Karakteristika kryesore e gjendjes së brendshme të një sistemi fizik është ajo energjia e brendshme.

Energjia e brendshme (U) përfshin energjinë e lëvizjes kaotike (termike) të të gjitha mikrogrimcave të sistemit (molekulave, atomeve, joneve etj..) dhe energjinë e bashkëveprimit të këtyre grimcave, d.m.th. kinetike, potenciale etj., me përjashtim të energjisë totale të pushimit të të gjitha grimcave.

Vetitë e energjisë së brendshme

1. Në një gjendje ekuilibri termodinamik, grimcat që përbëjnë trupat makroskopikë lëvizin në mënyrë që të energji totale gjatë gjithë kohës me saktësi të lartë të barabartë me energjinë e brendshme të trupit.

2. Energjia e brendshme është funksion i gjendjes së sistemit fizik.

3. Energjia e brendshme e një sistemi fizik nuk varet nga rruga e kalimit të tij nga një gjendje në tjetrën, por përcaktohet vetëm nga vlerat e energjisë së brendshme në gjendjen fillestare dhe përfundimtare: D U = U 2 -U 1.

4. Energjia e brendshme karakterizohet nga vetia e aditivitetit, d.m.th. është e barabartë me energjinë totale të brendshme të trupave të përfshirë në sistem.

Shënim: grimcat e gazit, përveç shkallëve përkthimore të lirisë, kanë edhe të brendshme. Për shembull, nëse grimcat e një gazi janë molekula, atëherë, përveç lëvizjes elektronike, është e mundur edhe rrotullimi i molekulave, si dhe dridhjet e atomeve që përbëjnë molekulat.

Lëvizja përkthimore e grimcave të gazit u bindet ligjeve klasike dhe lëvizjet e tyre të brendshme janë të natyrës kuantike. Vetëm në kushte të caktuara shkallët e brendshme të lirisë mund të konsiderohen klasike.

Për të llogaritur energjinë e brendshme të një gazi ideal, përdoret ligji i shpërndarjes së barabartë të energjisë mbi shkallët klasike të lirisë. Në rastin e një gazi ideal, merret parasysh vetëm energjia kinetike e lëvizjes përkthimore të grimcave. Nëse grimcat e gazit janë atome individuale, atëherë secila ka tre shkallë lirie përkthimore.

Prandaj, çdo atom ka një energji mesatare kinetike:

< e k > =3 kT/2.

Nëse një gaz përbëhet nga atome N, atëherë energjia e tij e brendshme

Nëse shkallët vibruese të lirisë së molekulave janë gjithashtu të ngacmuara, atëherë kontributi i tyre në energjinë e brendshme

(1.27)

Formula (1.27) merr parasysh se çdo lëvizje vibruese e molekulave karakterizohet nga energji mesatare kinetike dhe mesatare potenciale, të cilat janë të barabarta me njëra-tjetrën. Prandaj, sipas ligjit të shpërndarjes së barabartë të energjisë mbi shkallët e lirisë, mesatarisht ka energji kT për shkallë lirie vibruese.

Kështu, nëse një molekulë është diatomike, atëherë numri i përgjithshëm i shkallëve të lirisëi=6. Tre prej tyre janë progresive (i shpejtë =3), dy rrotulluese (i vr =2) dhe një osciluese (i numëroj = 1). Në temperaturat kur gradat vibruese të lirisë janë ende "të ngrira", energjia e brendshme e molekulave diatomike të një gazi ideal .

Nëse gradat vibruese të lirisë janë "të pa ngrira", atëherë energjia e brendshme e molekulave diatomike të një gazi ideal është U = U post + U vr + U coll =.

Kështu, energjia e brendshme e një gazi ideal monatomik është

U=N < e k > = (3/2)NkT,

(1.28)

Ku< e k > = .

Numri i moleve të gazit n=N/N a = m/M, atëherë

Çdo trup makroskopik ka energji, i përcaktuar nga mikrogjendja e tij. Kjo energji thirrur e brendshme(shënohet U). Është e barabartë me energjinë e lëvizjes dhe ndërveprimin e mikrogrimcave që përbëjnë trupin. Kështu që, energjia e brendshme gaz ideal përbëhet nga energjia kinetike e të gjitha molekulave të saj, pasi ndërveprimi i tyre në këtë rast mund të neglizhohet. Prandaj ajo energjia e brendshme varet vetëm nga temperatura e gazit ( U~T).

Modeli ideal i gazit supozon se molekulat janë të vendosura në një distancë prej disa diametrash nga njëra-tjetra. Prandaj, energjia e ndërveprimit të tyre është shumë më e vogël se energjia e lëvizjes dhe mund të injorohet.

Në gazet, lëngjet dhe lëndët e ngurta, bashkëveprimi i mikrogrimcave (atomeve, molekulave, joneve, etj.) nuk mund të neglizhohet, pasi ndikon ndjeshëm në vetitë e tyre. Prandaj ata energjia e brendshme përbëhet nga energjia kinetike e lëvizjes termike të mikrogrimcave dhe energjia potenciale e bashkëveprimit të tyre. Energjia e tyre e brendshme, përveç temperaturës T, do të varet edhe nga vëllimi V, meqenëse një ndryshim në vëllim ndikon në distancën midis atomeve dhe molekulave dhe, rrjedhimisht, në energjinë potenciale të ndërveprimit të tyre me njëra-tjetrën.

Energjia e brendshme është një funksion i gjendjes së trupit, i cili përcaktohet nga temperatura e tijTdhe vëllimi V.

Energjia e brendshme përcaktohet në mënyrë unike nga temperaturaT dhe vëllimi i trupit V, duke karakterizuar gjendjen e tij:U =U(T, V)

te ndryshimi i energjisë së brendshme trupi, ju duhet të ndryshoni në fakt ose energjinë kinetike të lëvizjes termike të mikrogrimcave, ose energjinë potenciale të ndërveprimit të tyre (ose të dyja së bashku). Siç e dini, kjo mund të bëhet në dy mënyra - me shkëmbimin e nxehtësisë ose duke kryer punë. Në rastin e parë, kjo ndodh për shkak të transferimit të një sasie të caktuar nxehtësie Q; në të dytën - për shkak të kryerjes së punës A.

Kështu, sasia e nxehtësisë dhe puna e kryer janë një masë e ndryshimit në energjinë e brendshme të një trupi:

Δ U =Q+A.

Ndryshimi i energjisë së brendshme ndodh për shkak të një sasie të caktuar nxehtësie të dhënë ose të marrë nga trupi ose për shkak të kryerjes së punës.

Nëse ndodh vetëm shkëmbimi i nxehtësisë, atëherë ndryshimi energjia e brendshme ndodh duke marrë ose lëshuar një sasi të caktuar nxehtësie: Δ U =P. Kur ngrohni ose ftohni një trup, është e barabartë me:

Δ U =P = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.

Gjatë shkrirjes ose kristalizimit të lëndëve të ngurta energjia e brendshme ndryshimet për shkak të ndryshimeve në energjinë potenciale të ndërveprimit të mikrogrimcave, sepse ndodhin ndryshime strukturore në strukturën e substancës. Në këtë rast, ndryshimi i energjisë së brendshme është i barabartë me nxehtësinë e shkrirjes (kristalizimit) të trupit: Δ U-Qpl =λ m, Ku λ - nxehtësia specifike e shkrirjes (kristalizimit) të një trupi të ngurtë.

Avullimi i lëngjeve ose kondensimi i avullit gjithashtu shkakton ndryshime energjia e brendshme, e cila është e barabartë me nxehtësinë e avullimit: Δ U =Q p =rm, Ku r- nxehtësia specifike e avullimit (kondensimit) të lëngut.

Ndryshimi energjia e brendshme trupi për shkak të kryerjes së punës mekanike (pa shkëmbim nxehtësie) është numerikisht i barabartë me vlerën e kësaj pune: Δ U =A.

Nëse ndryshimi i energjisë së brendshme ndodh për shkak të shkëmbimit të nxehtësisë, atëherëΔ U =Q=cm(T 2 -T 1),oseΔ U = Q pl = λ m,oseΔ U =Pn =rm.

Prandaj, nga pikëpamja e fizikës molekulare: Materiali nga faqja

Energjia e brendshme e trupit është shuma e energjisë kinetike të lëvizjes termike të atomeve, molekulave ose grimcave të tjera nga të cilat përbëhet dhe energjia potenciale e bashkëveprimit ndërmjet tyre; nga pikëpamja termodinamike, është funksion i gjendjes së trupit (sistemi i trupave), i cili përcaktohet në mënyrë unike nga makroparametrat e tij - temperatura.Tdhe vëllimi V.

Kështu, energjia e brendshmeështë energjia e sistemit, e cila varet nga gjendja e brendshme e tij. Ai përbëhet nga energjia e lëvizjes termike të të gjitha mikro-grimcave të sistemit (molekulat, atomet, jonet, elektronet, etj.) dhe energjia e bashkëveprimit të tyre. Është pothuajse e pamundur të përcaktohet vlera e plotë e energjisë së brendshme, kështu që ndryshimi në energjinë e brendshme llogaritet Δ U, që ndodh për shkak të transferimit të nxehtësisë dhe performancës së punës.

Energjia e brendshme e një trupi është e barabartë me shumën e energjisë kinetike të lëvizjes termike dhe energjisë potenciale të bashkëveprimit të mikrogrimcave të tij përbërëse.

Në këtë faqe ka materiale për temat e mëposhtme:

Nga çfarë varet energjia e brendshme e një trupi të ngurtë?
Një përmbledhje e shkurtër e metodës së ndryshimit të energjisë së brendshme të trupit
Nga cilët makroparametra varet energjia e brendshme e trupit?
Mesazh i shkurtër "për përdorimin e energjisë së brendshme të trupit"
Së bashku me energjinë mekanike, çdo trup (ose sistem) ka energji të brendshme. Energjia e brendshme është energjia e pushimit. Ai përbëhet nga lëvizja termike kaotike e molekulave që përbëjnë trupin, energjia potenciale e renditjes së tyre reciproke, energjia kinetike dhe potenciale e elektroneve në atome, nukleoneve në bërthama etj.

Në termodinamikë, është e rëndësishme të dihet jo vlera absolute e energjisë së brendshme, por ndryshimi i saj.
Në proceset termodinamike, ndryshon vetëm energjia kinetike e molekulave në lëvizje (energjia termike nuk është e mjaftueshme për të ndryshuar strukturën e një atomi, aq më pak të një bërthame). Prandaj, në fakt nën energjinë e brendshme në termodinamikë nënkuptojmë energjinë termike kaotike lëvizjet molekulare.
Energjia e brendshme U një mol i një gazi ideal është i barabartë me:

Kështu, energjia e brendshme varet vetëm nga temperatura. Energjia e brendshme U është funksion i gjendjes së sistemit, pavarësisht prejardhjes.
Është e qartë se në rast i përgjithshëm një sistem termodinamik mund të ketë energji të brendshme dhe mekanike, dhe sisteme të ndryshme mund të shkëmbejnë këto lloje të energjisë.
Shkëmbim energji mekanike karakterizohet nga perfekte puna A, dhe shkëmbimi i energjisë së brendshme - sasia e nxehtësisë së transferuar Q.
Për shembull, në dimër ju hodhët një gur të nxehtë në dëborë. Për shkak të rezervës së energjisë potenciale, punë mekanike duke shtypur borën, dhe për shkak të rezervës së energjisë së brendshme, bora shkrihej. Nëse guri ishte i ftohtë, d.m.th. Nëse temperatura e gurit është e barabartë me temperaturën e mediumit, atëherë do të punohet vetëm, por nuk do të ketë shkëmbim të energjisë së brendshme.

Pra, puna dhe nxehtësia nuk janë forma të veçanta energji. Nuk mund të flasim për rezervën e nxehtësisë apo punës. Kjo masë e transferuar një sistem tjetër të energjisë mekanike ose të brendshme. Mund të flasim për rezervën e këtyre energjive. Përveç kësaj, energjia mekanike mund të shndërrohet në energji termike dhe anasjelltas. Për shembull, nëse goditni një kudhër me një çekiç, atëherë pas një kohe çekiçi dhe kudhëza do të nxehen (ky është një shembull shpërndarje energji).
Mund të japim shumë më tepër shembuj të transformimit të një forme energjie në një tjetër.
Përvoja tregon se në të gjitha rastet, transformimi energji mekanike për të ngrohur dhe mbrapa kryhet gjithmonë në sasi rreptësisht ekuivalente. Ky është thelbi i ligjit të parë të termodinamikës, i cili rrjedh nga ligji i ruajtjes së energjisë.
Sasia e nxehtësisë që i jepet trupit shkon për të rritur energjinë e brendshme dhe për të kryer punë në trup:
, (4.1.1)
- Kjo është ajo që është ligji i parë i termodinamikës , ose ligji i ruajtjes së energjisë në termodinamikë.
Rregulli i shenjës: nëse nxehtësia transferohet nga mjedisi ky sistem, dhe nëse sistemi kryen punë në trupat përreth, në këtë rast . Duke marrë parasysh rregullin e shenjave, ligji i parë i termodinamikës mund të shkruhet si:
Në këtë shprehje U– funksioni i gjendjes së sistemit; d Uështë diferenciali i tij total, dhe δ P dhe δ A ata nuk janë të. Në çdo gjendje, sistemi ka një vlerë të caktuar dhe të vetme të energjisë së brendshme, kështu që mund të shkruajmë:
,
Është e rëndësishme të theksohet se nxehtësia P dhe puna A varet nga mënyra se si kryhet kalimi nga gjendja 1 në gjendjen 2 (izohorike, adiabatike, etj.), dhe nga energjia e brendshme U nuk varet. Në të njëjtën kohë, nuk mund të thuhet se sistemi ka një vlerë specifike të nxehtësisë dhe punës për një gjendje të caktuar.
Nga formula (4.1.2) del se sasia e nxehtësisë shprehet në të njëjtat njësi si puna dhe energjia, d.m.th. në xhaul (J).
Rëndësi të veçantë në termodinamikë kanë proceset rrethore ose ciklike në të cilat një sistem, pasi kalon një sërë gjendjesh, kthehet në gjendjen e tij origjinale. Figura 4.1 tregon procesin ciklik 1- A–2–b–1, ndërsa u krye puna A.

Oriz. 4.1
Sepse Uështë një funksion shtetëror, pra
(4.1.3)
Kjo është e vërtetë për çdo funksion shtetëror.
Nëse atëherë sipas ligjit të parë të termodinamikës, d.m.th. Është e pamundur të ndërtohet një motor që funksionon periodikisht që do të kryente më shumë punë sesa sasia e energjisë që i jepet nga jashtë. Me fjale te tjera, makinë me lëvizje të përhershme lloji i parë është i pamundur. Ky është një nga formulimet e ligjit të parë të termodinamikës.
Duhet të theksohet se ligji i parë i termodinamikës nuk tregon se në cilin drejtim ndodhin proceset e ndryshimit të gjendjes, që është një nga mangësitë e tij.

Të gjithë trupat makroskopikë rreth nesh përmbajnë grimca: atome ose molekula. Duke qenë në lëvizje të vazhdueshme, ata posedojnë njëkohësisht dy lloje energjie: kinetike dhe potenciale dhe formojnë energjinë e brendshme të trupit:

U = ∑ E k +∑ E p

Ky koncept përfshin gjithashtu energjinë e bashkëveprimit të elektroneve, protoneve dhe neutroneve me njëri-tjetrin.

A është e mundur të ndryshohet energjia e brendshme

Ka 3 mënyra për ta ndryshuar atë:
- falë procesit të transferimit të nxehtësisë;
- duke kryer punë mekanike;
- duke kryer reaksionet kimike.
Le të hedhim një vështrim më të afërt në të gjitha opsionet.

Nëse puna bëhet nga vetë trupi, atëherë energjia e tij e brendshme do të zvogëlohet, dhe kur punohet në trup, energjia e tij e brendshme do të rritet.

Shembujt më të thjeshtë të rritjes së energjisë janë rastet e krijimit të zjarrit duke përdorur fërkim:
- duke përdorur tinder;
- duke përdorur strall;
- duke përdorur ndeshje.
Proceset termike që lidhen me ndryshimet e temperaturës shoqërohen gjithashtu me ndryshime në energjinë e brendshme. Nëse ngrohni një trup, energjia e tij do të rritet.

Rezultati i reaksioneve kimike është shndërrimi i substancave që ndryshojnë nga njëra-tjetra në strukturë dhe përbërje. Për shembull, gjatë djegies së karburantit, pasi hidrogjeni kombinohet me oksigjenin, formohet monoksidi i karbonit. Kur acidi klorhidrik kombinohet me zinkun, hidrogjeni lirohet, dhe si rezultat i djegies së hidrogjenit, lirohet avulli i ujit.

Energjia e brendshme e trupit gjithashtu do të ndryshojë për shkak të kalimit të elektroneve nga një shtresë elektronike në tjetrën.

Energjia e trupave - varësia dhe karakteristikat

Energjia e brendshme është një karakteristikë e gjendjes termike të trupit. Varet nga:
- gjendja e grumbullimit dhe ndryshimet gjatë vlimit dhe avullimit, kristalizimit ose kondensimit, shkrirjes ose sublimimit;
- pesha e trupit;
- temperatura e trupit, që karakterizon energjinë kinetike të grimcave;
- lloj lënde.
Energjia e brendshme e një gazi ideal monatomik

Kjo energji, në mënyrë ideale, përbëhet nga energjitë kinetike të secilës grimcë, e cila lëviz në mënyrë të rastësishme dhe të vazhdueshme, dhe nga energjia potenciale e ndërveprimit të tyre brenda një trupi të caktuar. Kjo ndodh për shkak të një ndryshimi të temperaturës, gjë që konfirmohet nga eksperimentet e Joule.

Për të llogaritur energjinë e brendshme të një gazi monoatomik, përdorni ekuacionin:

Ku, në varësi të ndryshimit të temperaturës, energjia e brendshme do të ndryshojë (rritet me rritjen e temperaturës dhe zvogëlohet me uljen e saj). Energjia e brendshme është një funksion i gjendjes.

ENERGJIA E BRENDSHME, një funksion U i parametrave termodinamikë të sistemit (për shembull, vëllimi V dhe temperatura T), ndryshimi i të cilit përcaktohet nga puna e kryer nga një sistem homogjen në kushtet e izolimit të tij adiabatik. Koncepti i "energjisë së brendshme" u prezantua në 1851 nga W. Thomson (Lord Kelvin). Ekzistenca e funksionit U(V,T) është pasojë e ligjit të parë të termodinamikës - ligjit të ruajtjes së energjisë siç zbatohet në proceset në të cilat ndodh transferimi i nxehtësisë. Rritja e energjisë së brendshme ΔU = ΔQ-A, ku ΔQ është sasia e nxehtësisë që i jepet sistemit, A = pΔV është puna e bërë nga sistemi, p është presioni. Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, energjia e brendshme është një funksion unik i gjendjes së një sistemi fizik, d.m.th., një funksion unik i variablave të pavarur që përcaktojnë këtë gjendje, si temperatura dhe vëllimi. Veçantia e energjisë së brendshme çon në faktin se, megjithëse ΔQ dhe A varen nga natyra e procesit që transferon sistemin nga një gjendje me U 1 në një gjendje me U 2, rritja ΔU përcaktohet vetëm nga vlerat . të energjisë së brendshme në gjendjen fillestare dhe përfundimtare: ΔU = U 1 - U 2. Prandaj, për një proces rrethor, ndryshimi total në energjinë e brendshme është zero dhe ΔQ=A. Në një proces adiabatik (ΔQ = 0), ndryshimi në energjinë e brendshme është i barabartë me punën e bërë nga sistemi gjatë një procesi pafundësisht të ngadaltë, kuazi-statik.

Në përgjithësi, energjia e brendshme është një funksion i parametrave termodinamikë të jashtëm dhe të brendshëm, duke përfshirë temperaturën. Në vend të temperaturës, si parametër termodinamik mund të zgjidhni entropinë S. Sipas ligjit të dytë të termodinamikës, ΔQ = ТΔS, pastaj ΔU = ТΔS -ρΔV. Energjia e brendshme në funksion të entropisë dhe vëllimit U(S,V) është një nga potencialet e termodinamikës (funksioni karakteristik), sepse përcakton të gjitha vetitë termodinamike të sistemit. Nëse sistemi përbëhet nga n komponentë, atëherë U varet (përveç S dhe V) nga numri i grimcave N i në komponentë, i = 1, 2,..., n. Minimumi U në entropinë konstante, vëllimin dhe masat e përbërësve përcakton ekuilibrin e qëndrueshëm të sistemeve shumëfazore dhe shumëkomponente.

Nga pikëpamja e teorisë kinetike molekulare të energjisë së brendshme, energjia mesatare mekanike (energjia kinetike dhe energjia e ndërveprimit) e të gjitha grimcave të sistemit ka kuptim. Nëse një fushë elektromagnetike hyn në një sistem termodinamik, atëherë energjia e saj përfshihet gjithashtu në energjinë e brendshme. Energjia kinetike lëvizja e trupit në tërësi nuk përfshihet në energjinë e brendshme.

Për një gaz ideal, që i nënshtrohet statistikave klasike, energjia e brendshme varet vetëm nga temperatura: U = CVT, ku CV është kapaciteti i nxehtësisë në vëllim konstant. Për një gaz dhe lëng jo ideal, energjia e brendshme varet gjithashtu nga vëllimi specifik v = V/N, ku N është numri i grimcave. Për shembull, për një gaz që i bindet ekuacionit van der Waals, energjia e brendshme ka formën U = CVT - a/v, ku a është një konstante që merr parasysh tërheqjen e ndërsjellë të molekulave.

Ndezur. shikoni Artin. Termodinamika.