Исследование теории и задач по теме «Тепловые явления»
жүктеу/скачать 1.41 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Абсолютная шкала температур
- Внутренняя энергия, теплота, работа
- 1.2.1 Внутренняя энергия
| Измерение температуры
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры. Абсолютная шкала температур. Согласно формуле кинетической энергии молекул равная нулю температура не соответствует 0°С. Из указанной формулы следует, что Т = 0 при Екин =0. А это происходит при гораздо более низкой температуре, чем температура замерзания воды. Поэтому, чтобы пользоваться формулой кинетической энергии молекул газа нужно «переопределить» нулевую точку. Новая шкала температур, 1° которой равен 1°С, называется абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина. Эксперимент показывает, что вода замерзает при Т = 273°К. Следовательно, нулевая точка по шкале Кельвина соответствует - 273°С. При этой температуре должно прекратиться всякое движение молекул. (Согласно квантовой теории еще сохраняется «нулевая энергия»). Эта нулевая температура получила наименование абсолютного нуля. Из такого определения температуры как меры молекулярного движения следует, что не могут существовать температуры ниже абсолютного нуля. Переходы из разных шкал
Сравнение температурных шкал
Внутренняя энергия, теплота, работа Изучение энергетических превращении в молекулярных системах составляет содержание термодинамики. Для решения задач на термодинамику необходимо знать определения внутреннией энергии, количество теплоты, теплоемкости и ряда других величин. Необходимо также понимать и уметь использовать в простейших случаях первый закон термодинамики как балансовое соотношение, описывающие процессы превращения энергии из одних форм в другие. Также нужно знать основные свойства процессов перехода вещества из одних агрегатных состояний в другие. Рассмотрим эти вопросы. 1.2.1 Внутренняя энергия Энергия является фундаментальной величиной, которая характеризует каждую физическую систему в определенных ее состояниях. Энергия – очень гибкое понятие. Можно говорить о кинетической энергии макроскопического тела или одной молекулы, можно говорить о потенциальной энергии тела, можно говорить об энергии сжатой пружины и т.д. Всякий раз существенным при этом является понятие состояния. В механике это может быть состояние свободного движения тела с данной скоростью или состояние нахождения тела в данном месте потенциального поля. Под состоянием может пониматься определенный тип движения тела или системы тел. Например состояние колебаний маятника. В термодинамике естественно возникает понятие об энергии системы или тела в данном термодинамическом состоянии. В последнем, важном для нас случае, из рассмотрения обычно исключается поступательное и вращательное движение системы как целого. Это обстоятельство отражено в термине внутренняя энергия, который используется в термодинамике вместо термина энергия. Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия U — энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Из этого определения следует, что к внутренней энергии не относятся кинетическая энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы во внешних полях. Внутренняя энергия — однозначная функция термодинамического состояния системы, т. е. в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией (она не зависит от того, как система пришла в данное состояние). Это означает, что при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода. Общим для всех определений энергии можно считать то, что ее изменение при изменении состояния физической системы равно работе, которую необходимо совершить, чтобы осуществить данное изменение состояния. В простых случаях, когда речь идет о кинетической или потенциальной энергии тела, мы имеем дело с хорошо определенной в механике работой силы, и данное утверждение очевидно. Сложнее обстоит дело в термодинамике. Состояние термодинамической системы может быть изменено совершением над ней работы (часто говорят – механической работы), понимаемой как работа действующих на систему сил. Такая работа совершается при изменении объема системы и равна взятой со знаком минус работе A, совершаемой системой при изменении ее объема, если система в процессе изменения состояния находится в механическом равновесии. Известно также, что если система находится в тепловом контакте с термостатом, то изменение состояния может быть осуществлено за счет теплообмена с термостатом, или при изменении состояния может происходить теплообмен с термостатом. При теплообмене система отдает термостату или получает от него некоторое количество теплоты. Не следует думать, что это количество теплоты будет запасено в системе или отдано ею в виде так называемой тепловой энергии. Передача теплоты – это один из способов изменения внутренней энергии системы. Непосредственно из определения внутренней энергии как части полной энергии вытекает, что внутренняя энергия есть индифферентный скаляр, то есть во внутреннюю энергию не входит кинетическая энергия системы как единого целого и кинетическая энергия среды внутри системы (энергия смещения элементарных областей при деформации твёрдых тел и энергия потоков жидкостей и газов в среде); внутренняя энергия есть величина аддитивная, то есть внутренняя энергия системы равна сумме внутренних энергий её подсистем; внутренняя энергия задаётся с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта и не сказывающегося на экспериментальных замерах изменения внутренней энергии. Термодинамика вопрос о природе внутренней энергии не рассматривает и энергетические превращения (подчас весьма сложные), происходящие внутри системы на микроуровне, не детализирует. В статистической физике во внутреннюю энергию системы включают энергию разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц: энергию поступательного, вращательного и колебательного движений атомов и молекул, энергию внутри- и межмолекулярного взаимодействия, энергию электронных оболочек атомов и др. Во внутреннюю энергию не включают те составные части полной энергии, которые не меняются при изменении макроскопического состояния системы. Так, при обычных температурах в состав внутренней энергии не включают энергию атомных ядер, ибо она в этих условиях не меняется. Но если речь идёт о температурах, при которых начинается термический распад атомных ядер, то эту энергию необходимо учитывать. Энергию системы в поле внешних сил в состав её внутренней энергии не включают при условии, что термодинамическое состояние системы при перемещении в поле этих сил не изменяется. При изменении состояния системы под действием внешних полей во внутреннюю энергию системы включают потенциальную энергию системы в этих полях (гравитационном, электромагнитном). Влияние поля тяготения на внутреннюю энергию термодинамической системы учитывают тогда, когда высота рассматриваемого столба газа (жидкости) значительна, например, при анализе состояния атмосферы. Так как поверхность тела растет пропорционально квадрату размеров этого тела, а объём — пропорционально кубу этих размеров, то для больших тел поверхностными эффектами по сравнению с объёмными можно пренебречь. Однако для дисперсных систем с развитыми поверхностями раздела между жидкими, твердыми и газообразными фазами пренебрежение поверхностными эффектами недопустимо, более того, они определяют многие своеобразные свойства таких систем и для них энергию поверхностных слоёв на границах раздела фаз (поверхностную энергию) учитывают как часть внутренней энергии. При решении задач, требующих учёта кинетической энергии (физика сплошных сред, техническая и релятивистская термодинамика), оперируют полной энергией, совместно рассматривая законы сохранения массы, энергии, заряда, законы механики и законы термодинамики. В термодинамику внутреннюю энергию ввёл Р. Клаузиус (1850), не озаботившийся присвоением специального наименования «функции U{\displaystyle U}», использованной учёным в математической формулировке первого начала (закона) термодинамики; впоследствии Клаузиус называл функцию {\displaystyle U} просто «энергией». У. Томсон (лорд Кельвин) (1851) в статье «О динамической теории теплоты» дал этой новой физической величине принятую доныне трактовку и название «механическая энергия». Термин «внутренняя энергия (internal energy)» принадлежит У. Ренкину. жүктеу/скачать 1.41 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|