مشخصه اصلی وضعیت درونی یک سیستم فیزیکی آن است انرژی درونی.

انرژی درونی (U) شامل انرژی حرکت آشفته (حرارتی) تمام ریزذرات سیستم (مولکول ها، اتم ها، یون ها و غیره) و انرژی برهمکنش این ذرات، یعنی. جنبشی، پتانسیل، و غیره، به استثنای کل انرژی استراحت تمام ذرات.

خواص انرژی درونی

1. در حالت تعادل ترمودینامیکی، ذراتی که اجسام ماکروسکوپی را تشکیل می دهند به گونه ای حرکت می کنند که انرژی کل آنها همیشه با دقت بالا برابر با انرژی درونی جسم است.

2. انرژی درونی تابعی از وضعیت سیستم فیزیکی است.

3. انرژی داخلی یک سیستم فیزیکی به مسیر انتقال آن از یک حالت به حالت دیگر بستگی ندارد، بلکه تنها با مقادیر انرژی داخلی در حالت اولیه و نهایی تعیین می شود: D U = U 2 -U 1.

4. انرژی درونی با خاصیت افزودنی مشخص می شود، یعنی. برابر است با کل انرژی داخلی اجسام موجود در سیستم.

نکته: ذرات گاز علاوه بر درجات آزادی انتقالی، دارای درجات داخلی نیز هستند. به عنوان مثال، اگر ذرات یک گاز مولکول باشند، علاوه بر حرکت الکترونیکی، چرخش مولکول ها و همچنین ارتعاشات اتم های سازنده مولکول ها امکان پذیر است.

حرکت انتقالی ذرات گاز از قوانین کلاسیک تبعیت می کند و حرکات درونی آنها ماهیت کوانتومی دارد. فقط تحت شرایط خاصی می توان درجات آزادی داخلی را کلاسیک در نظر گرفت.

برای محاسبه انرژی داخلی یک گاز ایده آل، از قانون توزیع برابر انرژی بر درجات آزادی کلاسیک استفاده می شود. در مورد گاز ایده آل، فقط انرژی جنبشی حرکت انتقالی ذرات در نظر گرفته می شود. اگر ذرات گاز اتم های منفرد باشند، هر کدام سه درجه آزادی انتقالی دارند.

بنابراین، هر اتم دارای انرژی جنبشی متوسط ​​است:

< ه ک > =3 kT/2.

اگر گازی از اتم N تشکیل شده باشد، انرژی درونی آن

اگر درجات ارتعاشی آزادی مولکول ها نیز برانگیخته شود، سهم آنها در انرژی داخلی است

.

(1.27)

فرمول (1.27) در نظر می‌گیرد که هر حرکت ارتعاشی مولکول‌ها با میانگین انرژی‌های پتانسیل جنبشی و متوسط ​​مشخص می‌شود که با یکدیگر برابر هستند. بنابراین، طبق قانون توزیع یکسان انرژی بر درجات آزادی، به طور متوسط ​​انرژی kT در هر درجه آزادی ارتعاشی وجود دارد.

بنابراین، اگر یک مولکول دو اتمی باشد، تعداد کل درجات آزادیمن=6. سه تای آنها پیشرو هستند (من سریع =3)، دو چرخشی (من vr =2) و یک نوسانی (من شمردن =1). در دماهایی که درجات آزادی ارتعاش هنوز "یخ زده" هستند، انرژی داخلی مولکول های دواتمی یک گاز ایده آل .

اگر درجات آزادی ارتعاشی "نجماد" باشد، انرژی داخلی مولکول های دواتمی یک گاز ایده آل U = U post + U vr + U coll = است.

بنابراین، انرژی درونی یک گاز ایده آل تک اتمی است

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

(1.28)

جایی که< e k > = .

تعداد مول گاز n= N/N آ = متر/ M، پس

به گفته MKT، همه مواد از ذراتی تشکیل شده اند که در حرکت حرارتی مداوم هستند و با یکدیگر برهم کنش دارند. بنابراین حتی اگر جسم بی حرکت باشد و انرژی پتانسیل صفر داشته باشد، دارای انرژی (انرژی درونی) است که کل انرژی حرکت و برهم کنش ریزذرات تشکیل دهنده بدن است. انرژی داخلی شامل:

1. انرژی جنبشی حرکت انتقالی، چرخشی و ارتعاشی مولکول ها؛
2. انرژی پتانسیل برهمکنش اتم ها و مولکول ها؛
3. انرژی درون اتمی و درون هسته ای

در ترمودینامیک، فرآیندهایی در دماهایی در نظر گرفته می شوند که در آن حرکت ارتعاشی اتم ها در مولکول ها برانگیخته نمی شود، به عنوان مثال. در دماهای بیش از 1000 K. در این فرآیندها، تنها دو جزء اول انرژی داخلی تغییر می کند. بنابراین، تحت انرژی درونیدر ترمودینامیک ما مجموع انرژی جنبشی همه مولکول ها و اتم های یک جسم و انرژی پتانسیل برهم کنش آنها را درک می کنیم.

انرژی درونی یک جسم، حالت حرارتی آن را تعیین می کند و در طی انتقال از یک حالت به حالت دیگر تغییر می کند. در یک حالت معین، بدن دارای یک انرژی درونی کاملاً مشخص است، مستقل از فرآیندی که از طریق آن به این حالت منتقل شده است. بنابراین، انرژی درونی اغلب نامیده می شود عملکرد وضعیت بدن.

انرژی داخلی کمیتی است که وضعیت ترمودینامیکی یک جسم را مشخص می کند. هر جسمی متشکل از ذراتی است که دائماً در حال حرکت و تعامل با یکدیگر هستند. انرژی درونی یک جسم مجموع انرژی جنبشی حرکت ذرات ماده و انرژی پتانسیل اثر متقابل آنها است.

اچ درجه آزادی تعداد متغیرهای مستقلی است که موقعیت بدن را در فضا تعیین می کند و نشان داده می شود من .

همانطور که دیدیم، موقعیت یک نقطه مادی (مولکول تک اتمی) با سه مختصات داده می شود، از همین رو سه درجه آزادی دارد : من = 3

انرژی داخلی به دما بستگی دارد. اگر دما تغییر کند، انرژی داخلی تغییر می کند.

تغییر در انرژی درونی

برای حل مسائل عملی، این خود انرژی داخلی نیست که نقش مهمی ایفا می کند، بلکه تغییر آن ΔU = U2 - U1 است. تغییر انرژی درونی بر اساس قوانین بقای انرژی محاسبه می شود.
انرژی درونی بدن به دو صورت تغییر می کند:

1. هنگام ارتکاب کارهای مکانیکی.

الف) اگر یک نیروی خارجی باعث تغییر شکل جسم شود، فواصل بین ذرات آن تغییر می کند و بنابراین انرژی پتانسیل برهمکنش ذرات تغییر می کند. در طول تغییر شکل های غیر ارتجاعی، علاوه بر این، دمای بدن تغییر می کند، به عنوان مثال. انرژی جنبشی حرکت حرارتی ذرات تغییر می کند. اما وقتی جسمی تغییر شکل می‌دهد، کار انجام می‌شود که معیاری برای تغییر انرژی درونی بدن است.

ب) انرژی درونی جسم نیز در هنگام برخورد غیر کشسان آن با جسم دیگر تغییر می کند. همانطور که قبلاً دیدیم، در هنگام برخورد غیرکشسانی اجسام، انرژی جنبشی آنها کاهش می یابد، به انرژی درونی تبدیل می شود (مثلاً اگر چند بار با چکش به سیمی که روی سندان افتاده است ضربه بزنید، سیم گرم می شود). اندازه گیری تغییر انرژی جنبشی یک جسم، طبق قضیه انرژی جنبشی، کار نیروهای فعال است. این کار همچنین می تواند به عنوان معیاری برای تغییرات در انرژی داخلی عمل کند.

ج) تغییر در انرژی درونی جسم تحت تأثیر نیروی اصطکاک رخ می دهد، زیرا همانطور که از تجربه مشخص است، اصطکاک همیشه با تغییر دمای اجسام مالشی همراه است. کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک می تواند به عنوان معیاری برای تغییر انرژی داخلی باشد.

2. با کمک تبادل حرارت. به عنوان مثال اگر جسمی در شعله مشعل قرار گیرد دمای آن تغییر می کند در نتیجه انرژی درونی آن نیز تغییر می کند. با این حال، هیچ کاری در اینجا انجام نشد، زیرا هیچ حرکت قابل مشاهده ای از خود بدن یا قسمت های آن وجود نداشت.

تغییر در انرژی داخلی یک سیستم بدون انجام کار نامیده می شود تبادل حرارت(انتقال حرارت).

سه نوع انتقال حرارت وجود دارد: هدایت، همرفت و تابش.

آ) رسانایی گرماییفرآیند تبادل حرارت بین اجسام (یا قسمت‌هایی از بدن) در طول تماس مستقیم آنها است که در اثر حرکت آشفته حرارتی ذرات بدن ایجاد می‌شود. هر چه دما بیشتر باشد، دامنه ارتعاشات مولکول های یک جسم جامد بیشتر است. رسانایی حرارتی گازها به دلیل تبادل انرژی بین مولکول های گاز در هنگام برخورد آنهاست. در مورد مایعات، هر دو مکانیسم کار می کنند. رسانایی حرارتی یک ماده در حالت جامد حداکثر و در حالت گاز حداقل است.

ب) همرفتنشان دهنده انتقال گرما توسط جریان های گرم مایع یا گاز از برخی مناطق از حجمی است که آنها اشغال می کنند به مناطق دیگر.

ج) تبادل حرارت در تابش - تشعشعاز راه دور از طریق امواج الکترومغناطیسی انجام می شود.

بررسی درک شما از مطالب:

موشکی را در حال بلند شدن می بینید. این کار را انجام می دهد - فضانوردان و محموله ها را بلند می کند. انرژی جنبشی موشک افزایش می یابداز آنجایی که موشک با بالا رفتن سرعت آن افزایش می یابد. انرژی پتانسیل موشک نیز افزایش می یابد،همانطور که از زمین بالاتر و بالاتر می رود. بنابراین مجموع این انرژی ها یعنی انرژی مکانیکی موشک نیز افزایش می یابد.

ما به یاد داریم که وقتی یک بدن کار می کند، انرژی آن کاهش می یابد. با این حال، موشک کار می کند، اما انرژی آن کاهش نمی یابد، بلکه افزایش می یابد! راه حل تناقض چیست؟ به نظر می رسد که علاوه بر انرژی مکانیکی، نوع دیگری از انرژی وجود دارد - انرژی درونی.موشک با کاهش انرژی داخلی سوخت در حال سوختن، کارهای مکانیکی انجام می دهد و علاوه بر این، انرژی مکانیکی خود را افزایش می دهد.

نه فقط قابل اشتعال، اما همچنین داغاجسام دارای انرژی درونی هستند که به راحتی می تواند به کار مکانیکی تبدیل شود. بیایید یک آزمایش انجام دهیم. یک وزنه را در آب جوش گرم کنید و آن را روی یک جعبه حلبی که به فشار سنج متصل است قرار دهید. با گرم شدن هوا در جعبه، مایع موجود در فشارسنج شروع به حرکت می کند (شکل را ببینید).

منبسط شدن هوا روی مایع کار می کند. با توجه به چه انرژی این اتفاق می افتد؟ البته به دلیل انرژی درونی وزنه. بنابراین در این آزمایش مشاهده می کنیم تبدیل انرژی درونی بدن به کار مکانیکی.توجه داشته باشید که انرژی مکانیکی وزن در این آزمایش تغییر نمی کند - همیشه برابر با صفر است.

بنابراین، انرژی درونی- این انرژی یک جسم است که به دلیل آن می توان کار مکانیکی را بدون کاهش انرژی مکانیکی این جسم انجام داد.

انرژی درونی هر جسم به دلایل زیادی بستگی دارد: نوع و حالت ماده آن، جرم و دمای بدن و موارد دیگر. همه اجسام دارای انرژی درونی هستند: بزرگ و کوچک، گرم و سرد، جامد، مایع و گاز.

انرژی درونی فقط، به بیان مجازی، مواد و اجسام داغ و قابل احتراق می تواند به راحتی برای نیازهای انسان استفاده شود. اینها نفت، گاز، زغال سنگ، چشمه های زمین گرمایی در نزدیکی آتشفشان ها و غیره هستند. علاوه بر این، در قرن بیستم، انسان یاد گرفت که از انرژی درونی مواد به اصطلاح رادیواکتیو استفاده کند. اینها به عنوان مثال اورانیوم، پلوتونیوم و دیگران هستند.

به سمت راست نمودار نگاهی بیندازید. در ادبیات عامیانه، اغلب از انرژی های حرارتی، شیمیایی، الکتریکی، اتمی (هسته ای) و دیگر انواع انرژی نام برده می شود. همه آنها، به عنوان یک قاعده، انواع انرژی داخلی هستند، زیرا به دلیل آنها می توان کار مکانیکی را بدون از دست دادن انرژی مکانیکی انجام داد. ما مفهوم انرژی درونی را با جزئیات بیشتری در مطالعه بیشتر خود در مورد فیزیک در نظر خواهیم گرفت.

انرژی درونیترمودینامیکی عملکرد وضعیت سیستم، انرژی آن، در داخل تعیین می شود. وضعیت. انرژی داخلی اساساً جمع می شود. از جنبشی انرژی حرکت ذرات (اتم ها، مولکول ها، یون ها، الکترون ها) و انرژی برهم کنش. بین آنها (درون و بین مولکولی). انرژی درونی تحت تاثیر تغییرات انرژی درونی است. وضعیت سیستم تحت تأثیر عوامل خارجی زمینه های؛ انرژی داخلی به ویژه شامل انرژی مرتبط با قطبش دی الکتریک به بیرون است. برقی میدان و مغناطیس پارامغناطیس در خارج. ماگ رشته. جنبشی. انرژی سیستم به عنوان یک کل و انرژی پتانسیل ناشی از فضا. مکان سیستم در انرژی داخلی گنجانده نشده است. در ترمودینامیک، تنها تغییر انرژی درونی در تجزیه تعیین می شود. فرآیندها بنابراین، انرژی داخلی بسته به انرژی در نظر گرفته شده به عنوان صفر مرجع، تا یک مدت ثابت مشخص مشخص می شود.

انرژی داخلی U به عنوان تابع حالت توسط قانون اول ترمودینامیک معرفی شده است که بر اساس آن تفاوت بین گرمای Q منتقل شده به سیستم و کار W انجام شده توسط سیستم فقط به حالت اولیه و نهایی سیستم بستگی دارد و به مسیر انتقال بستگی ندارد، یعنی . نشان دهنده تغییر در عملکرد حالت است

که در آن U 1 و U 2 به ترتیب انرژی داخلی سیستم در حالت اولیه و نهایی هستند. معادله (1) قانون بقای انرژی را که در ترمودینامیک اعمال می شود بیان می کند. فرآیندها، یعنی فرآیندهایی که در آنها انتقال حرارت رخ می دهد. برای چرخه ای فرآیندی که سیستم را به حالت اولیه باز می گرداند. در فرآیندهای ایزوکوریک، به عنوان مثال. فرآیندهای با حجم ثابت، سیستم به دلیل انبساط کار نمی کند، W = 0 و گرمای منتقل شده به سیستم برابر با افزایش انرژی داخلی است: Q v =. برای آدیاباتیک زمانی که Q = 0، = - W را پردازش می کند.

انرژی درونی یک سیستم به عنوان تابعی از آنتروپی آن S، حجم V و تعداد مول m i جزء i یک پتانسیل ترمودینامیکی است. این نتیجه قانون اول و دوم ترمودینامیک است و با این رابطه بیان می شود:

"

که در آن T abs است. t-ra، p-pressure، -chemical. پتانسیل مولفه i. علامت مساوی به فرآیندهای تعادلی اشاره دارد، علامت نابرابری به فرآیندهای غیرتعادلی اشاره دارد. برای سیستمی با مقادیر داده شده S، V، m i (سیستم بسته در یک پوسته صلب آدیاباتیک)، انرژی داخلی در حالت تعادل حداقل است. اتلاف انرژی داخلی در فرآیندهای برگشت پذیر در ثابت V و S برابر است با حداکثر. کار مفید (به کار واکنش حداکثری مراجعه کنید).

وابستگی انرژی داخلی یک سیستم تعادلی به دما و حجم U =f(T,V) نامیده می شود. معادله کالری حالت مشتق انرژی داخلی نسبت به دما در حجم ثابت برابر با ظرفیت گرمایی ایزوکوریک است:

انرژی داخلی یک گاز ایده آل به حجم بستگی ندارد و تنها با حجم تعیین می شود.

مقدار انرژی داخلی یک ماده به صورت تجربی تعیین می شود و از مقدار آن در abs اندازه گیری می شود. صفر t-ry. تعیین انرژی داخلی به داده هایی در مورد ظرفیت حرارتی CV (T)، گرمای انتقال فاز و سطح حالت نیاز دارد. تغییر در انرژی درونی در طول شیمی. p-tions (به ویژه انرژی داخلی استاندارد تشکیل یک ماده) از داده های مربوط به اثرات حرارتی p-tion ها و همچنین از داده های طیفی تعیین می شود. نظری محاسبه انرژی داخلی با استفاده از روش های آماری انجام می شود. ترمودینامیک، که انرژی داخلی را به عنوان انرژی متوسط ​​سیستم تحت شرایط عایق معین (مثلاً در T، V، m i معین) تعریف می کند. انرژی داخلی یک گاز ایده آل تک اتمی مجموع میانگین انرژی دریافتی است. حرکت مولکولی و انرژی متوسط ​​حالات الکترونیکی برانگیخته؛ برای گازهای دو و چند اتمی، میانگین انرژی چرخش مولکول ها و ارتعاشات آنها در اطراف موقعیت تعادل نیز به این مقدار اضافه می شود. انرژی داخلی 1

همراه با انرژی مکانیکی، هر جسم (یا سیستم) دارای انرژی درونی است. انرژی درونی انرژی استراحت است. این شامل حرکت هرج و مرج حرارتی مولکول های تشکیل دهنده بدن، انرژی پتانسیل آرایش متقابل آنها، انرژی جنبشی و پتانسیل الکترون ها در اتم ها، نوکلئون ها در هسته ها و غیره است.

در ترمودینامیک، دانستن قدر مطلق انرژی درونی، بلکه تغییر آن مهم است.

در فرآیندهای ترمودینامیکی، تنها انرژی جنبشی مولکول‌های متحرک تغییر می‌کند (انرژی گرمایی برای تغییر ساختار یک اتم کافی نیست، حتی یک هسته). بنابراین، در واقع تحت انرژی درونیدر ترمودینامیک منظور ما انرژی است هرج و مرج حرارتیحرکت مولکول ها

انرژی درونی Uیک مول گاز ایده آل برابر است با:

بدین ترتیب، انرژی داخلی فقط به دما بستگی دارد. انرژی داخلی U تابعی از وضعیت سیستم است، بدون توجه به پیشینه

واضح است که در حالت کلی، یک سیستم ترمودینامیکی می تواند هم انرژی داخلی و هم انرژی مکانیکی داشته باشد و سیستم های مختلف می توانند این نوع انرژی ها را مبادله کنند.

تبادل انرژی مکانیکیبا کامل مشخص می شود کار A،و تبادل انرژی درونی - مقدار گرمای منتقل شده Q.

مثلاً در زمستان سنگ داغی را در برف پرتاب کردید. به دلیل ذخیره انرژی پتانسیل، کارهای مکانیکی برای فشرده سازی برف انجام شد و به دلیل ذخیره انرژی داخلی، برف ها ذوب شدند. اگر سنگ سرد بود، یعنی. اگر دمای سنگ با دمای محیط برابر باشد، فقط کار انجام می شود، اما تبادل انرژی داخلی وجود نخواهد داشت.

بنابراین، کار و گرما اشکال خاصی از انرژی نیستند. شما نمی توانید در مورد ذخیره گرما یا کار صحبت کنید. این اندازه گیری منتقل شدهسیستم دیگری از انرژی مکانیکی یا داخلی. می توان در مورد ذخیره این انرژی ها صحبت کرد. علاوه بر این، انرژی مکانیکی را می توان به انرژی حرارتی و بالعکس تبدیل کرد. مثلاً اگر با چکش به سندان ضربه بزنید، بعد از مدتی چکش و سندان گرم می شوند (این یک مثال است. اتلافانرژی).

ما می‌توانیم مثال‌های بسیار بیشتری از تبدیل یک شکل انرژی به شکل دیگر ارائه کنیم.

تجربه نشان می دهد که در همه موارد، تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی و بالعکس همیشه در مقادیر کاملاً معادل اتفاق می افتد.این جوهر قانون اول ترمودینامیک است که از قانون بقای انرژی ناشی می شود.

مقدار حرارتی که به بدن وارد می شود برای افزایش انرژی درونی و انجام کار روی بدن می رود:

,

(4.1.1)

- همین است قانون اول ترمودینامیک ، یا قانون بقای انرژی در ترمودینامیک

قانون امضا:اگر گرما از محیط منتقل شود این سیستم،و اگر سیستم روی اجسام اطراف کار کند، در این حالت . با در نظر گرفتن قاعده علامت، قانون اول ترمودینامیک را می توان به صورت زیر نوشت:

در این بیان U- عملکرد وضعیت سیستم؛ د Uدیفرانسیل کل آن است و δ سو δ آآنها نیستند. در هر حالت، سیستم دارای مقدار مشخص و فقط این مقدار انرژی داخلی است، بنابراین می‌توانیم بنویسیم:

,

مهم است که توجه داشته باشید که گرما سو کار آبستگی به نحوه انتقال از حالت 1 به حالت 2 (ایزوکوریک، آدیاباتیک و غیره) و انرژی داخلی دارد. Uوابسته نیست. در عین حال، نمی توان گفت که سیستم دارای مقدار خاصی از گرما و کار برای یک حالت معین است.

از فرمول (4.1.2) چنین بر می آید که مقدار گرما در واحدهای کار و انرژی بیان می شود. در ژول (J).

در ترمودینامیک فرآیندهای دایره ای یا چرخه ای از اهمیت ویژه ای برخوردارند که در آن یک سیستم پس از عبور از یک سری حالات به حالت اولیه خود باز می گردد. شکل 4.1 فرآیند چرخه ای 1 را نشان می دهد آ–2–ب-1، و کار A انجام شد.

برنج. 4.1

زیرا Uپس یک تابع حالت است

(4.1.3)

این برای هر تابع حالت صادق است.

اگر طبق قانون اول ترمودینامیک، یعنی. ساختن موتوری که به صورت دوره ای کار می کند که بیشتر از مقدار انرژی که از بیرون به آن منتقل می شود کار کند غیرممکن است. به عبارت دیگر، یک ماشین حرکت دائمی از نوع اول غیرممکن است. این یکی از فرمول بندی های قانون اول ترمودینامیک است.

لازم به ذکر است که قانون اول ترمودینامیک نشان نمی دهد که فرآیندهای تغییر حالت در کدام جهت رخ می دهد که یکی از کاستی های آن است.