Внутренняя энергия тела

Что такое внутренняя энергия тела

Любое тело или предмет обладают энергией. Например, летящий самолет или падающий шар обладают механической энергией. В зависимости от взаимодействия с внешними телами различают два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладают все предметы, которые тем или иным способом движутся в пространстве. Это самолет, птица, летящий в ворота мяч, перемещающийся автомобиль и др. Вторым видом механической энергии является потенциальная. Этой энергией обладают, например, поднятый камень или мяч над поверхностью земли, сжатая пружина и т.п. При этом кинетическая энергия тела может переходить в потенциальную и наоборот.

Самолеты, вертолет и дирижабль обладают кинетической энергией

Сжатая пружина обладает потенциальной энергией

Рассмотрим пример. Тренер поднимает мяч и держит его в руках. При этом мяч обладает потенциальной энергией. Когда тренер бросает мяч на землю, то у него появляется кинетическая энергия, пока он летит. После того, как мяч отскакивает,  также происходит перетекание энергии до тех пор, пока мяч не будет лежать на поле. В этом случае и кинетическая и потенциальная энергии равны нулю. Но у мяча при этом повысилась внутренняя энергия молекул из-за взаимодействия с полем.

Но существует еще внутренняя энергия молекул тела, например, того же мяча. Пока мы его перемещаем или поднимаем, внутренняя энергия не изменяется. Внутренняя энергия не зависит от механического воздействия или движения, а зависит только от температуры, агрегатного состояния и других особенностей.

В каждом теле имеется множество молекул, они могут обладать как кинетической энергией движения, так и потенциальной энергией взаимодействия. При этом внутренняя энергия является суммой энергий всех молекул тела.

Как изменить внутреннюю энергию тела

Внутренняя энергия зависит от скорости движения молекул в теле. Чем быстрее они движутся, тем выше энергия тела. Обычно это происходит при нагревании тела. Если же мы его охлаждаем, то происходит обратный процесс  — внутренняя энергия уменьшается.

Если мы нагреваем кастрюлю при помощи огня (плиты), то мы совершаем над этим предметом работу и, соответственно, изменяем его внутреннюю энергию.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя основными способами. Совершая работу над телом, мы увеличиваем его внутреннюю энергию и наоборот, если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Вторым способом изменения внутренней энергии является процесс теплопередачи. Обратите внимание, что во втором варианте над телом не совершается работы. Так, например, нагревается стул зимой, стоящий рядом возле горячей батареи. Теплопередача всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой.

Таким образом, зимой нагревается воздух от батарей. Проведем небольшой эксперимент, который можно выполнить в домашних условиях. Наберите стакан горячей воды и поставьте его в чашу или контейнер с холодной. Через время температура воды в обоих сосудах станет одинаковой. Это и является процессом теплопередачи, то есть изменения внутренней энергии без совершения работы. Существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Внутренняя энергия | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Внутренняя энергия». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое внутренняя энергия тела. От каких факторов зависит внутренняя энергия.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Механическая энергия тела складывается из его потенциальной и кинетической энергий. Один из самых фундаментальных законов природы — закон сохранения энергии гласит, что энергия никогда не исчезает и не возникает «из ничего», она только переходит из одного вида в другой и от одного тела к другому.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Поднимем резиновый мячик над полом и отпустим его. Мячик начнёт падать на пол, и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую. После падения мячик отскочит вверх, а его кинетическая энергия будет превращаться в потенциальную. Высота, на которую подпрыгивает мячик, с каждым разом становится всё меньше, и мячик останавливается. Означает ли это, что нарушился основной закон механики и энергия бесследно исчезла?

В опыте с резиновым мячиком причина убывания механической энергии заключается в наличии сил трения, связанных с сопротивлением воздуха и деформациями в материале мяча и пола. Механическая энергия тратится на работу, совершаемую против сил трения, и в итоге переходит в энергию молекул. При движении в воздухе с небольшими скоростями тела практически не нагреваются. Однако при движении с большими скоростями нагревание уже заметно (движение пули, движение космического корабля при запуске и посадке и пр.).

Проведем ещё один опыт. Для этого возьмём свинцовую плиту. Поднимем над ней свинцовый шар и отпустим. Подняв шар, мы сообщаем ему запас потенциальной энергии. При падении шар опускается всё ниже и ниже, и его потенциальная энергия уменьшается. Но в то же время скорость шара увеличивается, следовательно, кинетическая энергия возрастает. После того как шар ударится о плиту, он остановится.

Кинетическая и потенциальная энергии шара относительно плиты в этот момент равны нулю. Куда исчезла механическая энергия шара?

Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. После удара состояние шара и плиты изменилось — они деформировались. На плите образовалась небольшая вмятина, а шар немного сплющился. Если измерить их температуру сразу после удара, обнаружится, что и шар, и плита нагрелись. Следовательно, изменился характер движения частиц, составляющих эти тела. А значит, изменилась и их энергия.

Увеличение температуры связано с увеличением кинетической энергии молекул (атомов) тела. Вы знаете, что характер взаимодействия молекул друг с другом зависит от расстояний между ними: они либо притягиваются, либо отталкиваются. Это означает, что молекулы (атомы) обладают также и потенциальной энергией. Деформация тела приводит к изменению взаимного расположения его молекул и соответственно их потенциальной энергии. Рассматривая наш опыт, можно утверждать, что механическая энергия, которой обладал шар вначале, не исчезла бесследно. Произошла деформация тела, изменилась его температура, т. е. изменились потенциальная и кинетическая энергии частиц, составляющих данное тело.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоят тела, называют внутренней энергией тела. Внутреннюю энергию обозначают буквой U. Единицей внутренней энергии является джоуль (1 Дж).

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Чем больше скорость движения молекул (а следовательно, и их кинетическая энергия), тем выше температура тела. Значит, внутренняя энергия тела зависит от температуры тела.

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя кинетическая энергия молекул.

При понижении температуры внутренняя энергия уменьшается.

Внутренняя энергия тела зависит от его агрегатного состояния. Действительно, в твёрдых телах, жидкостях и газах различаются как расстояния между молекулами, так и характер движения самих молекул. Следовательно, различны и потенциальная и кинетическая энергии молекул.

Внутренняя энергия тела складывается из потенциальной и кинетической энергий всех его молекул. Поэтому, чем больше молекул в теле, тем больше его внутренняя энергия. Так как масса тела складывается из масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия зависит от массы тела при прочих равных условиях.

Причиной изменения внутренней энергии может служить также химическая реакция, т. е. реакция, в результате которой одно вещество превращается в другое, отличающееся по свойствам и составу. При такой реакции атомы и молекулы перегруппировываются, что, как правило, влечёт за собой изменение их потенциальной и кинетической энергий.

ОТ ЧЕГО НЕ ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела как целого, ни от положения этого тела относительно других тел. Например, внутренняя энергия нагретого до кипения чайника с водой не зависит от того, стоит ли он на столе, или его несут из одной комнаты в другую.

ВСЕОБЩИЙ ХАРАКТЕР ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В процессе изучения тепловых явлений физикам стало понятно, что при переходе механической энергии во внутреннюю полная энергия сохраняется. С развитием физики человечество открывало всё новые и новые виды энергии.

Фундаментальность закона сохранения энергии заключается в том, что, несмотря на возможные переходы энергии из одной формы в другую, полная энергия остаётся величиной постоянной.

 

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Внутренняя энергия». Что такое внутренняя энергия тела. От каких факторов зависит внутренняя энергия.

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 8 631

термодинамика — Зависит ли внутренняя энергия однофазных материалов в первую очередь от температуры или зависит также и от давления?

спросил

5 лет, 7 месяцев назад

Изменено 5 лет, 7 месяцев назад

Просмотрено 1к раз

$\begingroup$

Меня смущает связь между внутренней энергией и температурой идеальных газов и однофазных материалов. Следующие два утверждения из двух разных источников в основном являются причинами:

В однофазных материалах, таких как твердые вещества, жидкости и газы, внутренняя энергия системы зависит в первую очередь от температуры.

цитата из Introduction to Thermal and Fluids Engineering Деборы А. Камински и Майкла К. Дженсена

… в изотермическом процессе внутренняя энергия идеальный газ постоянен. … Обратите внимание, что это верно только для идеальных газов; внутренняя энергия зависит как от давления, так и от температуры жидкостей, твердых тел и реальных газов.

цитата из Изотермический процесс , Википедия

Разве во второй статье не предполагается, что они являются однофазными, когда речь идет о жидкостях, твердых телах и реальных газах? А также, почему внутренняя энергия однофазных материалов зависит прежде всего от температуры?

  • термодинамика
  • энергия
  • идеальный газ

$\endgroup$

$\begingroup$

Для однофазной замкнутой системы (твердое тело, жидкость или газ) дифференциальное изменение внутренней энергии dU как функция dT и dV определяется следующим общим уравнением (без учета электрического и магнитного полей): $$dU=C_vdT-\left[PT\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V\right]dV$$ Вы знакомы с этим уравнением? Для идеального газа член в скобках равен нулю, а для несжимаемого твердого тела или жидкости dV равен нулю.

Итак, для таких идеальных материалов dU является функцией только dT. И многие твердые тела, жидкости и газы приближаются к этим идеальным ситуациям.

Можете ли вы написать выражение для dV через dP и dT? Когда вы объединяете это с приведенными выше уравнениями, вы получаете соотношение для dU с точки зрения dT и dP.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

1-й закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии равно $dU=\delta Q + \delta W$. это сумма поглощенного тепла и работы, поэтому, если вы хотите изменить внутреннюю энергию, вы должны передать либо тепло, либо работу. В сочетании со 2-м законом вы можете записать это как уравнение Гиббса, явно описывающее различные взаимодействия:0055 Для идеального газа и мы предполагаем только тепловое и механическое взаимодействие, т. е. $dU=TdS-pdV$, и считаем, что $U=f(T)$.

По сути, это определение , но полученное из опыта работы с разбавленными газами, независимо от взаимодействия, в котором они участвуют. Это не имеет ничего общего с процессом, а связано с природой материальной системы, т. е. с идеальным газом.

Практические жидкости и твердые тела практически несжимаемы при обычном давлении, $dV=0$, поэтому

механическое член взаимодействия отсутствует в уравнении Гиббса, а остается тепловое взаимодействие и все остальное, если оно есть: $dU = TdS + \mu dN — edE — mdH + и т. д.,$ Но если материал электрически /магнитно нейтральны и процесс таков, что $dN=0$, то все, что у вас осталось, это $dU=TdS$.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

термодинамика — Является ли внутренняя энергия функцией давления?

спросил

Изменено 3 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 9к раз

$\begingroup$

Я читал, что внутренняя энергия зависит только от температуры, а не от давления. Но скажем, мы сжимаем объем газа. Не начнут ли частицы двигаться быстрее? Это означает увеличение их внутренней энергии.

Это увеличение внутренней энергии из-за давления? Или повышение температуры из-за давления, которое, в свою очередь, увеличивает энергию? Как я это вижу?

  • термодинамика
  • энергия
  • давление
  • идеальный газ
  • кинетическая теория

$\endgroup$

$\begingroup$

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры газа. Как температура связана с давлением, легко увидеть в законе идеального газа $$PV=NkT$$ Поэтому я полагаю, что можно было бы выдвинуть аргумент, что внутренняя энергия идеального газа зависит от величины $$\frac{PV}{Nk}$$ и вам решать, как вы хотите объяснить зависимость. Однако проблема заключается в том, что в зависимости от процесса эти переменные вынуждены развиваться определенным образом.

Действительно, для вашего примера сжатия важно, как вы сжимаете газ. Приведу несколько типичных примеров:

Если газ сжать таким образом, что его давление обратно пропорционально его объему, то по закону идеального газа температура остается постоянной. Получается, что в этом случае теплота, покидающая газ, точно уравновешивается работой, которую вы над ним совершаете. Внутренняя энергия не меняется.

Если газ сжать так, что его давление остается постоянным, то по закону идеального газа температура падает пропорционально объему. В этом случае больше энергии покидает систему в виде тепла, чем то, что вы вкладываете в нее в виде работы. Внутренняя энергия уменьшается. 9{\gamma-1}>1$.

$\endgroup$

$\begingroup$

Как уже указал @Asron Stevens, ответы на ваши вопросы действительно зависят от вовлеченного термодинамического процесса, а также от типа газа (идеального или реального). Например, он показал вам, что для идеального газа можно увеличить давление без изменения температуры или внутренней энергии (изотермическое сжатие).

Когда вы говорите, что читаете «внутренняя энергия является функцией только температуры», это правильно для идеальных газов, потому что межмолекулярные силы отсутствуют, и поэтому их внутренняя энергия считается кинетической энергией. Однако это не обязательно правильно для реальных газов, где задействованы межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы и, следовательно, внутренняя энергия представляет собой сумму его внутренней кинетической и потенциальной энергии.

Переходя от газов к твердым телам и жидкостям, можно получить увеличение или уменьшение полной внутренней энергии без изменения температуры при изотермических фазовых переходах. Фазовые превращения, как правило, связаны с изменением потенциальной энергетической составляющей внутренней энергии веществ.

Надеюсь, это поможет.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Важно помнить, что U является функцией состояния (свойства материала), независимой от какого-либо процесса. Между двумя состояниями термодинамического равновесия изменение U не зависит от конкретного пути процесса, который использовался для перехода системы между этими двумя состояниями. Существует бесконечное число путей, которые могут пройти между двумя состояниями, и Q и W могут варьироваться между этими путями, но изменение U будет одинаковым для всех из них. Так что можно было бы также использовать обратимый путь, для которого dU = TdS — PdV. Это приводит к взаимосвязи между dU, dT и dP, которую я записал в комментарии к ответу @BobD.