Внутренняя энергия в термодинамике

1. Термодинамическая система и формулировка энергии
2. Внутренняя энергия системы
3. Первое начало термодинамики
4. Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов

Одним из самых важных физических значений, отвечающих за свойства состояния равновесия системы в термодинамике, является внутренняя энергия.

Термодинамическая система и формулировка энергии

Внутренняя энергия обозначается литерой U, и вычисляется по формуле:

\(U = K_{пост} + K_{вращ} + K_{кол} + П_{кол} + П_{вз} + П_{в/м}, \)

где     \(K_{пост} \) – кинетическая энергия поступательного перемещения молекул.
\(K_{вращ} \) – кинетическая энергия вращательного движения молекул.
\(K_{кол}\) – кинетическая энергия колебательного движения молекул и атомов в молекулах.
\(П_{кол} \) – потенциальная энергия колебательного движения молекул и атомов в молекулах.
\(П_{вз} \) – потенциальная энергия взаимодействия между молекулами.
\(П_{в/м}, \) – внутримолекулярная энергия.
Стоит отметить, что кинетическая энергия системы как целого и ее потенциальная энергия во внешнем поле во внутреннюю энергию не входят.

Системы различаются по тому, как они зависят от изолированности, и делятся они на следующие виды:

• Замкнутые системы. Их ещё называют изолированные. Данные системы не осуществляют взаимодействие с окружающей средой.
• Закрытые системы. Эти системы не осуществляют обменные процессы с окружающей средой веществом, в частности элементарными частицами (молекулами, атомами, фотонами и прочее). Однако, в то же время взаимно осуществляют обмен с окружением с помощью явления механической работы, излучения, а также теплообмена.
• Открытые системы. Данная разновидность систем осуществляет обмен с окружением механической работой, веществом, излучением и теплом.

В переводе с греческого языка, энергия означает действие. Энергия является всеобщим численным измерением перемещения и взаимного действия каждого вида материи. Энергия не обладает возможность пропадать и появляться из неоткуда. В замкнутой системе энергия обладает способность переходить из одного вида в иной, но в числовом соответствии энергия сберегает собственную стабильность. Если система не изолирована, то энергия обладает способностью к преобразованиям, но при одновременном преобразовании окружающей среды на подобное значение либо благодаря энергии взаимного воздействия с окружением.

При переходном явлении системы из одного положения в иное, уровень преобразований энергии не находится в зависимости от того, каковым образом осуществлялся этот переходный процесс, и какие преобразования были сделаны. Говоря иначе, энергия не считается функцией процесса, она представляется как функцией состояния. Энергия является свойственной характеристикой в том смысле слова, что полностью все системы имеют в наличии некоторый резерв энергетического потенциала.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип задания Выберите тип заданияКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Внутренняя энергия системы

Внутренняя энергия (U) характеризует всеобщий резерв энергии системы, включая все разновидности энергий перемещения и взаимного действия элементов, которые составляют систему. Произвести измерения внутренней энергии практически нет возможности, так как нет возможности отобрать у материи движение. Есть исключительно возможность оценки преобразования внутренней энергии \((∆U): ∆U = U_{кон} – U_{нач}.\) Внутренняя энергия является экстенсивной величиной, и измеряется в Дж/моль.

В природе подчеркивается три разновидности энергии:

• Кинетическая энергия перемещения.
• Потенциальная энергия состояния и взаимного действия.
• Внутренняя энергия положения.

Внутренняя энергия состоит из следующих компонентов:

• Энергия перемещения молекул – поступательно, колебательно и вращательно.
• Энергия взаимного воздействия – между молекулами, внутри молекул, внутри ядер, внутри атомов.
• Гравитационная энергия, а также энергия излучения и тому подобное.

Внутренняя энергия является суммой различных энергий системы за исключением кинетической, а также потенциальной энергии ее состояния в пространстве. Полное значение внутренней энергии объекта является невыясненным, но более важным является знание преобразования внутренней энергии в ходе перемещения системы из одного положения в иное.

Внутренняя энергия сохраняется вне зависимости от пути процесса, пройдя который система достигла в данное состояние, равнозначно устанавливается только самим состоянием. Так как, внутренняя энергия системы находится в зависимости от массы, то она является экстенсивным значением (объем, число и масса вещества). При этом интенсивными значениями возможно рассматривать: давление, температурные показатели, а также все удельные свойства.

Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия термодинамической системы обладает возможностью изменения благодаря работе, совершаемой над ней наружными объектами, либо сама система выполняет работу над данными объектами. Например, прикладывая внешнее усилие, возможно произвести сжатие газообразного вещества, и это вызовет в итоге увеличение температурных показателей, и, таким образом, обусловит возрастание внутренней энергии. В том числе существует способность изменения внутренней энергии благодаря предоставлению системе либо отбиранию у нее определенного количества тепла.

Исследователи подчеркивают и выделяют то, что в противовес внутренней энергии (энергии состояния), работа и количество тепла находятся в зависимости не исключительно от изначального и окончательного положения системы, но и от методик и подходом, с помощью которых осуществлялись преобразования ее состояния.

Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов

На фоне исследований тепловых процессов (вместе с механической энергией объектов) в физике применяется такая разновидность энергии, как внутренняя энергия идеального газа. Вычисления данной величины не особенно трудны. Самым простым по собственным характеристикам является одноатомный газ. Он состоит не из молекул, а из определенных атомов.

К данным газам возможно отнести следующие инертные газообразные вещества: гелий, ксенон, неон, радон, аргон, криптон и оганесон. При довольно больших температурных показателях все химические элементы в газообразном состоянии считаются одноатомными.

В том числе, возможно получить одноатомный (атомарный) водород, кислород и другие газы. Однако данные газообразные вещества не будут обладать устойчивостью, так как, когда атомы сталкиваются, то возникают молекулы H2, O2. Молекулы идеального газа не станут взаимно воздействовать меж собой. Исключением будет, когда они станут сталкиваться непосредственным образом.

Это является объяснением несущественности их усредненной потенциальной энергии, а также поясняет ситуацию, когда вся энергия считается кинетической энергией беспорядочного передвижения молекул. В данной ситуации будет объективным высказывание о находящемся в покое газообразном веществе в емкости, так как данный газ, как цельное, не перемещается, и урегулированного перемещения нет, а механическая энергия газообразного вещества равняется нулевому значению.

Идеальный газ имеет энергию, которая именуется внутренней. Данная энергия считается прямо пропорциональной его полным температурным показателям, а также, находится вне зависимости от объема газообразного вещества. Внутренняя энергия газообразного вещества является усредненной кинетической энергией всех атомов данного газа. Внутренняя энергия одноатомного газообразного вещества, по сути, является усредненную кинетическую энергию направленного молекулярного перемещения молекул.

Не нашли то, что искали?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип работы Выберите тип работыКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Сравнительно с атомами, молекулы, лишенные сферической симметрии, приспособлены к вращательному движению. Поэтому, в совокупности с кинетической энергией от направленного перемещения, молекулам, в том числе, характерна кинетическая энергия вращения. В традиционной молекулярной кинетической теории исследование молекул и атомов производится в роли довольно небольших и полностью твердых объектов.

Все объекты в пределах традиционной механики будет квалифицироваться определённым количеством степеней свободы (количеством автономных переменных), определенно устанавливая пространственное положение объектов. Атом обладает способностью осуществления перемещения только поступательно, в соответствии с тремя направлениями, которые независимы и перпендикулярны друг к другу.

Двухатомная молекула содержит осевую симметрию, а также владеет 5-ю степенями свободы, 3 из которых отвечают ее поступательному перемещению. А две степени свободы отвечают вращательному движению вокруг двух осей, которые перпендикулярны друг другу, а также оси симметрии, связывающей центры атомов в молекуле.
Многоатомная молекула, аналогично твердому объекту случайного вида, квалифицируется 6-ю степенями свободы. Данная молекула вместе с поступательным перемещение, обладает способность осуществлять вращательные перемещения вокруг 3-х осей, которые взаимно перпендикулярны.

Внутренняя энергия газообразного вещества находится в зависимости от количества степеней свободы молекул. Последствием абсолютной хаотичности теплового перемещения считается тот пример, что ни один из типов перемещения молекулы не имеет достоинств перед иными перемещениями.

На все, соответственные поступательному (вращательному) перемещению молекул, степени свободы представляется однозначная усредненная кинетическая энергия. В этом содержится теорема размеренного разделения кинетической энергии в соответствии со степенями свободы, которая доказывается в статистической механике.