так далее. В процессе можно также добиться получения атомарного кислорода, водорода и так далее. Такие газы не характеризуются устойчивостью, ведь, когда атомы сталкиваются, формируются молекулы h3,O2.

Молекулы, что входят в состав идеального газа, не контактируют между собой, лишь иногда происходят моменты столкновений. Это объясняется тем, что они обладают незначительной потенциальной энергией. А энергия остальная считается кинетической энергией хаотического молекулярного перемещения. Исходя из этого, можно считать правдоподобным утверждение о газе в сосуде, так как он является одним целым и не движется. Таким образом, нету упорядоченного движения и механическая энергия достигает отметки нуля.

Идеальный газ характеризуется внутренней энергией. Она отличается прямо пропорциональностью к его абсолютной температуре. Также энергия не зависит от представленного объема газа. Такой тип энергии считается средней кинетической энергией для абсолютно всех атомов.

Энергия внутренняя одноатомного газа понимается как среднекинетическая энергия непосредственно поступательного движения молекул. Молекулы, в которых отсутствует сферическая симметрия, способны к вращению, в отличии от атомов. Именно поэтому, с кинетической энергией в системе от поступательного движения, такие молекулы обладают кинетической энергией вращательного движения.

Если принять ко вниманию традиционную кинетическую теорию, то можно наблюдать, что атомы, молекулы рассматриваются как достаточно маленькие и абсолютно твердые тела. Все тела в рамках традиционной механики отличаются определенным числом уровней свободы, что определяют преимущественно положение объекта в пространстве.

Атомы способны к осуществлению лишь поступательных движений, в соотношении трех взаимно перпендикулярных, независимых направлений. Молекула из двух атомов, в свою очередь, обладает осевой симметрией и пятью уровнями свободы. Три степени соответствуют поступательному движению, а остальные — вращательному вокруг двух осей, что размещены перпендикулярных друг другу и к симметрической оси, что объединяет атомные центры в молекуле.

Молекула, что состоит из многих атомов отличается шестью уровнями свободы. Она способна вместе с поступательным движением осуществлять вращение вокруг взаимно перпендикулярных трех осей.

Внутренняя газовая энергия зависима от количества уровней молекулярной свободы. Результатом преимущественной беспорядочности движения теплоты считается тот факт, что молекулярные движения не обладают какими-либо достоинствами, если сравнить их с другими.

На все соответствующие поступательные молекулярные движения уровень свободы приходится идентичная средняя кинетическая энергия. Именно об этом гласит теорема равномерного распределения непосредственно кинетической энергии по отношению к уровням свободы, что доказывается в статистической механике.

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

Определение 1

Термодинамика — раздел физики, изучающий превращения энергии в макроскопических системах и основные свойства этих систем.

Термодинамика опирается на общие закономерности тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики эмпирические, то есть опираются на факты, проверенные опытным путем с использованием молекулярно-кинетической модели.

Для описания термодинамических процессов в системах, состоящих из большого числа частиц, используются величины, не применимые к отдельным молекулам и атомам: температура, давление, концентрация, объем, энтропия)

Определение 2

Термодинамическое равновесие — состояние макросопической системы, когда описывающие ее макроскопические величины остаются неизменными.

В термодинамике рассматриваются изолированные системы тел, находящиеся в термодинамическом равновесии. То есть в системах с прекращением всех наблюдаемых макроскопических процессов. Особую важность представляет свойство, которое получило название выравнивания температуры всех ее частей.

При внешнем воздействии на термодинамическую систему наблюдается переход в другое равновесное состояние. Он получил название термодинамического процесса. Когда время его протекания достаточно медленное, система приближена к состоянию равновесия. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называют квазистатическими.

Внутренняя энергия. Формулы

Внутренняя энергия считается важнейшим понятием термодинамики. Макроскопические тела (системы) имеют внутреннюю энергию, состящую из энергии каждой молекулы. Исходя из молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии атомов и молекул, а также потенциальной энергии их взаимодействия.

Например, внутренняя энергия идеального газа равняется сумме кинетических энергий частиц газа, которые находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. После подтверждений большим количеством экспериментов, был получен закон Джоуля:

Определение 3

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Применение молекулярно-кинетической теории говорит о том, что выражение для определения внутренней энергии 1 моля одноатомного газа, с поступательными движениями молекул записывается как:

U=32NАkT=32RT.

Зависимость от расстояния между молекулами у потенциальной энергии очевидна, поэтому внутренняя U и температура Т обусловлены изменениями V:

U=U(T, V).

Определение 4

Определение внутренней энергии U производится с помощью наличия макроскопических параметров, характеризующих состояние тела. Изменение внутренней энергии происходит по причине действия на тело внешних сил, совершающих работу. Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

 

Пример 1

Когда газ в цилиндре сжимается под поршнем, то внешние силы совершают положительную работу A’. Силы давления газа на поршень также совершают работу, но равную A=-A’. При изменении объема газа на величину ∆V, говорят, что он совершает работу pS∆x=p∆V, где p – давление газа, S – площадь поршня, ∆x – его перемещение. Подробно показано в примере на рисунке 1.

Наличие знака перед работой говорит о работе газа в разных состояниях: положительная при расширении и отрицательная при сжатии. Переход из начального в конечное состояние работы газа может быть описан с помощью формулы:

A=∑pidVi или в пределе при ∆Vi→0:

A=∫V1V2pdV.

Рисунок 1. Работа газа при расширении.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Обратимые и необратимые процессы

Работа численно равняется площади процесса, изображенного на диаграмме p, V. Величина А зависит от метода перехода от начального состояния в конечное. Рисунок 2 показывает 3 процесса, которые переводят газ из состояние (1) в состояние (2). Во всех случаях газ совершает работу.

Рисунок 2. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

Процессы из рисунка 2 возможно провести в обратном направлении. Тогда произойдет изменение знака А на противоположный.

Определение 5

Процессы, которые возможно проводить в обоих направлениях, получили название обратимых.

Жидкости и твердые тела могут незначительно изменять свой объем, поэтому при совершении работы разрешено им пренебречь. Но их внутренняя энергия подвергается изменениям посредствам совершения работы.

Пример 2

Механическая обработка деталей нагревает их. Это способствует изменению внутренней энергии. Имеется еще один пример опыта Джоуля 1843 года, служащий для определения механического эквивалента теплоты, изображенного на рисунке 3. Во время вращения катушки, находящейся в воде, внешние силы совершают положительную работу A’>0, тогда жидкость повышает температуру из-за наличия силы трения, то есть происходит увеличение внутренней энергии.

Определение 6

Процессы примеров не могут проводиться в противоположных направлениях, поэтому они получили название необратимых.

Рисунок 3. Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты.

Изменение внутренней энергии возможно при наличии совершаемой работы и при теплообмене. Тепловой контакт тел позволяет увеличиваться энергии одного тела с уменьшением энергии другого. Иначе это называется тепловым потоком.

Количество теплоты

Определение 7

Количество теплоты Q, полученное телом, называется его внутренней энергией, получаемой в результате теплообмена.

Рисунок 4. Модель работы газа.

Процесс передачи тепла тел возможен только при разности их температур.

Направление теплового потока всегда идет к холодному телу.

Количество теплоты Q считается энергетической величиной и измеряется в джоулях (Дж).

Энергия, энтальпия и первый закон термодинамики

Энергия, энтальпия и первый закон Термодинамика

---

Химическая термодинамика

Термодинамика определяется как отрасль науки, которая занимается взаимосвязь между теплом и другими формами энергии, такими как работа. Часто бывает обобщены в виде трех законов, которые описывают ограничения на то, как различные формы энергии могут быть взаимопревращенными. Химическая термодинамика — это раздел термодинамики, относится к химическим реакциям.

Законы термодинамики

Первый закон: Энергия сохраняется; его нельзя ни создать, ни уничтожить.

Второй закон: В изолированной системе естественные процессы являются спонтанными, когда они приводят к увеличение беспорядка или энтропии.

Третий закон: энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалл равен абсолютному нулю (0 К).

Было много попыток построить устройство, нарушающее законы термодинамика. Все потерпели неудачу. Термодинамика — одна из немногих областей науки в мире. для которых нет исключений.

---

Система и окрестности

Одно из основных предположений термодинамики — это идея, что мы можем произвольно разделите вселенную на систему и ее окружение .В граница между системой и ее окружением может быть такой же реальной, как стенки стакана который отделяет решение от остальной Вселенной (как на рисунке ниже).

Или он может быть таким же воображаемым, как набор точек, которые просто разделяют воздух. над поверхностью металла от остальной атмосферы (как на рисунке ниже).

---

Внутренняя энергия

Одним из термодинамических свойств системы является ее внутренняя энергия , E , который представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, которые образуют систему.Внутреннюю энергию системы можно понять, исследуя самая простая из возможных систем: идеальный газ. Поскольку частицы в идеальном газе не взаимодействуют, эта система не имеет потенциальной энергии. Внутренняя энергия идеального газа равна следовательно, сумма кинетических энергий частиц в газе.

Кинетическая молекулярная теория предполагает, что температура газа равна прямо пропорциональна средней кинетической энергии его частиц, как показано на рисунок ниже.

Следовательно, внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна температура газа.

E _sys = ³ / ₂ RT

В этом уравнении R — идеальная газовая постоянная в джоулях на моль. кельвин (Дж / моль-К) и T — температура в кельвинах.

Внутренняя энергия систем более сложных, чем идеальный газ нельзя измерить напрямую. Но внутренняя энергия системы по-прежнему пропорциональна его температура. Таким образом, мы можем отслеживать изменения внутренней энергии системы с помощью наблюдая, что происходит с температурой системы. Когда температура системы увеличивается, мы можем сделать вывод, что внутренняя энергия системы также повысился.

Предположим, что термометр погружен в стакан с водой. на плите — 73.5 ^o C, как показано на рисунке ниже. Это измерение может описывать только состояние системы в данный момент времени. Он не может сказать нам, воду нагревали непосредственно от комнатной температуры до 73,5 ^o C или нагревали из комнаты температуру до 100 ^o C, а затем дают остыть.

Температура, таким образом, является функцией состояния . Это зависит только от состояние системы в любой момент времени, а не путь, по которому система штат.Поскольку внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре, внутренняя энергия также является функцией состояния. Любое изменение внутренней энергии системы равна разнице между его начальным и конечным значениями.

E _{системный} = E _f — E _i

---

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики можно выразить в следующем уравнении: который утверждает, что энергия Вселенной постоянна.Энергию можно передавать от систему в ее окружение или наоборот, но она не может быть создана или уничтожена.

Первый закон термодинамики :

E унив. = E системный + E surr = 0

Более полезная форма первого закона описывает, как сохраняется энергия.Это говорит, что изменение внутренней энергии системы равно сумме тепла полученные или утраченные системой, а также работа, выполненная системой или в ней.

Первый закон термодинамики :

E системный = q + w

Знаковое соглашение о соотношении внутренней энергии систему и тепло, получаемое или теряемое системой, можно понять, подумав о конкретный пример, такой как стакан с водой на горячей плите.Когда плита повернута при включении система получает тепло от окружающей среды. В результате и температура, и внутренняя энергия системы увеличивается, а E и составляет положительных . Когда конфорка выключена, вода теряет тепло в окружающую среду, когда охлаждается до комнатной температуры, а E — отрицательное значение .

Связь между внутренней энергией и работой можно понять с помощью Рассмотрим другой конкретный пример: вольфрамовая нить внутри лампочки.Когда работаешь осуществляется в этой системе путем пропускания электрического тока через вольфрамовую проволоку, система нагревается и E , следовательно, положительный . (В конце концов, проволока становится достаточно горячей светиться.) И наоборот, E отрицательное значение , когда система работает со своим окружением.

Условные обозначения для тепла, работы и внутренней энергии кратко изложены в рисунок ниже. Внутренняя энергия и температура системы уменьшаются ( E <0), когда система либо теряет тепло, либо работает со своим окружением.И наоборот, внутренняя энергия и повышение температуры ( E > 0), когда система получает тепло от окружающей среды или когда она работает в системе.

---

Система и работа

Система обычно определяется как химическая реакция, а граница контейнер, в котором протекает реакция.В ходе реакции тепло либо испускается или поглощается системой. Кроме того, система либо работает на нем. окружение или какие-то работы, сделанные в его окрестностях. Любое из этих взаимодействий может влияют на внутреннюю энергию системы.

E _{системный} = q + w

С химической реакцией обычно связаны два вида работы: электрическая работа и работа работа расширения .Химические реакции могут повлиять на их окружение, пропуская электрический ток по внешнему проводу. Реакции тоже делают работать с их окружением, когда объем системы увеличивается в течение реакция Количество работы расширения, совершаемой реакцией, равно произведению давление, против которого система расширяется, умноженное на изменение объема система.

w = — PV

Знаковое соглашение для этого уравнения отражает тот факт, что внутреннее энергия системы уменьшается, когда система действительно работает со своим окружением.

---

Энтальпия относительно внутренней энергии

Что произойдет, если мы создадим набор условий, при которых работа не будет что делает система в своем окружении или наоборот, во время химической реакции? Под В этих условиях тепло, выделяемое или поглощаемое реакцией, будет равно изменение внутренней энергии системы.

E _{системный} = q (если и только если w = 0)

Самый простой способ достичь этих условий — запустить реакцию при постоянный объем, при котором работа расширения невозможна.При постоянном объеме тепло выделяется или поглощается реакцией, равно изменению внутренней энергии, которая происходит во время реакции.

E _{системный} = q _v (при постоянном объеме)

На рисунке ниже показан калориметр, в котором реакции могут проводиться при постоянный объем. Однако большинство реакций проводят в открытых колбах и лабораторных стаканах. Когда это сделано, объем системы не является постоянным, потому что газ может входить или выходить из контейнер во время реакции.Однако система находится под постоянным давлением, поскольку общее давление внутри контейнера всегда равно атмосферному давлению.

Если во время реакции из колбы выходит газ, система работать над его окрестностями. Если в результате реакции в колбу втягивается газ, окружающая среда работать над системой. Мы все еще можем измерить количество тепла, выделяемого или поглощаемого во время реакции, но она больше не равна изменению внутренней энергии система, потому что часть тепла была преобразована в работу.

E _{системный} = q + w

Мы можем обойти эту проблему, введя понятие энтальпии ( H ), который представляет собой сумму внутренней энергии системы плюс произведение давление газа в системе, умноженное на объем системы.

H _sys = E _sys + PV

Для простоты индекс «sys» будет опущен. символ внутренней энергии системы и энтальпии системы из сейчас на.Поэтому мы будем сокращать соотношение между энтальпией системы и внутренняя энергия системы следующим образом.

H = E + PV

Изменение энтальпии системы во время химической реакции равно равна изменению его внутренней энергии плюс изменение произведения давления раз больше объема системы.

H = E + ( PV )

Предположим, что реакция протекает в стакане из пенополистирола, как показано на рисунок ниже.

Поскольку реакция протекает при постоянном давлении, изменение энтальпия, возникающая во время реакции, равна изменению внутренней энергии система плюс произведение постоянного давления на изменение объема система.

H = E + PV (при постоянном давлении)

Подстановка первого закона термодинамики в это уравнение дает следующий результат.

H = ( q _p + w ) + PV

Предполагая, что единственная работа, выполняемая реакцией, — это работа расширения дает уравнение, в котором исключаются члены PV .

H = ( q _p — PV ) + PV

Таким образом, тепло, выделяемое или поглощаемое во время химической реакции при постоянное давление равно изменению энтальпии системы.

H = q _p (при постоянном давлении)

Связь между изменением внутренней энергии системы во время химической реакции и энтальпию реакции можно резюмировать следующим образом.

1. Тепло, выделяемое или поглощаемое при протекании реакции при постоянной . объем равен изменению внутренней энергии системы.

E _{системный} = q _v

2.Тепло, выделяемое или поглощаемое при протекании реакции при постоянной давление равно изменению энтальпии системы.

H _{системный} = q _p

3. Изменение энтальпии системы во время химической реакции равно равна изменению внутренней энергии плюс изменение произведения давления количества газа в системе и его объема.

H _sys = E _{системный} + ( PV )

4.Разница между E и H для системы небольшая для реакций, в которых участвуют только жидкости и твердые вещества, поскольку изменения практически отсутствуют в объеме системы во время реакции. Разница может быть относительно большой, однако для реакций, в которых участвуют газы, при изменении количества молей газ в процессе реакции.

Практическая задача 1: Что из следующего процессы выполняются с постоянным объемом, а какие — при постоянном давлении? (а) кислотно-основное титрование (b) разложение CaCo 3 путем нагревания известняка в тигле с бунзеном. горелка (c) реакция между металлическим цинком и водным раствором ионов Cu 2+ до образуют металлическую медь и ионы Zn 2+ (d) измерение калорий в 1 унции.подача хлопьев для завтрака путем сжигания хлопьев в калориметре бомбы Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на «Практика» Задача 1.

Что такое внутренняя энергия в термодинамике?

В термодинамике внутренняя энергия системы называется полной энергией, содержащейся в системе.

Эта энергия может быть изменена путем воздействия на нее работы или передачи энергии. Энергия системы может изменяться путем передачи тепла или работы (или того и другого) между системой и ее окружением.Если применяется положительная работа, система получает энергию.

Первый закон термодинамики постулирует, что увеличение внутренней энергии равно сумме добавленного тепла плюс работа, выполняемая окружающей средой. Если это изолированная система, она остается постоянной.

Внутренняя энергия — это функция состояния. Его значение зависит только от текущего состояния системы. Это также обширная собственность.

Единицей измерения по Международной системе является джоуль (Дж).

Внутренняя энергия в микроскопическом масштабе

В микроскопическом масштабе эта форма энергии включает внутреннюю кинетическую и потенциальную энергию:

• Внутренняя кинетическая энергия — это сумма всех кинетических энергий каждого элемента системы относительно его центра масс. (переводы, вращения и колебания атомов и электронов).

• Внутренняя потенциальная энергия. То есть потенциальная энергия, связанная с каждым из взаимодействий этих элементов.Это связано со статическими составляющими материи.

Например, бутылка с водой комнатной температуры не имеет видимой энергии. Но в микроскопическом масштабе молекулы воды движутся со скоростью сотни метров в секунду, вибрируя и вращаясь.

Как это относится к идеальным газам?

В термодинамике часто используется понятие идеального газа. Это приближение к реальным системам, которые используются в образовательных целях.

Идеальный газ — это газ частиц, рассматриваемых как точечные объекты, которые взаимодействуют только посредством упругих столкновений.Здесь кинетическая энергия состоит только из поступательной энергии отдельных атомов.

Следовательно, изменения внутренней энергии в идеальном газе происходят только из-за изменений его кинетической энергии. В этом случае энергия зависит исключительно от ее давления, объема и термодинамической температуры. Значение пропорционально его массе (количеству молей), температуре и удельной теплоемкости при постоянном объеме газа.

Теплоемкость — это количество тепла, которое подводится к данной массе материала, чтобы вызвать изменение его температуры на единицу.Предполагается, что теплоемкость при постоянном давлении связана с теплоемкостью при постоянном объеме.

Как измеряется внутренняя энергия?

Измерение полной внутренней энергии невозможно. Его изменение измеряется и выражается как ΔU.

Это изменение зависит от тепловой энергии, световой энергии или аналогичной передаваемой энергии. Вы также можете рассчитать объем работы, выполненной системой, или работы, выполненной в системе.

Когда термодинамическая система передает энергию от тепла другой системе, внутренняя энергия двух систем меняется.Также могут быть изменены другие его переменные состояния.

Если есть изменение в атомной или молекулярной структуре, есть изменение во внутренней химической энергии.

Первый закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Маломасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов.Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и спрогнозировать работу физического система. Мы представим несколько простых примеров этих законов и свойства для множества физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также высокоскоростные потоки. К счастью, многие из Классические примеры термодинамики включают газовую динамику.

По нашим наблюдениям за проделанной работой, или с помощью газа, мы обнаружили, что объем работы зависит не только от начального и конечного состояний газа но также и в процессе или пути, который производит конечное состояние. Точно так же тепла, переданного в, или от газа также зависит от начального и конечного состояний и процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения реальных газов показали, что разница теплового потока в газ а работа, проделанная газом, зависит только от начального и конечного состояния газа и не зависит ли от от процесса или пути который производит конечное состояние.Это говорит о существовании дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа, который зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса. Внутренняя энергия — это переменная состояния, как и температура или давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и работа (W), выполненная на система.

E2 — E1 = Q — W

Мы подчеркнули слова «в» и «по» в определении.Отвод тепла из системы будет присвоен отрицательный знак в уравнении. Аналогично работаем Сделанному в системе присваивается отрицательный знак.

Внутренняя энергия — это просто форма энергии, подобная потенциальной энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же и потенциальная энергия может быть преобразован в кинетическую энергию при сохранении полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию.Как потенциал энергия, внутренняя энергия может храниться в системе. Обратите внимание, однако, что тепло и работы не могут храниться или сохраняться независимо, поскольку они зависят от о процессе. Первый закон термодинамики допускает многие возможные состояния системы, но только определенные состояния обнаружено, что существует в природе. В второй закон термодинамики помогает объясните это наблюдение.

Если система полностью изолирована от внешней среды, она возможно изменение состояния, при котором тепло не передается в система.Ученые называют процесс, в котором нет тепла. перенос как адиабатический процесс. Реализация первого закона термодинамики для газов вводит еще один полезная переменная состояния, называемая энтальпией который описан на отдельной странице.

---

Экскурсии с гидом

• Термодинамика:

---

Деятельность:

---

Сайты по теме:
Rocket Index
Rocket Home
Руководство для начинающих

Первый закон термодинамики

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите первый закон термодинамики.
• Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
• Опишите примеры первого закона термодинамики, работающего в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
• Рассчитайте изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.

Рис. 1. Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику.По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)

Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной на системой.В форме уравнения первый закон термодинамики: Δ U = Q — W .

Здесь Δ U — изменение внутренней энергии U системы. Q — это чистого тепла, переданного в систему , то есть Q — это сумма всей теплопередачи в систему и из нее. W — это чистая работа , выполненная системой , то есть W — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею.Мы используем следующие условные обозначения: если значение Q положительное, значит, в системе имеется чистый теплоперенос; если Вт положительно, значит, система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом, Δ U = Q — W . Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример — в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу.(См. Рис. 2.) Теперь мы рассмотрим Q , W и Δ U .

Рис. 2. Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Q положительно для чистой передачи тепла в систему. Вт — это общий объем работы, проделанной с системой. W положительно, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы Δ U связано с теплом и работой по первому закону термодинамики Δ U = Q — Вт .

Установление связей: закон термодинамики и закон сохранения энергии

Первый закон термодинамики — это фактически закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

Нагрев

Q и Работа Вт

Теплопередача ( Q ) и выполнение работы ( W ) — два повседневных средства подачи энергии в систему или вывода энергии из системы. Процессы совершенно разные. Теплопередача, менее организованный процесс, определяется разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее, тепло и работа могут дать одинаковые результаты, например, оба могут вызвать повышение температуры.Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину. Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменить внутреннюю энергию U системы.Внутренняя энергия — это форма энергии, полностью отличная от тепла или работы.

Внутренняя энергия

U

Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами. Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая рассматривает систему в атомном и молекулярном масштабе. внутренняя энергия U системы — это сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией.Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями. Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии Δ U как значение, определяемое первым законом термодинамики: Δ U = Q — Вт .

Многие подробные эксперименты подтвердили, что Δ U = Q — W , где Δ U — изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул в системе. Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а — не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, U оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например от того, была ли проведена теплопередача или была проделана работа.Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем рассчитать изменения ее внутренней энергии U на основе нескольких макроскопических переменных.

Установление соединений: макроскопические и микроскопические

В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчете поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы.Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию U ₁ в состоянии 1 и имеет внутреннюю энергию. энергия U ₂ в состоянии 2, независимо от того, как он попал в любое состояние. Таким образом, изменение внутренней энергии Δ U = U ₂ — U ₁ не зависит от того, что вызвало изменение.Другими словами, Δ U не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что Δ U = Q — W . И Q , и W зависят от пути , а Δ U — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию U легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.

Пример 1.Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

U производится двумя разными процессами

1. Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25,00 Дж, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?
2. Каково изменение внутренней энергии системы, когда в общей сложности 150,00 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159?00 Дж работы выполнено в системе? (См. Рисунок 3).

Рис. 3. Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа потребляет в общей сложности 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q − W = 9,00 Дж. (b) Теплопередача удаляет 150,00 Дж из система во время работы вкладывает в нее 159,00 Дж, увеличивая внутреннюю энергию на 9,00 Дж. Если система начинает работу в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

Стратегия

В части 1 мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики (Δ U = Q — W ) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для Части 1

Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

Q = 40.00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж.

Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

Вт = 10,00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

Δ U = Q — Вт = 15,00 Дж — 6,00 Дж = 9,00 Дж

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Во-первых, рассмотрим теплопередачу 40,00 Дж в и 10.00 Дж работы, или Δ U ₁ = Q ₁ — Вт ₁ = 40,00 Дж — 10,00 Дж = 30,00 Дж

Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплоотдачи и 4,00 Дж работы на входе, или

Δ U ₂ = Q ₂ — W ₂ = –25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = –21,00 Дж

Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или Δ U = Δ U ₁ + Δ U ₂ = 30.00 Дж + (-21,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение части 1

Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

Решение для Части 2

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны непосредственно равными Q = –150,00 Дж и Вт = –159,00 Дж, так что

Δ U = Q — Вт = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж.

Обсуждение части 2

Совершенно другой процесс в части 2 дает то же 9.Изменение внутренней энергии на 00 Дж, как в части 1. Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с Δ U , а не с отдельными задействованными Q с или Вт с. Система оказывается в том же состоянии в обеих частях. Части 1 и 2 представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаково — оно не зависит от пути.

Метаболизм человека и первый закон термодинамики

Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир.Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду.Это означает, что Q отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром. Это означает, что Вт положительный. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку Δ U = Q — Вт отрицательно.

Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем.По сути, метаболизм — это процесс окисления, при котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи. Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

В химии и биохимии одна калория (пишется с строчной буквы c) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия.Диетологи и любители веса склонны использовать диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C). Одна еда Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать их.

Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток).Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из тела, а пища возвращает ее. Если вы едите нужное количество еды, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге Δ U = 0. Если вы постоянно переедаете, Δ U всегда положительный, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если Δ U будет отрицательным в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Тело накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы заменить потерянную еду. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным в результате более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа.Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии.

Тело дает нам отличный индикатор того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице.Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики показаны на рисунке 4. Одно большое преимущество законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета осложнения между ними.В таблице 1 представлена ​​сводка терминов, относящихся к первому закону термодинамики.

Рис. 4. (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в запасенную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.

Таблица 1.Краткое изложение терминов первого закона термодинамики, ΔU = Q — W
Срок	Определение
U	Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, P , V и T ), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
Q	Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. Q вход в систему положительный.
Вт	Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. W , выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным.

Сводка раздела

• Первый закон термодинамики задается как Δ U = Q — W , где Δ U — изменение внутренней энергии системы, Q — чистая теплопередача (сумма вся теплопередача в систему и из нее), а Вт — это чистая проделанная работа (сумма всей работы, выполненной в системе или ею).
• И Q , и W представляют собой энергию в пути; только Δ U представляет собой независимую величину, которую можно хранить.
• Внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
• Метаболизм живых организмов и фотосинтез растений — это особые виды передачи тепла, выполнения работы и внутренней энергии систем.

Концептуальные вопросы

1. Опишите фотографию чайника в начале этого раздела с точки зрения теплопередачи, проделанной работы и внутренней энергии. Как передается тепло? Какая работа и что делается? Как чайник поддерживает свою внутреннюю энергию?
2. Первый закон термодинамики и закон сохранения энергии, как обсуждалось в «Сохранении энергии», явно связаны.Чем они различаются по рассматриваемым видам энергии?
3. Теплообмен Q и выполненная работа Вт — это всегда энергия в пути, тогда как внутренняя энергия U — это энергия, запасенная в системе. Приведите пример каждого типа энергии и конкретно укажите, как он передается или находится в системе.
4. Чем отличаются теплопередача и внутренняя энергия? В частности, что можно сохранить как таковое в системе, а что нет?
5. Если вы сбежите по лестнице и остановитесь, что произойдет с вашей кинетической энергией и вашей начальной гравитационной потенциальной энергией?
6. Объясните, как пищевая энергия (калории) может рассматриваться как молекулярная потенциальная энергия (в соответствии с атомарным и молекулярным определением внутренней энергии).
7. Определите тип энергии, передаваемой вашему телу в каждом из следующих случаев: внутренняя энергия, теплопередача или выполнение работы: (а) купание в солнечном свете; (б) употребление пищи; (c) подъем на лифте на более высокий этаж.

Задачи и упражнения

1. Как изменится внутренняя энергия автомобиля, если в его бак залить 12 галлонов бензина? Энергетическая ценность бензина составляет 1,3 × 10 ⁸ Дж / галлон. Все остальные факторы, например температура в автомобиле, постоянны.
2. Сколько тепла происходит от системы, если ее внутренняя энергия уменьшилась на 150 Дж, когда она выполняла 30,0 Дж работы?
3. Система выполняет 1,80 × 10 ⁸ Дж работы, в то время как 7,50 × 10 ⁸ Дж теплопередачи происходит в окружающую среду. Каково изменение внутренней энергии системы при отсутствии других изменений (например, температуры или добавления топлива)?
4. Каково изменение внутренней энергии системы, которая выполняет работу 4,50 × 10 ⁵ Дж, а 3.00 × 10 ⁶ Дж происходит теплопередача в систему, а 8.00 × 10 ⁶ Дж теплопередачи происходит в окружающую среду?
5. Предположим, что женщина выполняет 500 Дж работы, и 9500 Дж передается в окружающую среду в процессе. а) Как уменьшается ее внутренняя энергия, если не меняется температура или потребление пищи? (То есть другой передачи энергии нет.) Б) Какова ее эффективность?
6. (а) Сколько пищевой энергии человек усвоит в процессе усвоения 35.0 кДж работы при КПД 5,00%? б) Сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать постоянную температуру?
7. (а) Какова средняя скорость метаболизма в ваттах человека, который усваивает 10 500 кДж пищевой энергии за один день? (б) Какое максимальное количество работы в джоулях он может выполнить без расщепления жира, предполагая максимальную эффективность 20,0%? (c) Сравните его производительность с дневной мощностью двигателя 187 Вт (0,250 лошадиных сил).
8. (a) На сколько хватит энергии в стакане йогурта мощностью 1470 кДж (350 ккал) у женщины, выполняющей работу с мощностью 150 Вт с эффективностью 20?0% (например, при неспешном подъеме по лестнице)? (б) Означает ли время, указанное в части (а), что легко потребить больше пищевой энергии, чем вы можете разумно ожидать, работая с упражнениями?
9. (a) Женщина, поднимающаяся на памятник Вашингтону, усваивает 6,00 × 10 ² кДж пищевой энергии. Если ее КПД составляет 18,0%, сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать ее температуру постоянной? (б) Обсудите величину теплопередачи, указанную в (а). Это согласуется с тем, что вы быстро разминаетесь во время тренировки?

Глоссарий

Первый закон термодинамики: гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой

внутренняя энергия: сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы

метаболизм человека: преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,6 × 10 ⁹ Дж

3. −9.30 × 10 ⁸ Дж

5. (а) -1,0 × 10 ⁴ Дж, или -2,39 ккал; (б) 5,00%

7. (а) 122 Вт; (б) 2,10 × 10 ⁶ Дж; (c) Работа двигателя составляет 1,61 × 10 ⁷ Дж; таким образом, двигатель производит в 7,67 раз больше работы, чем человек

9. (a) 492 кДж; (б) Такое количество тепла соответствует тому факту, что вы быстро согреваетесь во время тренировки. Поскольку организм неэффективен, выделяемое избыточное тепло должно рассеиваться через потоотделение, дыхание и т. Д.

Внутренняя энергия и энтальпия | Введение в химию

Цель обучения

• Энтальпия реакции пересмотреть

---

Ключевые моменты

• При постоянном объеме теплота реакции равна изменению внутренней энергии системы.
• При постоянном давлении теплота реакции равна изменению энтальпии системы.
• Большинство химических реакций происходит при постоянном давлении, поэтому энтальпия чаще используется для измерения теплоты реакции, чем внутренняя энергия.

---

Условия

• энтальпия В термодинамике, мера теплосодержания химической или физической системы.
• внутренняя энергия Свойство, характеризующее состояние термодинамической системы, изменение которого равно поглощенному теплу за вычетом работы, совершаемой системой.
• первый закон термодинамики Тепло и работа — это формы передачи энергии; внутренняя энергия замкнутой системы изменяется по мере того, как тепло и работа передаются в нее или из нее.

---

В термодинамике работа ( W ) определяется как процесс передачи энергии от одной системы к другой. Первый закон термодинамики гласит, что энергия замкнутой системы равна количеству тепла, подводимого к системе, за вычетом количества работы, выполняемой системой над своим окружением. Количество энергии для замкнутой системы записывается следующим образом:

[латекс] \ Delta U = Q — W [/ латекс]

В этом уравнении U — это полная энергия системы, Q — тепло, а Вт — работа.В химических системах наиболее распространенным типом работы является работа давления-объема ( PV ), при которой объем газа изменяется. Подставляя это для работы в приведенное выше уравнение, мы можем определить изменение внутренней энергии для химической системы:

[латекс] \ Delta U = Q-P \ Delta V [/ латекс]

Изменение внутренней энергии при постоянном объеме

Давайте исследуем изменение внутренней энергии [латекс] \ Delta U [/ латекс] при постоянном объеме. При постоянном объеме [латекс] \ Delta V = 0 [/ латекс] уравнение для изменения внутренней энергии сводится к следующему:

[латекс] \ Delta U = Q_V [/ латекс]

Индекс V добавлен к Q , чтобы указать, что это теплопередача, связанная с химическим процессом при постоянном объеме.Однако эту внутреннюю энергию часто очень трудно вычислить в реальных условиях, потому что химики, как правило, проводят свои реакции в открытых колбах и стаканах, которые позволяют газам уходить в атмосферу. Следовательно, объем не поддерживается постоянным, и вычисление [латекс] \ Delta U [/ латекс] становится проблематичным. Чтобы исправить это, мы вводим понятие энтальпии , которое гораздо чаще используется химиками.

Стандартная энтальпия реакции

Энтальпия реакции определяется как внутренняя энергия реакционной системы, плюс произведение давления и объема.Выдается:

[латекс] H = U + PV [/ латекс]

Добавив термин PV , можно измерить изменение энергии в химической системе, даже если эта система действительно воздействует на окружающую среду. Чаще всего нас интересует изменение энтальпии данной реакции, которое можно выразить следующим образом:

[латекс] \ Delta H = \ Delta U + P \ Delta V [/ латекс]

Когда вы запускаете химическую реакцию в лаборатории, реакция происходит при постоянном давлении, потому что атмосферное давление вокруг нас относительно постоянно.Мы рассмотрим изменение энтальпии для реакции при постоянном давлении, чтобы понять, почему энтальпия является таким полезным понятием для химиков.

Энтальпия реакции при постоянном давлении

Давайте еще раз посмотрим на изменение энтальпии для данного химического процесса. Выдается следующим образом:

[латекс] \ Delta H = \ Delta U + P \ Delta V [/ латекс]

Однако мы также знаем, что:

[латекс] \ Delta U = Q-W = Q-P \ Delta V [/ латекс]

Подставляя для объединения этих двух уравнений, получаем:

[латекс] \ Delta H = Q-P \ Delta V + P \ Delta V = Q_P [/ latex]

Таким образом, при постоянном давлении изменение энтальпии просто равно количеству тепла, выделяемого / поглощаемого в результате реакции.Из-за этой связи изменение энтальпии часто называют просто «теплотой реакции».

Энтальпия Объяснение того, почему энтальпию можно рассматривать как «теплосодержание» в системе постоянного давления. Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Термодинамика

Термодинамика

Энергия, Энтальпия и первый закон термодинамики

Химическая промышленность Термодинамика

Термодинамика определяется как отрасль науки, которая занимается взаимоотношениями между тепло и другие формы энергии, например работа.это часто сводятся к трем законам, которые описывают ограничения на то, как могут быть разные формы энергии перевернутый. Химическая термодинамика — часть термодинамики, относящейся к химическим реакциям.

Законы термодинамики

Первый закон: Энергия сохраняется; может быть ни создано, ни уничтожено.

Второй закон: В изолированной системе естественный процессы являются спонтанными, когда они приводят к увеличение беспорядка или энтропии.

Третий закон: энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалла равняется абсолютному нулю (0 К).

Было много попыток построить устройство, нарушающее законы термодинамики.У всех есть не смогли. Термодинамика — одна из немногих областей науки, в которой нет исключений.

Система и Окружение

Одно из основных предположений термодинамика — это идея, что мы можем произвольно разделить Вселенная в систему и ее окружение . Граница между системой и ее окружением может быть такой же реальный, как стенки стакана, отделяющего раствор от остальной вселенной (как на рисунке ниже).

Внутренний Энергия

Одно из термодинамических свойств система — это ее внутренняя энергия , E , которая является сумма кинетической и потенциальной энергий частиц которые образуют систему. Внутренняя энергия системы может быть понять, исследуя простейшую возможную систему: идеальный газ.Поскольку частицы в идеальном газе не взаимодействуют, эта система не имеет потенциальной энергии. внутренний Таким образом, энергия идеального газа представляет собой сумму кинетических энергии частиц в газе.

Внутренняя энергия идеального газа равна прямо пропорциональна температуре газ.

Предположим пока, что термометр при погружении в стакан с водой на горячей плите показывает 73,5 ^o C, как показано на рисунке ниже.Это измерение может только описать состояние системы в данный момент времени. Это не можем сказать, была ли вода нагрета прямо из комнаты температура до 73,5 ^o C или с обогревом из помещения температуру до 100 ^o C, а затем дают остыть.

Температура, таким образом, является функцией состояния . Это зависит только от состояния системы в любой момент в время, а не путь, по которому система перешла в это состояние.Поскольку внутренняя энергия системы пропорциональна его температура, внутренняя энергия также являются функцией состояния. Любое изменение внутренней энергии системы равно разница между его начальным и конечным значениями.

E _sys = E _f — E _i

Первый закон термодинамики может быть зафиксировано в следующем уравнении, в котором говорится, что энергия Вселенной постоянна.Энергия может быть передана из системы в ее окружение или наоборот, но она не могут быть созданы или уничтожены.

Первый закон термодинамики :

Более полезная форма первого закона описывает как сохраняется энергия. В нем говорится, что изменение внутренняя энергия системы равна сумме тепла приобретенные или потерянные системой, а также работа, проделанная или на система.

Условные обозначения для тепла, работы и внутренняя энергия представлена ​​на рисунке ниже. В внутренняя энергия и температура системы снижаются когда система либо теряет тепло, либо работает на своем окружение. Наоборот, внутренняя энергия и температура увеличиваться, когда система получает тепло от окружающей среды или когда она работает в системе.

Система и Работа

Система обычно определяется как химическая реакция, а граница — это контейнер, в котором реакция запущена.В ходе реакции выделяется тепло. либо испускается, либо поглощается системой. Кроме того, система либо работает в своем окружении, либо уже проделала работу на нем своим окружением. Любое из этих взаимодействий может влияют на внутреннюю энергию системы.

Обычно связаны два вида работы с химической реакцией: электрические работы и работы расширения . Химические реакции могут повлиять на их окружение, пропуская электрический ток через внешний провод.Реакции также влияют на их окружение когда объем системы увеличивается в процессе реакция Количество работы расширения, выполненной реакция равна произведению давления на который система расширяет, умножая на изменение объема система.

Знаковое соглашение для этого уравнения отражает тот факт, что внутренняя энергия системы уменьшается, когда система действительно работает со своим окружением.

Энтальпия в сравнении с Внутренняя энергия

Что бы произошло, если бы мы создали набор условия, при которых система не выполняет работы над своим окружение или наоборот во время химической реакции? В этих условиях тепло, выделяемое или поглощаемое реакция будет равна изменению внутренней энергии системы.

Самый простой способ достичь этих условий заключается в том, чтобы запустить реакцию при постоянном объеме, при котором не работают возможно расширение.При постоянном объеме выделяемое тепло или поглощается реакцией, равно изменению внутренняя энергия, возникающая во время реакции.

_sys = q _v (при постоянном объеме)

Если газ выходит из колбы во время реакция, система действительно работает со своим окружением. Если реакция втягивает газ в колбу, окружающая среда делает работать над системой.Мы все еще можем измерить количество тепла выделяется или поглощается во время реакции, но это не больше, чем изменение внутренней энергии системы, потому что часть тепла была преобразована в Работа.

> E _sys = q + Вт

Глава 3a — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3a — Первый закон — Закрытые системы — Энергия (обновлено 17.01.11)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

a) Уравнение энергии для замкнутых систем

Мы считаем, что первый закон термодинамики применен к стационарным замкнутым системам как принцип сохранения энергии.Таким образом, энергия передается между системой и окружающей средой в форма тепла и работы, в результате чего изменяется внутренняя энергия системы. Изменение внутренней энергии можно рассматривать как меру молекулярной активности, связанной с изменением фазы или температуры системы и уравнение энергии представляется в следующем виде:

Тепло (Q)

Энергия, передаваемая через границу системы в форма тепла всегда возникает из-за разницы температур между системой и ее непосредственным окружением.Мы не будем рассмотрите режим теплопередачи, будь то теплопроводность, конвекция или излучение, таким образом, количество тепла, переданного во время любого процесс будет либо указан, либо оценен как неизвестный уравнение энергии. По соглашению, положительное тепло — это то, что передается из окружающей среды в систему, что приводит к увеличению внутренняя энергия системы

Работа (Вт)

В этом курсе мы рассматриваем три режима работы перенос через границу системы, как показано ниже диаграмма:

В этом курсе мы в первую очередь Граничные работы из-за сжатия или расширения системы в поршневой цилиндр, как показано выше.Во всех случаях мы предполагаем идеальное уплотнение (отсутствие массового расхода в системе и из нее), отсутствие потерь из-за трение и квазиравновесные процессы в том, что для каждого инкрементное движение поршня условия равновесия поддерживается. По соглашению, положительная работа — это работа, выполняемая системой на окружение, а негативная работа — это работа окружения в системе, Таким образом, поскольку отрицательная работа приводит к увеличению внутренней энергии системы, этим объясняется отрицательный знак в приведенное выше уравнение энергии.

Граничная работа оценивается путем интегрирования силы F умноженное на инкрементальное расстояние, перемещенное d x между начальное состояние (1) до конечного состояния (2). Обычно мы имеем дело с поршневое устройство, таким образом, сила может быть заменена поршневой площадь A, умноженная на давление P, что позволяет заменить A. d x при изменении объема d В, а именно:

Это показано на следующей схематической диаграмме, где напомним, что интегрирование может быть представлено областью под Кривая.

Обратите внимание, что работа выполнена по пути . Функция , а не свойство, поэтому зависит от пути процесса между начальным и конечным состояния. Напомним в главе 1 , что мы ввели типичный процесс интересных маршрутов:

• Изотермический (процесс с постоянной температурой)

• Изохорный или Изометрический (процесс постоянного объема)

• Изобарический (процесс постоянного давления)

• Адиабатический (отсутствие теплового потока к системе или от нее во время процесса)

Иногда бывает удобно оценить конкретную выполненную работу, которую можно представить диаграммой P-v , таким образом, если масса системы m [кг] окончательно имеем:

Отметим, что работа, проделанная системой на окружение (процесс расширения) положительное, и это было сделано на система окружением (процесс сжатия) отрицательна.

Наконец для закрытой системы Вал Работа (за счет гребного колеса) и Электромонтажные работы (из-за напряжения, приложенного к электрическому резистору или двигатель, приводящий в движение лопастное колесо) всегда будет отрицательным (работа выполняется на система). Положительные формы работы вала, например, из-за турбина, будет рассмотрена в главе 4, когда мы обсудим открытые системы.

Внутренняя энергия (u)

Третий компонент нашей замкнутой системы энергетики Уравнение — это изменение внутренней энергии в результате передачи тепла или работы.Поскольку удельная внутренняя энергия является свойством системы, он обычно представлен в таблицах свойств, например в Steam Таблицы . Рассмотрим, например, следующая решенная проблема.

Решенная задача 3.1 — Отзыв Решенная проблема 2.2 в главе 2а , в котором мы представили постоянную процесс давления. Мы хотим расширить задачу, включив в нее энергию взаимодействия процесса, поэтому мы повторяем это следующим образом:

Два килограмма воды при 25 ° C помещают в Устройство поршневого цилиндра под 3.Давление 2 МПа, как показано на диаграмме (Состояние (1)). В воду добавляется тепло при постоянном давлении до тех пор, пока температура пара достигает 350 ° С (Состояние (2)). Определять работа, выполняемая жидкостью (W), и тепло, передаваемое жидкости (Q) во время этого процесса.

Подход к решению:

Сначала рисуем схему процесса, включающую все соответствующие данные следующим образом:

Обратите внимание на четыре вопроса справа от диаграмму, которую мы всегда должны спрашивать, прежде чем пытаться решить любую термодинамическая проблема.С чем мы имеем дело — жидкостью? чистая жидкость, например пар или хладагент? идеальный газ? В данном случае это пар, поэтому мы будем использовать таблицы пара для определения различных свойств в различных штатах. Дана масса или объем? Если да, то мы будем укажите и оцените уравнение энергии в килоджоулях, а не в удельные количества (кДж / кг). А как насчет энтропии? Не так быстро — мы еще не считали энтальпию (ниже) — терпеливо подождите, пока Глава 6 .

Так как в работе задействован интеграл П. д в ср Считаем удобным набросать схему проблемы P-v как следует:

Обратите внимание на диаграмму P-v , как мы определяем конкретная проделанная работа отображается как область под кривой процесса. Мы тоже обратите внимание, что в области сжатой жидкости постоянная температура линия по существу вертикальная. Таким образом, все значения собственности в State (1) (сжатая жидкость при 25 ° C) можно определить по насыщенному Жидкие значения таблицы при 25 ° C.

Энтальпия (ч) — новый объект недвижимости

В следующих тематических исследованиях мы обнаруживаем, что один из основные приложения уравнения энергии замкнутой системы находятся в процессы теплового двигателя, в которых система аппроксимируется идеальным газа, поэтому разработаем соотношения для определения внутренней энергии для идеального газа.Мы также обнаружим, что новое свойство под названием Энтальпия будет полезен как для закрытых систем, так и в частности для открытых систем, таких как компоненты паровых электростанций или холодильные системы. Энтальпия не является фундаментальным свойством, однако представляет собой комбинацию свойств и определяется следующим образом:

В качестве примера его использования в закрытых системах, рассмотрим следующий процесс постоянного давления:

Применяя уравнение энергии, получаем:

Однако, поскольку давление постоянно процесс:

Подставляем в уравнение энергии и упрощаем:

Значения удельной внутренней энергии (u) и удельной энтальпия (ч) доступна в Steam Таблицы , однако для идеальных газов это необходимо разработать уравнения для Δu и Δh с точки зрения удельного Тепловые мощности.Мы развиваем эти уравнения в терминах дифференциальная форма уравнения энергии на следующей веб-странице:

Особый Теплоемкости идеального газа

Мы предоставили стоимость недвижимости для различных идеальных газов, включая газовую постоянную и удельную теплоемкость в следующая веб-страница:

Жилье различных идеальных газов (при 300 К)

__________________________________________________________________

К части b) Закона Первый закон — Цикл Стирлинга

по части c) Закона Первый закон — Дизельные двигатели

К части d) Закона Первый закон — Цикл Отто

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.