Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: unutrašnja energija, prijenos topline, vrste prijenosa topline.
Čestice bilo kojeg tijela - atoma ili molekula - obavljaju haotično kontinuirano kretanje (tzv. termičko kretanje). Dakle, svaka čestica ima neku kinetičku energiju.
Osim toga, čestice materije međusobno djeluju kroz sile električnog privlačenja i odbijanja, kao i kroz nuklearne sile. Dakle, čitav sistem čestica datog tijela ima i potencijalnu energiju.
Kinetička energija toplotnog kretanja čestica i potencijalna energija njihove interakcije zajedno tvore novu vrstu energije koja se ne svodi na mehaničku energiju tijela (tj. kinetičku energiju kretanja tijela kao cjeline i potencijalna energija njegove interakcije sa drugim telima). Ova vrsta energije naziva se unutrašnja energija.
Unutrašnja energija tijela je ukupna kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica plus potencijalna energija njihove međusobne interakcije.
Unutrašnja energija termodinamičkog sistema je zbir unutrašnjih energija tela uključenih u sistem.
Dakle, unutrašnju energiju tijela formiraju sljedeći pojmovi.
1. Kinetička energija kontinuiranog haotičnog kretanja čestica tijela.
2. Potencijalna energija molekula (atoma), zbog sila međumolekulske interakcije.
3. Energija elektrona u atomima.
4. Intranuklearna energija.
U slučaju najjednostavnijeg modela materije - idealnog gasa - može se dobiti eksplicitna formula za unutrašnju energiju.
Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa
Potencijalna energija interakcije između čestica idealnog plina je nula (podsjetimo da u modelu idealnog plina zanemarujemo interakciju čestica na udaljenosti). Zbog toga se unutrašnja energija monoatomskog idealnog gasa svodi na ukupnu kinetičku energiju translacionog (za poliatomski gas treba uzeti u obzir i rotaciju molekula i vibracije atoma unutar molekula) kretanja njegovih atoma. Ova energija se može naći množenjem broja atoma gasa sa prosečnom kinetičkom energijom jednog atoma:
Vidimo da je unutrašnja energija idealnog gasa (čija masa i hemijski sastav su nepromenjeni) funkcija samo njegove temperature. U stvarnom gasu, tečnom ili čvrstom, unutrašnja energija će takođe zavisiti od zapremine – uostalom, kada se zapremina promeni, menja se relativni raspored čestica i, kao posledica toga, potencijalna energija njihove interakcije.
Statusna funkcija
Najvažnije svojstvo unutrašnje energije je da jeste državna funkcija termodinamički sistem. Naime, unutrašnja energija je jedinstveno određena skupom makroskopskih parametara koji karakterišu sistem, i ne zavisi od „praistorije“ sistema, tj. o tome u kakvom je stanju sistem bio prije i kako je konkretno završio u ovom stanju.
Dakle, kada sistem prelazi iz jednog stanja u drugo, promena njegove unutrašnje energije određena je samo početnim i konačnim stanjem sistema i ne zavisi sa puta prelaska iz početnog stanja u konačno stanje. Ako se sistem vrati u prvobitno stanje, tada je promjena njegove unutrašnje energije nula.
Iskustvo pokazuje da postoje samo dva načina da se promijeni unutrašnja energija tijela:
Izvođenje mehaničkih radova;
prijenos topline.
Jednostavno rečeno, čajnik možete zagrijati samo na dva suštinski različita načina: trljanjem nečim ili zapaljivanjem :-) Razmotrimo ove metode detaljnije.
Promjena unutrašnje energije: obavljen posao
Ako je posao obavljen gore tijela, tada se povećava unutrašnja energija tijela.
Na primjer, nakon udaranja čekićem, nokat se zagrijava i postaje blago deformiran. Ali temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica u tijelu. Zagrijavanje eksera ukazuje na povećanje kinetičke energije njegovih čestica: u stvari, čestice se ubrzavaju udarom čekića i trenjem eksera o dasku.
Deformacija nije ništa drugo do pomicanje čestica jedna u odnosu na drugu; Nakon udarca nokat doživljava kompresivnu deformaciju, njegove čestice se zbližavaju, sile odbijanja između njih se povećavaju, a to dovodi do povećanja potencijalne energije čestica nokta.
Dakle, povećana je unutrašnja energija nokta. To je bio rezultat rada na njemu - rad su obavljali čekić i sila trenja na dasci.
Ako je posao obavljen sebe tijela, tada se unutrašnja energija tijela smanjuje.
Neka se, na primjer, komprimirani zrak u termoizoliranoj posudi ispod klipa širi i podiže određeno opterećenje, čime se vrši rad (proces u toplinski izoliranoj posudi se naziva adijabatski. Proučavaćemo adijabatski proces uzimajući u obzir prvi zakon termodinamike). Tokom ovog procesa, vazduh će se ohladiti - njegovi molekuli, udarivši posle klipa u pokretu, daju mu deo svoje kinetičke energije. (Na isti način, fudbaler, zaustavljajući nogom brzoleteću loptu, njome se kreće od lopta i prigušuje njenu brzinu.) Zbog toga se unutrašnja energija vazduha smanjuje.
Zrak, dakle, radi na račun svoje unutrašnje energije: budući da je posuda toplinski izolirana, nema protoka energije u zrak iz bilo kojeg vanjskog izvora, a zrak može crpiti energiju samo za obavljanje posla iz vlastitih rezervi. .
Promjena unutrašnje energije: prijenos topline
Prijenos topline je proces prijenosa unutrašnje energije sa toplijeg tijela na hladnije, koji nije povezan s izvođenjem mehaničkog rada. Prijenos topline može se dogoditi ili putem direktnog kontakta tijela, ili kroz posredni medij (pa čak i kroz vakuum). Prijenos topline se također naziva izmjena toplote.
Postoje tri vrste prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i toplotno zračenje.
Sada ćemo ih detaljnije pogledati.
Toplotna provodljivost
Ako jedan kraj gvozdene šipke stavite u vatru, tada je, kao što znamo, nećete dugo držati u ruci. Jednom u području visoke temperature, atomi željeza počinju intenzivnije da vibriraju (tj. dobijaju dodatnu kinetičku energiju) i izazivaju jače udare na svoje susjede.
Kinetička energija susjednih atoma također se povećava, a sada ti atomi daju dodatnu kinetičku energiju svojim susjedima. Dakle, od odjeljka do odjeljka, toplina se postupno širi duž štapa - od kraja stavljenog u vatru do naše ruke. Ovo je toplotna provodljivost (Slika 1) (Slika sa Educationalelectronicsusa.com).
Rice. 1. Toplotna provodljivost
Toplotna provodljivost je prijenos unutrašnje energije sa više zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane zbog toplinskog kretanja i interakcije čestica tijela..
Toplotna provodljivost različitih supstanci je različita. Metali imaju visoku toplotnu provodljivost: najbolji provodnici toplote su srebro, bakar i zlato. Toplotna provodljivost tečnosti je mnogo manja. Plinovi tako slabo provode toplinu da se smatraju toplinskim izolatorima: molekule plina, zbog velikih udaljenosti između njih, slabo međusobno djeluju. Zbog toga, na primjer, prozori imaju dvostruke okvire: sloj zraka sprječava izlazak topline).
Stoga su porozna tijela poput cigle, vate ili krzna loši provodnici topline. Sadrže zrak u svojim porama. Nije uzalud što se kuće od cigle smatraju najtoplijim, a po hladnom vremenu ljudi nose bunde i jakne sa slojem paperja ili sintetičke podloge.
Ali ako zrak tako slabo provodi toplinu, zašto se onda soba zagrijava od radijatora?
To se događa zbog druge vrste prijenosa topline - konvekcije.
Konvekcija
Konvekcija je prijenos unutrašnje energije u tekućinama ili plinovima kao rezultat kruženja strujanja i miješanja tvari.
Zrak u blizini baterije se zagrijava i širi. Sila gravitacije koja djeluje na ovaj zrak ostaje ista, ali se povećava sila uzgona iz okolnog zraka, tako da zagrijani zrak počinje da lebdi do stropa. Na njegovo mjesto dolazi hladan zrak (isti proces, ali u mnogo većim razmjerima, stalno se dešava u prirodi: tako nastaje vjetar), s kojim se ponavlja isto.
Kao rezultat, uspostavlja se cirkulacija zraka, što služi kao primjer konvekcije - širenje topline u prostoriji vrši se strujama zraka.
Potpuno sličan proces može se uočiti i u tekućinama. Kada stavite kotlić ili šerpu sa vodom na šporet, voda se zagreva prvenstveno zbog konvekcije (doprinos toplotnoj provodljivosti vode je vrlo neznatan).
Konvekcijske struje u zraku i tekućini prikazane su na sl. 2 (slike sa physics.arizona.edu).
Rice. 2. Konvekcija
U čvrstim tijelima nema konvekcije: sile interakcije između čestica su velike, čestice osciliraju u blizini fiksnih prostornih tačaka (čvorova kristalne rešetke) i u takvim uvjetima ne mogu se formirati tokovi materije.
Za cirkulaciju konvekcijskih struja prilikom grijanja prostorije potrebno je da se zagrijani zrak bilo je prostora da se pojavi. Ako je radijator postavljen ispod stropa, tada neće doći do cirkulacije - topli zrak će ostati ispod stropa. Zbog toga se postavljaju uređaji za grijanje na dnu sobe. Iz istog razloga se stavlja čajnik on požara, zbog čega zagrijani slojevi vode, dižući se, ustupaju mjesto hladnijim.
Naprotiv, klima uređaj treba postaviti što je više moguće: tada će ohlađeni zrak početi da se spušta, a topliji zrak će zauzeti njegovo mjesto. Cirkulacija će ići u suprotnom smjeru u odnosu na kretanje protoka prilikom grijanja prostorije.
Toplotno zračenje
Kako Zemlja prima energiju od Sunca? Toplotna provodljivost i konvekcija su isključeni: dijeli nas 150 miliona kilometara bezzračnog prostora.
Ovdje radi treći tip prijenosa topline - termičko zračenje. Zračenje se može širiti i u materiji i u vakuumu. Kako nastaje?
Ispostavilo se da su električna i magnetna polja usko povezana jedno s drugim i imaju jedno izvanredno svojstvo. Ako se električno polje mijenja s vremenom, onda ono stvara magnetsko polje, koje se, općenito govoreći, također mijenja s vremenom (o tome će se detaljnije govoriti u listu o elektromagnetnoj indukciji). Zauzvrat, naizmjenično magnetno polje stvara naizmjenično električno polje, koje opet stvara naizmjenično magnetsko polje, koje opet stvara naizmjenično električno polje...
Kao rezultat razvoja ovog procesa, elektromagnetni talas- električna i magnetna polja "zahvaćaju" jedno s drugim. Kao i zvuk, elektromagnetski valovi imaju brzinu širenja i frekvenciju - u ovom slučaju, to je frekvencija kojom se veličina i smjer polja fluktuiraju u valu. Vidljiva svjetlost je poseban slučaj elektromagnetnih valova.
Brzina širenja elektromagnetnih talasa u vakuumu je ogromna: km/s. Dakle, svjetlost putuje od Zemlje do Mjeseca za nešto više od jedne sekunde.
Frekvencijski opseg elektromagnetnih talasa je veoma širok. Više o skali elektromagnetnih talasa ćemo govoriti u odgovarajućem letku. Ovdje samo napominjemo da je vidljiva svjetlost mali raspon ove skale. Ispod njega su frekvencije infracrvenog zračenja, a iznad su frekvencije ultraljubičastog zračenja.
Prisjetite se sada da atomi, iako općenito električno neutralni, sadrže pozitivno nabijene protone i negativno nabijene elektrone. Ove nabijene čestice, vršeći haotično kretanje zajedno s atomima, stvaraju naizmjenična električna polja i na taj način emituju elektromagnetne valove. Ovi talasi se zovu termičko zračenje- kao podsjetnik da je njihov izvor toplinsko kretanje čestica materije.
Izvor toplotnog zračenja je svako tijelo. U ovom slučaju, zračenje odnosi dio svoje unutrašnje energije. Susrevši atome drugog tijela, zračenje ih ubrzava svojim oscilirajućim električnim poljem, a unutarnja energija ovog tijela se povećava. Ovako se kupamo na sunčevim zracima.
Pri normalnim temperaturama, frekvencije toplotnog zračenja leže u infracrvenom opsegu, pa ga oko ne percipira (ne vidimo kako „sjajemo“). Kada se tijelo zagrije, njegovi atomi počinju emitovati valove viših frekvencija. Gvozdeni ekser se može zagrijati užareno - dovesti do takve temperature da njegovo toplotno zračenje doseže donji (crveni) dio vidljivog raspona. A Sunce nam izgleda žuto-bijelo: temperatura na površini Sunca je toliko visoka da njegov spektar zračenja sadrži sve frekvencije vidljive svjetlosti, pa čak i ultraljubičastu, zahvaljujući kojoj tamnimo.
Pogledajmo još jednom tri tipa prenosa toplote (slika 3) (slike sa beodom.com).
Rice. 3. Tri vrste prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i zračenje
Za rješavanje praktičnih problema ne igra značajnu ulogu sama unutrašnja energija, već njena promjena Δ U = U 2 - U 1 . Promjena unutrašnje energije izračunava se na osnovu zakona održanja energije.
Unutrašnja energija tijela može se mijenjati na dva načina:
1. Po završetku mehanički rad.
a) Ako vanjska sila uzrokuje deformaciju tijela, tada se mijenjaju udaljenosti između čestica od kojih se ono sastoji, a samim tim i potencijalna energija interakcije čestica. Prilikom neelastičnih deformacija, osim toga, mijenja se i temperatura tijela, tj. kinetička energija toplotnog kretanja čestica se mijenja. Ali kada se tijelo deformiše, obavlja se rad, koji je mjera promjene unutrašnje energije tijela.
b) Unutrašnja energija tijela također se mijenja prilikom njegovog neelastičnog sudara sa drugim tijelom. Kao što smo ranije vidjeli, prilikom neelastičnog sudara tijela, njihova kinetička energija se smanjuje, pretvara se u unutrašnju energiju (na primjer, ako čekićem nekoliko puta udarite žicu koja leži na nakovnju, žica će se zagrijati). Mjera promjene kinetičke energije tijela je, prema teoremi o kinetičkoj energiji, rad sila koje djeluju. Ovaj rad može poslužiti i kao mjera promjene unutrašnje energije.
c) Promena unutrašnje energije tela nastaje pod uticajem sile trenja, jer, kao što je poznato iz iskustva, trenje uvek prati promena temperature tela koja se trlja. Rad koji vrši sila trenja može poslužiti kao mjera promjene unutrašnje energije.
2. Korišćenje izmjena toplote. Na primjer, ako se tijelo stavi u plamen gorionika, njegova temperatura će se promijeniti, pa će se promijeniti i njegova unutrašnja energija. Međutim, ovdje se nije radilo, jer nije bilo vidljivog kretanja ni samog tijela ni njegovih dijelova.
Promena unutrašnje energije sistema bez vršenja rada naziva se izmjena toplote(prijenos topline).
Postoje tri vrste prijenosa topline: provodljivost, konvekcija i zračenje.
A) Toplotna provodljivost je proces razmene toplote između tela (ili delova tela) tokom njihovog direktnog kontakta, izazvan toplotnim haotičnim kretanjem čestica tela. Što je temperatura viša, to je veća amplituda vibracija molekula čvrstog tijela. Toplotna provodljivost gasova je posledica razmene energije između molekula gasa tokom njihovog sudara. U slučaju tečnosti, oba mehanizma rade. Toplotna provodljivost tvari je maksimalna u čvrstom stanju, a minimalna u plinovitom stanju.
b) Konvekcija predstavlja prijenos topline zagrijanim tokovima tekućine ili plina iz nekih područja zapremine koju zauzimaju u druge.
c) Izmjena toplote na radijacije vršena na daljinu putem elektromagnetnih talasa.
Razmotrimo detaljnije načine promjene unutrašnje energije.
Količina toplote
Kao što je poznato, tokom različitih mehaničkih procesa dolazi do promjene mehaničke energije W. Mjera promjene mehaničke energije je rad sila primijenjenih na sistem:
Tokom razmene toplote dolazi do promene unutrašnje energije tela. Mera promene unutrašnje energije tokom prenosa toplote je količina toplote.
Količina toplote je mjera promjene unutrašnje energije tokom prijenosa topline.
Dakle, i rad i količina toplote karakterišu promjenu energije, ali nisu identični unutrašnjoj energiji. Oni ne karakterišu stanje samog sistema (kao što to čini unutrašnja energija), već određuju proces prelaska energije iz jedne vrste u drugu (sa jednog tela na drugo) kada se stanje promeni i značajno zavise od prirode procesa.
Glavna razlika između rada i topline je u tome
§ rad karakteriše proces promene unutrašnje energije sistema, praćen transformacijom energije iz jedne vrste u drugu (iz mehaničke u unutrašnju);
§ količina toplote karakteriše proces prenosa unutrašnje energije sa jednog tela na drugo (od zagrejanijeg ka manje zagrejanom), koji nije praćen energetskim transformacijama.
§ Toplotni kapacitet, količina topline koja se troši za promjenu temperature za 1°C. Prema strožijoj definiciji, toplotni kapacitet- termodinamička veličina određena izrazom:
§ gdje je Δ Q- količina toplote koja se prenosi na sistem i uzrokuje promjenu njegove temperature od strane T. Odnos konačnih razlika Δ Q/ΔT se naziva prosjekom toplotni kapacitet, odnos infinitezimalnih veličina d Q/dT- istinito toplotni kapacitet. Od d Q onda nije potpuni diferencijal funkcije stanja toplotni kapacitet zavisi od putanje tranzicije između dva stanja sistema. Razlikovati toplotni kapacitet sistem u cjelini (J/K), specifičan toplotni kapacitet[J/(g K)], molar toplotni kapacitet[J/(mol K)]. Sve formule u nastavku koriste molarne količine toplotni kapacitet.
Pitanje 32:
Unutrašnja energija se može mijenjati na dva načina.
Količina toplote (Q) je promena unutrašnje energije tela koja nastaje kao rezultat prenosa toplote.
Količina topline se mjeri u SI jedinicama u džulima.
[Q] = 1J.
Specifični toplinski kapacitet tvari pokazuje koliko je topline potrebno da se temperatura jedinice mase određene tvari promijeni za 1°C.
SI jedinica specifičnog toplotnog kapaciteta:
[c] = 1 J/kg °C.
Pitanje 33:
33
Prvi zakon termodinamike je količina toplote koju sistem primi da promijeni svoju unutrašnju energiju i izvrši rad na vanjskim tijelima. dQ=dU+dA, gdje je dQ elementarna količina topline, dA je elementarni rad, dU je prirast unutrašnje energije. Primjena prvog zakona termodinamike na izoprocese
Među ravnotežnim procesima koji se dešavaju kod termodinamičkih sistema ističu se: izoprocesi, u kojem jedan od glavnih parametara stanja ostaje konstantan.
Izohorni proces (V=const). Dijagram ovog procesa (izohora) u koordinatama R, V je prikazan kao prava linija paralelna sa ordinatnom osom (Sl. 81), gde se proces 1-2
postoji izohorično zagrevanje, i 1
-3 -
izohorno hlađenje. U izohoričnom procesu, plin ne vrši rad na vanjskim tijelima, 
Izotermni proces (T=const). Kao što je već navedeno u § 41, izotermni proces je opisan Boyle-Mariotteovim zakonom
, da se temperatura ne bi smanjila tokom ekspanzije gasa, gasu se tokom izotermnog procesa mora dostaviti količina toplote koja je ekvivalentna spoljašnjem radu ekspanzije.
Pitanje 34:
34 Adijabatsko je proces u kojem nema izmjene topline ( dQ= 0)između sistema i okoline. Svi brzi procesi se mogu klasifikovati kao adijabatski procesi. Na primjer, proces širenja zvuka u mediju može se smatrati adijabatskim procesom, jer je brzina prostiranja zvučnog vala toliko velika da razmjena energije između vala i medija nema vremena da se dogodi. Adijabatski procesi se koriste u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem (ekspanzija i kompresija zapaljive smeše u cilindrima), u rashladnim jedinicama itd.
Iz prvog zakona termodinamike ( dQ= d U+dA) za adijabatski proces slijedi da 
p /S V =γ , nalazimo
Integracijom jednačine u rasponu od p 1 do p 2 i, shodno tome, od V 1 do V 2, i potenciranjem dolazimo do izraza
Pošto su stanja 1 i 2 proizvoljno odabrana, možemo pisati
Unutrašnja energija tela ne može biti konstantna vrijednost. Može se promijeniti u bilo kojem tijelu. Ako povećate tjelesnu temperaturu, tada će se povećati i njegova unutrašnja energija, jer prosječna brzina kretanja molekula će se povećati. Tako se povećava kinetička energija molekula tijela. I obrnuto, kako se temperatura smanjuje, unutrašnja energija tijela se smanjuje.
Možemo zaključiti: Unutrašnja energija tijela se mijenja ako se promijeni brzina kretanja molekula. Pokušajmo odrediti koja metoda se može koristiti za povećanje ili smanjenje brzine kretanja molekula. Razmotrite sljedeći eksperiment. Pričvrstimo mesinganu cijev sa tankim zidovima na postolje. Napunite epruvetu etrom i zatvorite je čepom. Zatim oko njega vežemo konopac i počinjemo intenzivno pomicati uže u različitim smjerovima. Nakon određenog vremena, eter će proključati, a sila pare će istisnuti utikač. Iskustvo pokazuje da se unutrašnja energija supstance (etera) povećala: na kraju krajeva, promenila je temperaturu, istovremeno ključajući.
Do povećanja unutrašnje energije došlo je zbog rada obavljenog kada se cijev trljala užetom.
Kao što znamo, do zagrijavanja tijela može doći i prilikom udara, savijanja ili ekstenzije, ili, jednostavnije, prilikom deformacije. U svim navedenim primjerima povećava se unutrašnja energija tijela.
Tako se unutrašnja energija tijela može povećati vršenjem rada na tijelu.
Ako rad obavlja samo tijelo, njegova unutrašnja energija se smanjuje.
Razmotrimo još jedan eksperiment.
Pumpamo zrak u staklenu posudu koja ima debele stijenke i zatvorena je čepom kroz posebno napravljenu rupu u njoj.
Nakon nekog vremena čep će izletjeti iz posude. U trenutku kada čep izleti iz posude, moći ćemo vidjeti stvaranje magle. Posljedično, njegovo formiranje znači da je zrak u posudi postao hladan. Komprimirani zrak koji se nalazi u posudi obavlja određenu količinu posla prilikom guranja čepa. Ovaj posao obavlja zbog svoje unutrašnje energije, koja je smanjena. Zaključci o smanjenju unutrašnje energije mogu se izvesti na osnovu hlađenja vazduha u posudi. dakle, Unutrašnja energija tijela može se mijenjati obavljanjem određenog rada.
Međutim, unutrašnja energija se može promijeniti na drugi način, a da se ne radi. Uzmimo primjer: voda u kotliću koji stoji na šporetu ključa. Vazduh, kao i ostali predmeti u prostoriji, greju se centralnim radijatorom. U takvim slučajevima se povećava unutrašnja energija, jer telesna temperatura raste. Ali posao nije završen. Dakle, zaključujemo promjena unutrašnje energije se možda neće dogoditi zbog obavljanja specifičnog posla.
Pogledajmo još jedan primjer.
Stavite metalnu iglu za pletenje u čašu vode. Kinetička energija molekula tople vode veća je od kinetičke energije čestica hladnih metala. Molekuli tople vode će prenijeti dio svoje kinetičke energije na čestice hladnog metala. Tako će se energija molekula vode na određeni način smanjiti, dok će se energija metalnih čestica povećati. Temperatura vode će pasti, a temperatura igle za pletenje polako 
će se povećati. U budućnosti će nestati razlika između temperature igle za pletenje i vode. Zahvaljujući ovom iskustvu, vidjeli smo promjenu u unutrašnjoj energiji različitih tijela. zaključujemo: Unutrašnja energija različitih tijela mijenja se zbog prijenosa topline.
Proces pretvaranja unutrašnje energije bez obavljanja određenog rada na tijelu ili samom tijelu naziva se prijenos topline.
Imate još pitanja? Ne znate kako da uradite domaći?
Za pomoć od tutora -.
Prva lekcija je besplatna!
blog.site, pri kopiranju materijala u cijelosti ili djelimično, potrebna je veza do originalnog izvora.
Unutrašnja energija se može mijenjati na dva načina.
Ako se na tijelu vrši rad, povećava se njegova unutrašnja energija.
Unutrašnja energija tela(označeno kao E ili U) je zbir energija molekularnih interakcija i termičkih kretanja molekula. Unutrašnja energija je jedinstvena funkcija stanja sistema. To znači da kad god se sistem nađe u datom stanju, njegova unutrašnja energija poprima vrijednost inherentnu ovom stanju, bez obzira na prethodnu historiju sistema. Shodno tome, promjena unutrašnje energije tokom prijelaza iz jednog stanja u drugo uvijek će biti jednaka razlici između njenih vrijednosti u konačnom i početnom stanju, bez obzira na put kojim se prijelaz odvijao.
Unutrašnja energija tijela ne može se izmjeriti direktno. Možete odrediti samo promjenu unutrašnje energije:
Ova formula je matematički izraz prvog zakona termodinamike
Za kvazistatičke procese vrijedi sljedeća relacija:
Temperatura mjerena u kelvinima
Entropija mjerena u džulima/kelvinima
Pritisak mjeren u paskalima
Hemijski potencijal
Broj čestica u sistemima
Toplota sagorevanja goriva. Uslovno gorivo. Količina vazduha potrebna za sagorevanje goriva.
Kvalitet goriva se ocjenjuje prema njegovoj kalorijskoj vrijednosti. Za karakterizaciju čvrstih i tečnih goriva koristi se specifična toplota sagorevanja, koja je količina toplote koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja jedinice mase (kJ/kg). Za gasovita goriva koristi se indikator zapreminske toplotne vrednosti, koji predstavlja količinu toplote koja se oslobađa tokom sagorevanja jedinice zapremine (kJ/m3). Osim toga, plinovita goriva se u nekim slučajevima procjenjuju količinom topline koja se oslobađa tokom potpunog sagorijevanja jednog mola plina (kJ/mol).
Toplina sagorijevanja se određuje ne samo teoretski, već i eksperimentalno, sagorijevanjem određene količine goriva u posebnim uređajima zvanim kalorimetri. Toplota sagorevanja se procenjuje povećanjem temperature vode u kolorimetru. Rezultati dobiveni ovom metodom su bliski vrijednostima izračunatim iz elementarnog sastava goriva.
Pitanje 14Promjena unutrašnje energije tokom grijanja i hlađenja. Rad gasa pri promeni zapremine.
Unutrašnja energija tela zavisi na prosječnu kinetičku energiju njegovih molekula, a ta energija, zauzvrat, ovisi o temperaturi. Dakle, promjenom temperature tijela mijenjamo njegovu unutrašnju energiju Kada se tijelo zagrije, njegova se unutrašnja energija povećava, a kada se ohladi, opada.
Unutrašnja energija tijela može se mijenjati bez obavljanja posla. Na primjer, može se povećati zagrijavanjem kotlića vode na šporetu ili spuštanjem kašike u čašu toplog čaja. Ognjište u kojem se loži vatra, krov kuće obasjan suncem itd. Porast temperature tijela u svim ovim slučajevima znači povećanje njihove unutrašnje energije, ali to povećanje nastaje bez obavljanja posla .
Promjena unutrašnje energije tijelo bez obavljanja rada naziva se prijenos topline. Razmjena topline se događa između tijela (ili dijelova istog tijela) koji imaju različite temperature.
Kako, na primjer, dolazi do prijenosa topline kada hladna kašika dođe u kontakt sa toplom vodom? Prvo, prosječna brzina i kinetička energija molekula tople vode premašuju prosječnu brzinu i kinetičku energiju čestica metala od kojeg je napravljena žlica. Ali na onim mjestima gdje kašika dolazi u kontakt sa vodom, molekuli tople vode počinju da prenose deo svoje kinetičke energije na čestice kašike i one počinju da se kreću brže. Kinetička energija molekula vode opada, a kinetička energija čestica kašike raste. Zajedno sa energijom mijenja se i temperatura: voda se postepeno hladi, a kašika se zagrijava. Njihova temperatura se mijenja sve dok ne postane ista i kod vode i kod žlice.
Deo unutrašnje energije koji se prenosi sa jednog tela na drugo tokom razmene toplote označava se slovom i naziva se količina toplote.
Q je količina toplote.
Količina toplote ne treba mešati sa temperaturom. Temperatura se mjeri u stepenima, a količina toplote (kao i svaka druga energija) se mjeri u džulima.
Kada tijela sa različitim temperaturama dođu u kontakt, toplije tijelo odaje nešto topline, a hladnije tijelo je prima.
Rad pod izobaričnom ekspanzijom gasa. Jedan od glavnih termodinamičkih procesa koji se dešavaju u većini toplotnih motora je proces ekspanzije gasa sa izvođenjem rada. Lako je odrediti rad obavljen tokom izobarnog širenja gasa.
Ako se pri izobaričnom širenju gasa od zapremine V1 do zapremine V2, klip u cilindru pomeri za rastojanje l (slika 106), tada je rad A" koji obavlja gas jednak
Gdje je p tlak plina, a promjena njegove zapremine.
Radite sa proizvoljnim procesom ekspanzije plina. Proizvoljni proces ekspanzije gasa od zapremine V1 do zapremine V2 može se predstaviti kao skup naizmeničnih izobaričnih i izohoričnih procesa.
Rad pod izotermnom ekspanzijom plina. Upoređujući površine figura ispod izotermnog i izobarnog presjeka, možemo zaključiti da je širenje plina iz zapremine V1 u zapreminu V2 pri istoj početnoj vrijednosti tlaka plina praćeno u slučaju izobarnog širenja izvođenjem većeg rada.
Rad tokom kompresije gasa. Kada se plin širi, smjer vektora sile pritiska plina poklapa se sa smjerom vektora pomaka, stoga je rad A" koji obavlja plin pozitivan (A" > 0), a rad vanjskih sila A negativan: A = -A"< 0.
Kada je gas komprimovan smjer vektora vanjske sile poklapa se sa smjerom pomaka, stoga je rad vanjskih sila A pozitivan (A > 0), a rad A" koji obavlja plin negativan (A"< 0).
Adijabatski proces. Pored izobaričnih, izohornih i izotermnih procesa, adijabatski procesi se često razmatraju u termodinamici.
Adijabatski proces je proces koji se odvija u termodinamičkom sistemu u odsustvu razmene toplote sa okolnim telima, odnosno pod uslovom Q = 0.
Pitanje 15 Uslovi za tjelesnu ravnotežu. Trenutak snage. Vrste balansa.
Ravnoteža ili ravnoteža određenog broja srodnih fenomena u prirodnim i ljudskim naukama.
Smatra se da je sistem u ravnoteži ako su svi uticaji na ovaj sistem nadoknađeni od strane drugih ili su potpuno odsutni. Sličan koncept je održivost. Ravnoteža može biti stabilna, nestabilna ili indiferentna.
Tipični primjeri ravnoteže:
1. Mehanička ravnoteža, poznata i kao statička ravnoteža, je stanje tijela koje miruje ili se ravnomjerno kreće u kojem je zbir sila i momenata koji djeluju na njega jednak nuli.
2. Hemijska ravnoteža – položaj u kojem se kemijska reakcija odvija u istoj mjeri kao i obrnuta reakcija, i kao rezultat toga nema promjene u količini svake komponente.
3. Fizička ravnoteža ljudi i životinja, koja se održava razumijevanjem njene neophodnosti i, u nekim slučajevima, vještačkim održavanjem ove ravnoteže [izvor nije naveden 948 dana].
4. Termodinamička ravnoteža je stanje sistema u kojem njegovi unutrašnji procesi ne dovode do promjena makroskopskih parametara (kao što su temperatura i pritisak).
R jednakost nuli algebarskog zbira momente sile ne znači da je tijelo nužno u mirovanju. Nekoliko milijardi godina, rotacija Zemlje oko svoje ose nastavlja se sa konstantnim periodom upravo zato što je algebarski zbir momenata sila koje na Zemlju djeluju sa drugih tijela vrlo mali. Iz istog razloga, kotač bicikla koji se okreće nastavlja rotirati konstantnom frekvencijom, a samo vanjske sile zaustavljaju ovu rotaciju.
Vrste balansa. U praksi važnu ulogu igra ne samo ispunjenje uslova ravnoteže tela, već i kvalitativna karakteristika ravnoteže koja se zove stabilnost. Postoje tri vrste ravnoteže tijela: stabilna, nestabilna i indiferentna. Ravnoteža se naziva stabilnom ako se tijelo nakon malih vanjskih utjecaja vrati u prvobitno stanje ravnoteže. To se događa ako, uz blagi pomak tijela u bilo kojem smjeru od prvobitnog položaja, rezultanta sila koje djeluju na tijelo postane različita od nule i bude usmjerena prema ravnotežnom položaju. Na primjer, lopta je u stabilnoj ravnoteži na dnu udubljenja.
Opšte stanje za tjelesnu ravnotežu. Kombinirajući ova dva zaključka, možemo formulirati opći uvjet za ravnotežu tijela: tijelo je u ravnoteži ako je geometrijski zbir vektora svih sila primijenjenih na njega i algebarski zbir momenata tih sila u odnosu na osu rotacije jednake su nuli.
Pitanje 16Isparavanje i kondenzacija. Isparavanje. Kipuća tečnost. Zavisnost ključanja tečnosti od pritiska.
isparavanje - svojstvo kapljičnih tekućina da mijenjaju svoje agregatno stanje i pretvaraju se u paru. Formiranje pare koje se javlja samo na površini kapljice tečnosti naziva se isparavanjem. Isparavanje u cijeloj zapremini tečnosti naziva se ključanje; javlja se na određenoj temperaturi u zavisnosti od pritiska. Pritisak pri kojem tečnost ključa na datoj temperaturi naziva se pritisak zasićene pare pnp, njegova vrednost zavisi od vrste tečnosti i njene temperature.
Isparavanje- proces prijelaza tvari iz tekućeg u plinovito stanje (para). Proces isparavanja je obrnut od procesa kondenzacije (prijelaz iz parnog u tečno stanje. Isparavanje (vaporizacija), prijelaz tvari iz kondenzirane (čvrste ili tekuće) faze u plinovitu (para); prvog reda fazni prelaz.
Kondenzacija - Ovo je obrnuti proces isparavanja. Tokom kondenzacije, molekuli pare se vraćaju u tečnost. U zatvorenoj posudi, tečnost i njena para mogu biti u stanju dinamičke ravnoteže kada je broj molekula koji izlaze iz tečnosti jednak broju molekula koji se vraćaju u tečnost iz pare, odnosno kada su brzine isparavanja i kondenzacija je ista. Takav sistem se naziva dvofazni. Para koja je u ravnoteži sa svojom tečnošću naziva se zasićena. Broj molekula koji se emituju iz jedinice površine tekućine u jednoj sekundi ovisi o temperaturi tekućine. Broj molekula koji se vraćaju iz pare u tečnost ovisi o koncentraciji molekula pare i o prosječnoj brzini njihovog toplinskog kretanja, koja je određena temperaturom pare.
Kipuće- proces isparavanja u tečnosti (prelazak supstance iz tečnog u gasovito stanje), sa pojavom granica razdvajanja faza. Tačka ključanja pri atmosferskom pritisku obično se navodi kao jedna od glavnih fizičko-hemijskih karakteristika hemijski čiste supstance.
Vrenje se razlikuje po vrsti:
1. ključanje sa slobodnom konvekcijom u velikoj zapremini;
2. ključanje pod prisilnom konvekcijom;
3. kao iu odnosu na prosječnu temperaturu tekućine do temperature zasićenja:
4. ključanje tečnosti podgrijane do temperature zasićenja (površinsko vrenje);
5. ključanje tečnosti zagrijane do temperature zasićenja
Bubble
Kipuće , u kojem se para formira u obliku periodično nukleiranih i rastućih mjehurića naziva se nukleatno ključanje. Kod sporog ključanja nukleata u tečnosti se pojavljuju mjehurići ispunjeni parom (tačnije, obično na zidovima ili dnu posude). Zbog intenzivnog isparavanja tekućine unutar mjehurića, oni rastu, plutaju, a para se oslobađa u parnu fazu iznad tečnosti. U ovom slučaju, u sloju uz zid tečnost je u blago pregrijanom stanju, odnosno njena temperatura prelazi nominalnu tačku ključanja. U normalnim uslovima, ova razlika je mala (od jednog stepena).
Film
Kada se toplinski tok poveća do određene kritične vrijednosti, pojedinačni mjehurići se spajaju, formirajući kontinuirani sloj pare na zidu posude, koji se povremeno razbija u volumen tekućine. Ovaj način rada naziva se filmski način rada.
©2015-2019 stranica
Sva prava pripadaju njihovim autorima. Ova stranica ne tvrdi autorstvo, ali omogućava besplatno korištenje.
Datum kreiranja stranice: 20.08.2016
Unutrašnja energija tijela nije neka vrsta konstantne veličine: ona se može mijenjati za isto tijelo. Kako temperatura raste tijela, unutrašnja energija tijela raste kako se povećava prosječna brzina, a samim tim i kinetičku energiju molekula ovog tijela. Sa smanjenjem temperature, naprotiv, smanjuje se unutrašnja energija tijela. Dakle, unutrašnja energija tijela mijenja se kada se mijenja brzina kretanja njegovih molekula. Na koje načine se ova brzina može povećati ili smanjiti? Okrenimo se iskustvu.
Na postolju (sl. 181) nalazi se mesingana cijev tankih stijenki, u koju se ulije malo etra, cijev se čvrsto zatvori čepom. Uže je omotano oko cijevi i uže se brzo pomiče u jednom ili drugom smjeru. Nakon nekog vremena, eter će proključati i njegova para će istisnuti čep. Ovaj eksperiment pokazuje da se unutrašnja energija etera povećala: na kraju krajeva, zagrijao se, pa čak i proključao. Povećanje unutrašnje energije nastalo je kao rezultat rada pri trljanju cijevi užetom.
Tijela se također zagrijavaju prilikom udara, ekstenzije i savijanja, te općenito tokom deformacije. U svim ovim slučajevima, zbog savršenog rada, povećava se unutrašnja energija tijela.
Dakle, unutrašnja energija tijela mogu biti uvećana za radeći na telu. Ako tijelo samo obavlja posao, onda se njegova unutrašnja energija smanjuje. To se može uočiti u sljedećem eksperimentu.
Uzmite staklenu posudu debelih stijenki zatvorenu čepom. Vazduh koji sadrži vodenu paru upumpava se u posudu kroz poseban otvor. Nakon nekog vremena čep iskoči iz posude (Sl. 182). U trenutku kada čep iskoči, u posudi se pojavljuje magla. Njegov izgled znači da je vazduh u posudi postao hladniji (ne zaboravite da se magla pojavljuje i napolju tokom hladnog vremena).
Komprimirani zrak u posudi, istiskujući čep, radi. Ovaj posao obavlja na račun svoje unutrašnje energije, koja se smanjuje. Smanjenje energije procjenjujemo hlađenjem zraka u posudi.
Unutrašnja energija tijela može se promijeniti i na drugi način.
Poznato je da na šporetu stoji kotlić vode, metalna kašika umočena u čašu toplog čaja, šporet u kome se loži vatra, krov kuće obasjan suncem greje. U svim slučajevima temperatura tijela raste, što znači da se povećava i njihova unutrašnja energija. Kako objasniti njegovo povećanje?
Kako se, na primjer, zagrijava hladna metalna kašika umočena u vrući čaj? Prvo, brzina i kinetička energija molekula tople vode veća je od brzine i kinetičke energije čestica hladnog metala. Na mjestima gdje kašika dolazi u dodir s vodom, molekuli tople vode prenose dio svoje kinetičke energije na čestice hladnog metala. Stoga se brzina i energija molekula vode u prosjeku smanjuje, a brzina i energija metalnih čestica povećava: temperatura vode opada, a temperatura kašike raste - njihove temperature se postepeno izravnavaju. Sa smanjenjem kinetičke energije molekula voda se smanjuje i unutrašnja energija svega vode u čaši, a unutrašnja energija kašike se povećava.
Proces promjene unutrašnje energije, u kojem se na tijelu ne vrši rad, već se energija prenosi s jedne čestice na drugu, naziva se prijenos topline. Dakle, unutrašnja energija tijela može se mijenjati na dva načina: obavljanje mehaničkog rada ili prijenosa topline.
Kada je tijelo već zagrijano, ne možemo naznačiti na koji od dva načina je to učinjeno. Dakle, držeći u rukama zagrijanu čeličnu iglu za pletenje, ne možemo reći na koji način je zagrijana - trljanjem ili stavljanjem u plamen.
Pitanja. 1. Navedite primjere koji pokazuju da se unutarnja energija tijela povećava kada se na tijelu vrši rad. 2. Opišite eksperiment koji pokazuje da tijelo može obavljati rad zahvaljujući unutrašnjoj energiji. 3. Navedite primjere povećanja unutrašnje energije tijela prijenosom topline. 4. Objasni prijenos topline na osnovu molekularne strukture materije. 5. Koja su dva načina za promjenu unutrašnje energije tijela?
Vježbajte.
Stavite novčić od pet kopejki na list šperploče ili drvene ploče. Pritisnite novčić uz ploču i brzo ga pomjerite, prvo u jednom, a zatim u drugom smjeru. Obratite pažnju koliko puta morate pomjeriti novčić tako da postane topao, vruće. Izvucite zaključak o vezi između obavljenog rada i povećanja unutrašnje energije tijela.