›

Внутренняя энергия в газах. Внутренняя энергия

6.2. Первый закон термодинамики

6.2.1. Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия любого вещества - это энергия теплового движения его молекул и энергия их взаимодействия между собой. Модель идеального газа предполагает отсутствие взаимодействия между его молекулами, поэтому внутренней энергией идеального газа принято считать только энергию теплового движения молекул. Внутренняя энергия газа представляет собой сумму кинетических энергий его молекул и определяется формулой

U = N 〈 E k 〉 ,

где N - число молекул (атомов), N = νN A ; ν - количество вещества; N A - постоянная (число) Авогадро, N A = 6,02 ⋅ 10 23 моль –1 ; 〈 E k 〉 - средняя кинетическая энергия одной молекулы, 〈 E k 〉 = i 2 k T ; i - число степеней свободы; k - постоянная Больцмана, k = 1,38 ⋅ 10 −23 Дж/К; T - абсолютная температура.

Число степеней свободы зависит от количества атомов в молекуле газа и имеет следующие значения:

  • для одноатомного -

i = 3;

  • для двухатомного -

i = 5;

  • для трех- и многоатомного -

i = 6.

В Международной системе единиц внутренняя энергия вещества (газа) измеряется в джоулях (1 Дж).

Внутренняя энергия идеального газа определяется формулой

U = i 2 ν R T ,

где i - число степеней свободы; ν - количество вещества (газа); R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T - абсолютная (термодинамическая) температура вещества.

Внутренняя энергия для одно-, двух-, трех- и многоатомных газов определяется следующими формулами:

  • для одноатомного -

U = 3 2 ν R T ;

  • для двухатомного -

U = 5 2 ν R T ;

  • для трех- и многоатомного -

U = 3νRT .

Изменение внутренней энергии газа определяется разностью

ΔU = U 2 − U 1 ,

где U 1 - внутренняя энергия начального состояния газа; U 2 - внутренняя энергия конечного состояния газа.

Изменение внутренней энергии газа связано с изменением кинетической энергии движения его молекул. Изменение кинетической энергии движения молекул вещества, в свою очередь, связано с изменением температуры. Следовательно, изменение внутренней энергии газа определяется изменением его температуры.

Изменение внутренней энергии идеального газа рассчитывается по формуле

Δ U = i 2 ν R (T 2 − T 1) = i 2 ν R Δ T ,

где i - число степеней свободы; ν - количество вещества; R - универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T 2 - абсолютная температура конечного состояния газа; T 1 - абсолютная температура начального состояния идеального газа; ∆T = T 2 − T 1 .

Изменение внутренней энергии для одно-, двух-, трех- и многоатомных газов определяется следующими формулами:

  • для одноатомного -

Δ U = 3 2 ν R Δ T ;

  • для двухатомного -

Δ U = 5 2 ν R Δ T ;

  • для трех- и многоатомного -

∆U = 3νR ∆T .

Изменение внутренней энергии газа ΔU при различных процессах также различно и показано в таблице (для одно-, двух-, трех- и многоатомных газов):

Внутренняя энергия газа не изменяется (U = const):

  • при изотермическом процессе, так как ΔT = 0;
  • при циклическом процессе, так как в конце процесса газ возвращается в состояние с исходными параметрами; циклическим (круговым, замкнутым) процессом, или циклом, называется процесс, при котором газ, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное.

Пример 1. В ходе некоторого процесса давление и объем постоянной массы идеального одноатомного газа изменяются таким образом, что pV 2 = const, где p - давление в паскалях; V - объем в кубических метрах. Во сколько раз уменьшается внутренняя энергия газа при увеличении его объема в 3 раза?

Решение . Внутренняя энергия идеального одноатомного газа определяется следующей формулой:

  • для начального состояния газа -

U 1 = 3 2 ν R T 1 ,

где ν - количество вещества (газа); R - универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T 1 - температура газа в начальном состоянии;

  • для конечного состояния газа -

U 2 = 3 2 ν R T 2 ,

где T 2 - температура газа в конечном состоянии.

Искомым является отношение

U 1 U 2 = 3 ν R T 1 2 ⋅ 2 3 ν R T 2 = T 1 T 2 .

Найдем отношение температур.

Для этого из уравнения Менделеева - Клапейрона

pV = νRT

выразим давление

p = ν R T V

и подставим полученное выражение в заданный в условии задачи закон:

ν R T V ⋅ V 2 = ν R T V = const , или TV = const.

Заданное в условии соотношение между давлением и объемом эквивалентно полученному соотношению между температурой и объемом.

Для двух состояний газа справедливо тождество

T 1 V 1 = T 2 V 2 ,

где V 1 - объем газа в начальном состоянии; V 2 - объем газа в конечном состоянии.

Отсюда следует, что отношение температур определяется выражением

T 1 T 2 = V 2 V 1 ,

а искомое отношение внутренних энергий газа равно

U 1 U 2 = V 2 V 1 = 3 .

Пример 2. Термоизолированный сосуд, содержащий некоторое количество водорода, движется со скоростью 250 м/с. Как изменится температура газа, если сосуд внезапно остановить? Молярная масса водорода равна 2,0 г/моль. Теплоемкостью сосуда пренебречь.

Решение . Энергия газа в сосуде определяется суммой:

  • для движущегося сосуда -

E 1 = U 1 + W k 1 ,

где U 1 - внутренняя энергия водорода (двухатомного газа) в движущемся сосуде (энергия теплового движения молекул водорода), U 1 = 5νRT 1 /2; ν - количество водорода, ν = m /M ; m - масса водорода; M - молярная масса водорода, M = 2,0 г/моль; T 1 - начальная температура водорода; R - универсальная газовая постоянная, R = = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); W k 1 - кинетическая энергия водорода, движущегося вместе с сосудом, W k 1 = mv 2 /2; v - скорость сосуда, v = 250 м/с;

  • для остановившегося сосуда -

E 2 = U 2 + W k 2 ,

где U 2 - внутренняя энергия водорода (двухатомного газа) в остановившемся сосуде, U 2 = 5νRT 2 /2; T 2 - конечная температура водорода; W k 2 - кинетическая энергия водорода, остановившегося вместе с сосудом, W k 2 = 0.

По условию задачи обмена энергией между газом в сосуде и окружающей средой не происходит, так как сосуд является термоизолированным; поэтому энергия газа сохраняется

E 1 = E 2 ,

или, в явном виде, -

U 1 + W k 1 = U 2 + W k 2 .

Подстановка в полученное равенство выражений для внутренней и кинетической энергий газа в сосуде дает

5 m R T 1 2 M + m v 2 2 = 5 m R T 2 2 M .

Искомая разность температур определяется формулой

Δ T = v 2 M 5 R .

Вычислим:

Δ T = (250) 2 ⋅ 2,0 ⋅ 10 − 3 5 ⋅ 8,31 = 3,0 К.

При внезапной остановке сосуда, движущегося с указанной скоростью, температура содержащегося в нем водорода повышается на 3,0 К.

Как известно, любое тело обладает свое собственной неповторимой структурой, которая определяется его химическим составом и строением. При этом, частицы, составляющие эту структуру, подвижны, они взаимодействуют между собой, а, следовательно, обладают неким количеством внутренней энергии. В твердых веществах связи частиц, которые составляют структуру тела, сильны, поэтому их взаимодействие с частицами, составляющими структуру других тел, затруднены.

Совсем по-другому это выглядит в жидкостях или газах, где молекулярные связи слабые, а потому молекулы могут достаточно свободно перемещаться и взаимодействовать с частицами других веществ. В этом, к примеру, проявляется свойство растворимости.

  • теплопроводность (прямой обмен энергией частицами, совершающими хаотическое движение);
  • конвекция (внутренняя энергия газа переносится их потоками);
  • излучение (энергия переносится при помощи электромагнитных волн).

Все эти процессы отражаются законом сохранения энергии. Если этот закон рассматривать применительно к происходящим в газах, то его можно сформулировать так: внутренняя энергия а точнее - ее изменение, представляет собой совокупное количество теплоты, которое было передано ему от внешних источников, и от работы, которая была совершена над этим газом.

Если рассмотреть действие данного закона (первого закона термодинамики) применительно к то можно увидеть следующие закономерности. В рамках процесса, температура которого остается неизменной (изотермический процесс), внутренняя энергия также будет всегда величиной постоянной.

В рамках изобарного процесса, которому характерно изменение температуры газа, ее увеличение или уменьшение, приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению внутренней энергии и совершаемой Это явление, например, наглядно демонстрирует расширение газа при нагревании и способность такого газа приводить в движение паровые агрегаты.

При рассмотрении изохорного процесса, при котором параметр его объема остается неизменным, внутренняя энергия газа изменяется только под влиянием количества переданной теплоты.

Существует и адиабатный процесс, которому свойственно отсутствие теплообмена газа с внешними источниками. В этом случае значение его внутренней энергии уменьшается, следовательно - газ остывает.

Основной характеристикой внутреннего состояния физической системы является ее внутренняя энергия .

Внутренняя энергия (U ) включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.п..) и энергию взаимодействия этих частиц, т.е. кинетическую, потенциальную и т.д., за исключением суммарной энергии покоя всех частиц.

Свойства внутренней энергии

1. В состоянии термодинамического равновесия частицы, входящие в состав макроскопических тел, движутся так, что их полная энергия все время с высокой точностью равна внутренней энергии тела.

2. Внутренняя энергия является функцией состояния физической системы.

3. Внутренняя энергия физической системы не зависит от пути перехода ее из одного состояния в другое, а определяется только значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях: D U = U 2 - U 1 .

4. Внутренняя энергия характеризуется свойством аддитивности, т.е. она равна суммарной внутренней энергии тел, входящих в систему.

Замечание: частицы газа, кроме поступательных степеней свободы, имеют еще и внутренние. Например, если частицами газа являются молекулы, то, кроме электронного движения, возможно вращение молекул, а также колебания атомов, входящих в состав молекул.

Поступательное движение частиц газа подчиняется классическим законам, а их внутренние движения носят квантовый характер. Лишь при определенных условиях внутренние степени свободы можно считать классическими.

Для расчета внутренней энергии идеального газа используют закон равнораспределения энергии по классическим степеням свободы. В случае идеального газа учитывается только кинетическая энергия поступательного движения частиц. Если частицами газа являются отдельные атомы, то каждый имеет три поступательные степени свободы.

Следовательно, каждый атом обладает средней кинетической энергией:

< e k > =3 kT /2.

Если газ состоит из N атомов, то его внутренняя энергия

Если же возбуждаются еще и колебательные степени свободы молекул, то вклад их во внутреннюю энергию

.

(1.27)

В формуле (1.27) учтено, что каждое колебательное движение молекул характеризуется средней кинетической и средней потенциальной энергиями, которые равны между собой. Поэтому согласно закону равнораспределения энергии по степеням свободы на одну колебательную степень свободы приходится в среднем энергия kT.

Таким образом, если молекула двухатомная, то полное число степеней свободы ее i =6. Три из них поступательные (i пост =3), две вращательные (i вр =2) и одна колебательная (i кол =1). При температурах, когда еще “заморожены” колебательные степени свободы, внутренняя энергия двухатомных молекул идеального газа .

Если же колебательные степени свободы “разморожены”, то внутренняя энергия двухатомных молекул идеального газа U = U пост + U вр + U кол =.

Таким образом, внутренняя энергия одноатомного идеального газа

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

(1.28)

где < e k > = .

Число молей газа n =N/ N a = m / M, то

Все окружающие нас макроскопические тела в своем составе имеют частицы: атомы или молекулы. Находясь в постоянном движении, они одновременно обладают двумя видами энергии: кинетической и потенциальной и формируют внутреннюю энергию тела:

U = ∑ Е k +∑ Е p

В это понятие входит также энергия взаимодействия друг с другом электронов, протонов, нейтронов.

Возможно ли изменение внутренней энергии

Существует 3 способа ее изменения:

  • благодаря процессу теплопередачи;
  • путем совершения механической работы;
  • с помощью проведения химических реакций.

Рассмотрим более подробно все варианты.

Если работу будет совершать само тело, то его внутренняя энергия станет уменьшаться, а когда работу совершают над телом, внутренняя его энергия будет увеличиваться.

Простейшими примерами увеличения энергии являются случаи добывания огня с помощью трения:

  • с применением трута;
  • с помощью огнива;
  • с использованием спичек.

Тепловые процессы, связанные с изменениями температуры, также сопровождаются изменениями внутренней энергии. Если нагревать тело, его энергия будет возрастать.

Результатом химических реакций является превращение веществ, которые отличны друг от друга строением и составом. Например, в процессе горения топлива после соединения водорода с кислородом образуется оксид углерода. При соединении соляной кислоты с цинком выделится водород, а в результате горения водорода выделится водяной пар.

Внутренняя энергия тела будет меняться и из-за перехода электронов с одной электронной оболочки на другую.

Энергия тел — зависимость и характеристики

Внутренняя энергия является характеристикой теплового состояния тела. Она зависит от:

  • агрегатного состояния, и меняется при кипении и испарении, кристаллизации или конденсации, плавлении или сублимации;
  • массы тела;
  • температуры тела, характеризующей кинетическую энергию частиц;
  • рода вещества.

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Эта энергия, в идеале, складывается из кинетических энергий каждой частицы, которая беспорядочно и непрерывно движется, и потенциальной энергии их взаимодействия в рамках конкретного тела. Происходит это благодаря изменению температуры, что подтверждают проведенные эксперименты Джоуля.

Для расчета внутренней энергии одноатомного газа пользуются уравнением:

Где в зависимости от изменения температуры будет меняться внутренняя энергия (возрастать с увеличением температуры, и уменьшаться с ее убыванием). Внутренняя энергия – это функция состояния.

Их взаимодействия.

Внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе. После открытия внутренней энергии был сформулирован закон сохранения и превращения энергии. Рассмотрим взаимное превращение механической и внутренней энергий. Пусть на свинцовой плите лежит свинцовый шар . Поднимем его вверх и отпустим. Когда мы подняли шар, то сообщили ему потен-циальную энергию. При падении шара она уменьшается, т. к. шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился. И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты стали равными нулю. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температу-ру , мы обнаружим, что они нагрелись.

Нагрев означает увеличение средней кинетической энергии молекул тела. При деформации из-меняется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, можно утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит превращение механической энергии, которой обладал в начале опыта шар, во внутреннюю энергию тела.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую.

Например, если взять толстостенный стеклянный сосуд и накачать в него воздух через отверстие в пробке, то спустя какое-то время пробка из сосуда вылетит. В этот момент в сосуде образуется туман. Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внут-ренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку (т. е. расширяясь), совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии сжатого воздуха.

Таким образом, одним из способов изменения внутренней энергии тела является работа, совершаемая молекулами тела (или другими телами) над данным телом. Способом изменения внут-ренней энергии без совершения работы является теплопередача .

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа.

Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, их потенциальная энергия считается равной нулю. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Для ее вычисления нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов . Учитывая, что k N A = R , получим значение внутренней энергии идеального газа :

.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре. Если воспользоваться уравнением Клапейрона-Менделеева , то выражение для внутренней энергии идеального газа можно представить в виде:

.

Следует отметить, что, согласно выражению для средней кинетической энергии одного атома и в силу хаотичности движения, на каждое из трех возможных направлений движения, или каждую степень свободы , по оси X , Y и Z приходится одинаковая энергия .

Число степеней свободы — это число возможных независимых направлений движения молекулы.

Газ, каждая молекула которого состоит из двух атомов, называется двухатомным. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому общее число возможных направлений дви-жения — 6. За счет связи между молекулами число степеней свободы уменьшается на одну, по-этому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти .

Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна . Соответственно внутрен-няя энергия идеального двухатомного газа равна:

.

Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить:

.

где i — число степеней свободы молекул газа (i = 3 для одноатомного и i = 5 для двухатомного газа).

Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от одного макроскопического параметра — температуры и не зависит от объема, т. к. потенциальная энергия равна нулю (объем определяет среднее расстояние между молекулами).

Для реальных газов потенциальная энергия не равна нулю. Поэтому внутренняя энергия в тер-модинамике в общем случае однозначно определяется параметрами, характеризующими состоя-ние этих тел: объемом (V) и температурой (T) .