Термодинамика как дисциплина сформировалась к середине 19-го столетия. Это произошло после открытия закона о сохранении энергии. Существует определенная связь между термодинамикой и молекулярной кинетикой. Какое место в теории занимает внутренняя энергия? Рассмотрим это в статье.

Статистическая механика и термодинамика

Исходной научной теорией о тепловых процессах стала не молекулярно-кинетическая. Первой была термодинамика. Она сформировалась в процессе изучения оптимальных условий применения теплоты для осуществления работы. Это случилось в середине 19-го столетия, до того как молекулярная кинетика получила признание. На сегодняшний день в технике и науке применяется как термодинамика, так и молекулярно-кинетическая теория. Последняя в теоретической физике именуется статистической механикой. Она наряду с термодинамикой исследует с применением различных методов одинаковые явления. Эти две теории взаимно дополняют друг друга. Основа термодинамики составлена двумя ее законами. Оба они касаются поведения энергии и установлены опытным путем. Законы эти справедливы для любого вещества вне зависимости от внутреннего строения. Более глубокой и точной наукой считается статистическая механика. По сравнению с термодинамикой она представляет большую сложность. Ее применяют в том случае, когда термодинамические соотношения оказываются недостаточными для объяснения исследуемых явлений.

Молекулярно-кинетическая теория

К середине 19-го века было доказано, что наряду с механической существует и внутренняя энергия макроскопических тел. Она входит в баланс энергетических природных превращений. После того как была открыта внутренняя энергия, было сформулировано положение о ее сохранении и превращении. В то время как шайба, скользящая по льду, останавливается под воздействием силы трения, ее кинетическая (механическая) энергия не просто перестает существовать, но и передается молекулам шайбы и льда. При движении неровности поверхностей тел, подвергающихся трению, деформируются. При этом интенсивность движущихся беспорядочно молекул возрастает. При нагревании обоих тел возрастает внутренняя энергия. Нетрудно пронаблюдать и обратный переход. При нагревании воды в закрытой пробирке внутренняя энергия (и ее, и образующегося пара) начинает возрастать. Давление увеличится, в результате чего пробка будет вытеснена. Внутренняя энергия пара станет причиной увеличения кинетической энергии. В процессе расширения пар совершает работу. При этом его внутренняя энергия уменьшается. В итоге происходит охлаждение пара.

Внутренняя энергия. Общая информация

При беспорядочном движении всех молекул сумма их кинетических энергий, а также потенциальных энергий их взаимодействий составляет внутреннюю энергию. Учитывая положение молекул относительно друг друга и их движение, вычислить эту сумму практически невозможно. Это обусловлено огромным количеством элементов в макроскопических телах. В связи с этим необходимо уметь вычислять значение в соответствии с макроскопическими параметрами, которые можно измерить.

Одноатомный газ

Вещество считается достаточно простым по своим свойствам, поскольку состоит из отдельных атомов, а не молекул. К одноатомным газам относят аргон, гелий, неон. Потенциальная энергия в данном случае равна нулю. Это обусловлено тем, что молекулы в идеальном газе друг с другом не взаимодействуют. Кинетическая энергия беспорядочного молекулярного движения является определяющей для внутренней (U). Для того чтобы вычислить U одноатомного газа массой m, нам необходимо произвести умножение кинетической энергии (средней) 1-го атома на общее число всех атомов. Но при этом нужно учитывать, что kNA=R. Исходя из имеющихся у нас данных, мы получаем следующую формулу: U= 2/3 х m/M х RT, где внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре. Все изменения U определяются только T (температурой), замеренной в изначальном и итоговом состоянии газа, и не имеют прямого отношения к объему. Это связано с тем, что взаимодействия его потенциальной энергии равны 0, и уж вовсе не зависят от других системных параметров макроскопических объектов. При наличии более сложных молекул идеальный газ также будет иметь внутреннюю энергию, прямо пропорциональную абсолютной температуре. Но, надо сказать, при этом между U и T коэффициент пропорциональности изменится. Ведь сложные молекулы выполняют не только поступательные движения, но и вращательные. Внутренняя энергия равна сумме этих движений молекул.

От чего зависит U?

Внутренняя энергия находится под влиянием одного из макроскопических параметров. Это температура. У реальных газов, жидких и твердых тел потенциальная энергия (средняя) при взаимодействии молекул не равняется нулю. Хотя, если рассмотреть точнее, для газов она много меньше кинетической (средней же). При этом для твердых и жидких тел - сравнима с ней. А вот средняя U зависит от V вещества, потому что в период его изменения меняется и среднее расстояние, которое есть между молекулами. Из этого следует, что в термодинамике внутренняя энергия зависит не только от температуры T, но и от V (объема). Их значение однозначно определяет состояние тел, а значит и U.

Мировой океан

Сложно представить, какие невероятно большие запасы энергии содержит в себе Мировой океан. Рассмотрим, что собой представляет внутренняя энергия воды. Надо отметить, что она же является тепловой, потому что образовалась в результате перегрева жидкой части поверхности океана. Так вот, имея разницу, к примеру, в 20 градусов по отношению к донной воде, она приобретает значение около 10^26 Дж. При измерении течений в океане его кинетическая энергия оценивается величиной около 10^18 Дж.

Глобальные проблемы

Существуют глобальные проблемы, которые можно поставить на мировой уровень. К ним относят:

Истощение запасов ископаемого топлива (в первую очередь нефти и газа);

Значительное загрязнение окружающей среды, связанное с использованием этих ископаемых;

Тепловое "загрязнение", плюс ко всему повышение концентрации атмосферной углекислоты, грозящее глобальными климатическими нарушениями;

Использование урановых запасов, приводящих к появлению радиоактивных отходов, которые весьма негативно сказываются на жизнедеятельности всего живого;

Использование термоядерной энергии.

Заключение

Вся эта неопределенность касательно ожидания последствий, которые непременно настанут, если не перестать потреблять энергию, добытую такими способами, заставляет ученых и инженеров уделять практически все свое внимание решению этой проблемы. Их главной задачей является поиск оптимального источника энергии, Немаловажно и задействование различных природных процессов. Среди них наибольший интерес представляют: солнце, вернее солнечное тепло, ветер и энергия в Мировом океане.

Во многих странах моря и океаны давно рассматривают как источник энергии, и их перспективы становятся все более многообещающими. Океан таит в себе немало тайн, его внутренняя энергия - это бездонный кладезь возможностей. Одно только то, сколько способов извлечения энергии он нам предоставляет (таких как океанские течения, энергия приливов и отливов, термальная энергия и другие), уже заставляет задуматься о его величии.

Внутренняя энергия

С позиций молекулярно-кинетической теория внутренняя энергия (Дж) - это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. Кинетическая энергий беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояний между частицами, т.е. от объема V тела. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U тела определяется как функция температуры Т и объела V.

При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной: или.

Внутренняя энергия определяется термодинамическим состоянием системы и не зависит от того, каким образом система оказалась в данном состоянии. Следовательно, внутренняя энергия не связана с процессом изменений состояния системы. В двух или нескольких одинаковых состояниях системы ее внутренняя энергия одна и та же.

Практический интерес представляет не сама внутренняя энергия, а ее изменение при переходе системы из одного состояния в другое. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий движения всех его молекул. Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, при изменении температуры идеального газа обязательно изменяется его внутренняя энергия.

где R - универсальная газовая постоянная, М - молярная масса, Т - абсолютная температура, т - масса, - число молекул.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров

Внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра - температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потенциальная энергия взаимодействия его молекул считается равной нулю.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия, в термодинамике в общем случае наряду с температурой Т зависит и от объема V.

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

Работа в термодинамике

Внутреннюю энергию можно изменит двумя способами: совершением работы, когда внутренняя энергия изменяется на величину, равную работе внешних сил А, и теплопередачей, при которой изменение внутренней энергии характеризуется количеством теплоты Q.

При совершении работы меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Но скорости молекул тела, например газа, меняются. Поэтому меняется и температура тела.

Итак, при совершении работы в термодинамике меняется состояние макроскопических тел: меняется их объем и температура.

Вычисление работы:

F" - сила, с которой газ давит на поршень;

F - сила, с которой поршень давит на газ;

A" - работа, совершаемая газом над внешними телами;

A - работа, совершаемая внешними телами над газом.

1. газ расширяется

где - изменение объема.

Газ предает энергию окружающим телам и охлаждается.

2. газ сжимается

Газ получает энергию от внешних тел и нагревается. Знак минус указывает, что при сжатии газа, когда, работа внешней силы положительна.

Все окружающие нас макроскопические тела в своем составе имеют частицы: атомы или молекулы. Находясь в постоянном движении, они одновременно обладают двумя видами энергии: кинетической и потенциальной и формируют внутреннюю энергию тела:

U = ∑ Е k +∑ Е p

В это понятие входит также энергия взаимодействия друг с другом электронов, протонов, нейтронов.

Возможно ли изменение внутренней энергии

Существует 3 способа ее изменения:

• благодаря процессу теплопередачи;
• путем совершения механической работы;
• с помощью проведения химических реакций.

Рассмотрим более подробно все варианты.

Если работу будет совершать само тело, то его внутренняя энергия станет уменьшаться, а когда работу совершают над телом, внутренняя его энергия будет увеличиваться.

Простейшими примерами увеличения энергии являются случаи добывания огня с помощью трения:

• с применением трута;
• с помощью огнива;
• с использованием спичек.

Тепловые процессы, связанные с изменениями температуры, также сопровождаются изменениями внутренней энергии. Если нагревать тело, его энергия будет возрастать.

Результатом химических реакций является превращение веществ, которые отличны друг от друга строением и составом. Например, в процессе горения топлива после соединения водорода с кислородом образуется оксид углерода. При соединении соляной кислоты с цинком выделится водород, а в результате горения водорода выделится водяной пар.

Внутренняя энергия тела будет меняться и из-за перехода электронов с одной электронной оболочки на другую.

Энергия тел — зависимость и характеристики

Внутренняя энергия является характеристикой теплового состояния тела. Она зависит от:

• агрегатного состояния, и меняется при кипении и испарении, кристаллизации или конденсации, плавлении или сублимации;
• массы тела;
• температуры тела, характеризующей кинетическую энергию частиц;
• рода вещества.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Эта энергия, в идеале, складывается из кинетических энергий каждой частицы, которая беспорядочно и непрерывно движется, и потенциальной энергии их взаимодействия в рамках конкретного тела. Происходит это благодаря изменению температуры, что подтверждают проведенные эксперименты Джоуля.

Для расчета внутренней энергии одноатомного газа пользуются уравнением:

Где в зависимости от изменения температуры будет меняться внутренняя энергия (возрастать с увеличением температуры, и уменьшаться с ее убыванием). Внутренняя энергия – это функция состояния.

Вы видите взлетающую ракету. Она совершает работу – поднимает космонавтов и груз. Кинетическая энергия ракеты возрастает, так как по мере подъёма ракета приобретает всё большую скорость. Потенциальная энергия ракеты также возрастает, так как она всё выше поднимается над Землёй. Следовательно, сумма этих энергий, то есть механическая энергия ракеты, тоже увеличивается.

Мы помним, что при совершении телом работы его энергия уменьшается. Однако ракета совершает работу, но её энергия не уменьшается, а увеличивается! В чём же разгадка противоречия? Оказывается, что кроме механической энергии существует ещё один вид энергии – внутренняя энергия. Именно за счёт уменьшения внутренней энергии сгорающего топлива ракета совершает механическую работу и, кроме того, увеличивает свою механическую энергию.

Не только горючие , но и горячие тела обладают внутренней энергией, которую легко превратить в механическую работу. Проделаем опыт. Нагреем в кипятке гирю и поставим на жестяную коробочку, присоединённую к манометру. По мере того как воздух в коробочке будет прогреваться, жидкость в манометре начнёт двигаться (см. рисунок).

Расширяющийся воздух совершает над жидкостью работу. За счёт какой энергии это происходит? Разумеется, за счёт внутренней энергии гири. Следовательно, в этом опыте мы наблюдаем превращение внутренней энергии тела в механическую работу. Заметим, что механическая энергия гири в этом опыте не меняется – она всё время равна нулю.

Итак, внутренняя энергия – это такая энергия тела, за счёт которой может совершаться механическая работа, при этом не вызывая убыли механической энергии этого тела.

Внутренняя энергия любого тела зависит от множества причин: рода и состояния его вещества, массы и температуры тела и других. Внутренней энергией обладают все тела: большие и маленькие, горячие и холодные, твёрдые, жидкие и газообразные.

Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь, образно говоря, горячих и горючих веществ и тел. Это нефть, газ, уголь, геотермальные источники вблизи вулканов и так далее. Кроме того, в XX веке человек научился использовать и внутреннюю энергию так называемых радиоактивных веществ. Это, например, уран, плутоний и другие.

Взгляните на правую часть схемы. В популярной литературе нередко упоминаются тепловая, химическая, электрическая, атомная (ядерная) и другие виды энергии. Все они, как правило, являются разновидностями внутренней энергии, так как за счёт них может совершаться механическая работа, не вызывая при этом убыли механической энергии. Понятие внутренней энергии мы рассмотрим более подробно при дальнейшем изучении физики.