22.04.2022 р.
Тема: Внутрішня енергія та способи її зміни. Перший закон термодинаміки.
1. Внутрішня енергія
При вивченні курсу механіки ми познайомилися з поняттям механічної енергії і знаємо, що механічна енергія — це сума кінетичної енергії, зумовленої рухом тіл, і потенційної енергії, яка зумовлена їх взаємодією.
Якщо тіла взаємодіють за допомогою сил тяжіння та пружності, то механічна енергія зберігається. Механічна енергія убуває, якщо між тілами діє сила тертя або ковзання. При цьому тіла нагріваються, а ми вже знаємо, що підвищення температури означає збільшення енергії хаотичного руху частинок. Однак механічна енергія може спадати і без підвищення температури. Наприклад, якщо терти лід за температури 0 °С, він буде перетворюватися на воду, температура якої теж 0 °С. На що ж перетворюється при цьому механічна енергія? Вона перетворюється на потенційну енергію взаємодії молекул. Під час перетворення льоду на воду ця потенціальна енергія збільшується. Ми говоримо, що в обох випадках збільшується внутрішня енергія тіла.
Ø Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною: U = Ek + Еp.
Приклади зміни внутрішньої енергії: нагрівання та охолодження; плавлення і кристалізація; випаровування і конденсація; хімічні реакції; ядерні реакції.
Внутрішня енергія тіла залежить від його стану, тобто є функцією стану, і визначається однозначно параметрами р, V, Т. Це означає, що тіло, перебуваючи в стані з даними значеннями параметрів, має одне, і тільки одне значення внутрішньої енергії. Під час зміни стану тіла змінюється значення внутрішньої енергії.
2. Два способи зміни внутрішньої енергії
Змінити внутрішню енергію тіла можна двома способами:
1) під час здійснення над тілом роботи (наприклад, якщо стискати газ у теплоізольованій посудині, то він нагрівається);
2) завдяки теплопередачі, тобто без здійснення роботи (наприклад, під час контакту тіл різної температури, їх температури вирівнюються, тобто внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого — збільшується).
Кількісну міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти й позначають Q. Кількість теплоти вимірюється в джоулях.
3. Внутрішня енергія ідеального газу
Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу має вигляд 
Рівняння стану ідеального газу можна записати у вигляді р = nkT.
З цих двох виразів можна отримати 
Якщо ідеальний газ складається з N молекул, то їх загальна енергія 
Підставляючи сюди вираз 
отримуємо:
Для одного моля цей вираз матиме вигляд:
Ця енергія називається внутрішньою енергією ідеального газу Так як для ідеального газу взаємодією молекул нехтують, потенціальна енергія молекул дорівнює нулю.
Ø Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму.
Збільшення маси газу призводить до збільшення його внутрішньої енергії (U ~ m). Внутрішня енергія залежить від роду газу, тобто від його молярної маси (U ~ 1/M). Це відбувається за таких умов: чим більша молярна маса М, тим менше атомів міститься в газі даної маси. Якщо ідеальний газ складається з більш складних молекул, ніж одноатомний, то його внутрішня енергія також пропорційна абсолютній температурі, тільки коефіцієнт пропорційності між U та Т інший. Пояснюється це тим, що складні молекули не тільки рухаються поступально, а й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального руху молекул.
Питання
1. Яку енергію називають внутрішньою?
2. Наведіть приклади перетворення механічної енергії у внутрішню і навпаки.
3. Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?
4. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії шляхом здійснення роботи або шляхом теплопередачі.
5. Під час якого процесу внутрішня енергія не змінюється? Чому?
6. Від чого залежить і від чого не залежить внутрішня енергія ідеального газу?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Тренуємося розв'язувати задачі
1) Моль якого газу — водню або гелію — має велику внутрішню енергію за однакової температури?
2) Внутрішня енергія певної маси одноатомного газу за температури 32 °С дорівнює 1 Дж. Скільки молекул містить ця маса газу?
3) У кімнаті протопили піч. Чому не збільшилася внутрішня енергія повітря в кімнаті, хоча температура повітря підвищилася?
Розв’язок
Енергія кожної молекули збільшується, але концентрація їх п відповідно зменшується, тому що частина повітря крізь щілини витікає назовні і тиск його р у кімнаті залишається незмінним. Так як 
то загальна внутрішня енергія повітря в кімнаті n
не змінилася.
2. Контрольні питання
1) Шматок м’якого дроту кілька разів зігнули і розігнули. У яку форму перейшла витрачена при цьому енергія? Поясніть свою відповідь.
2) Яким чином досконала механічна робота впливає на внутрішню енергію тіла?
3) У якому процесі газ, отримуючи тепло, не змінює температуру?
Що ми дізнались на уроці
✵ Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною.
✵ Два способи зміни внутрішньої енергії:
1) під час виконання роботи;
2) шляхом теплопередачі.
✵ Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму:
Коментарі
Дописати коментар