Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії

1.

2.

Теорія справляє тим більше
враження, чим простіші її
передумови і обширніша область
застосування. Термодинаміка –
єдина фізична теорія
універсального змісту, яка в
межах прийнятих нею основних
понять ніколи не буде
спростована
Альберт Ейнштейн

3.

Молекулярна фізика та термодинаміка
Молекулярна фізика і термодинаміка –
розділи фізики, в яких вивчаються макроскопічні
процеси в тілах, що зв’язані з великою кількістю
атомів і молекул, з яких складаються тіла.

4.

Термодинаміка
Термодинаміка – це розділ фізики, що вивчає
теплові явища без урахування будови тіла.
Термодинаміка – розділ фізики, що вивчає
загальні властивості макроскопічних систем, що
знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і
процеси переходу між цими станами.
Термодинаміка – це галузь науки, що вивчає
взаємні перетворення різних видів енергії,
пов’язані з переходом енергії у формі теплоти й
роботи.

5.

Термодинаміка
Термодинаміка вивчає:
Термодинамічні системи, термодинамічні параметри;
Внутрішню енергію;
Теплоту;
Роботу;
Закони термодинаміки;
Використання законів термодинаміки.

6.

Термодинамічна система
Об'єктом термодинамічного дослідження є
термодинамічна система.
Системою називають сукупність об'єктів відділених з
навколишнього світу реально існуючими або
уявлюваними поверхнями.
Системою може бути газ у посудині, розчин реагентів у
колбі, кристал речовини або навіть виділена частина цих
об'єктів.
Термодинамічна система – сукупність макроскопічних
тіл, які взаємодіють і обмінюються енергією як між собою,
так і з іншими тілами.

7.

Історія термодинаміки
Термодинаміка виникла в зв'язку з практичними
потребами людства. Наприкінці XVIII століття в Англії
розпочалася промислова революція, одним із
чинників якої був винахід парового двигуна. Завдяки
цьому винаходу людство навчилося перетворювати
тепло у механічну роботу. Виникла необхідність
розуміння та кількісного опису процесів, які при
цьому відбуваються.

8.

Історія термодинаміки

9.

Внутрішня енергія
• Внутрішня енергія тіла U – 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.
• Одиницею вимірювання внутрішньої енергії в
СІ є 1 Дж.
U Дж
U N E k N En

10.

Внутрішня енергія
У ідеальному газі частинки не взаємодіють між
собою, внаслідок цього їх потенціальна енергія
дорівнює нулю.
U N Ek
N NA
m
3
Ek kT
2
NA k R
3m
U
RT
2
3
U RT
2
3
U pV
2

11.

Внутрішня енергія
Одноатомний газ
3m
U
RT
2
3
Коефіцієнт
використовують тільки для
2
одноатомного газу.
Приклади: неон, аргон, гелій

12.

Внутрішня енергія
Двохатомний газ
5
Коефіцієнт
використовують тільки для
2
одноатомного газу.
Приклади: водень, кисень, азот

13.

Засоби зміни внутрішньої енергії
Теплообмін
(теплопередача)
Виконання роботи
теплопровідність
деформація
конвекція
Непружний удар
випромінювання
тертя

14.

Теплообмін
Теплопровідність – Конвекція – вид
вид теплопередачі, теплопередачі, за
який зумовлений
якого тепло
хаотичним рухом
переноситься
частинок речовини та потоками рідини
не супроводжується
або газу
перенесенням цієї
речовини
Випромінювання
– вид
теплопередачі, за
якого енергія
передається за
допомогою
електромагнітних
хвиль

15.

Кількість теплоти
Кількість теплоти – це енергія, яку отримує
або віддає тіло в процесі теплопередачі.
Q Дж
Величина енергії, яка дорівнює зміні
внутрішньої енергії при теплопередачі.
U=Q

16.

Кількість теплоти
споживається
нагрівання
виділяється
охолодження
Q сm t 2 t1
Q сm t 2 t1
t 2 t1 t 0
t 2 t1 t 0
с – питома теплоємність речовини – величина яка
дорівнює енергії, необхідної для нагрівання тіла масою 1 кг
на 1 К.
Дж
с
кг К

17.

Кількість теплоти
споживається
виділяється
плавлення
кристалізація
Q m
Q m
- питома теплота плавлення речовини – величина,
яка дорівнюя енергії, необхідної для того, щоб тіло масою
1 кг, взятоє при температурі плавлення повністю
розплавилося.
Дж
кг

18.

Кількість теплоти
споживається
виділяється
пароутворення
конденсація
Q rm
Q rm
r - питома теплота пароутворення речовини – величина,
яка дорівнює енергії, необхідної для того, щоб рідина
масою 1 кг, взятая при температурі кипіння повністю
перейшла у газоподібний стан.
Дж
r
кг

19.

Кількість теплоти
виділяється
згоряння палива
Q qm
q – питома теплота згоряння палива – величина, яка
дорівнює енергії, яка виділяється при згорянні даного вида
палива масою 1 кг.
Дж
q
кг

20.

Кількість теплоти
питома теплоємність речовини:
Дж
c 1
кг К
питома теплота плавлення речовини:
Дж
1
кг
Дж
питома теплота пароутворення речовини: r 1
кг
питома теплота згоряння палива:
Дж
q 1
кг

21.

22.

Зміна внутрішньої енергії
Механічна робота (подолання
тертя, деформація, дроблення
тіл, тощо)
Т
Е
П
Л
О
П
Е
Р
Е
Д
А
Ч
А
Нагрівання
AU FsQ cos
qm
rm
m(T T )
cm
охолодження тіл
2
1
A Fs cos
і
U Q cm(T2 T1 )
Плавлення і твердіння
речовин
U Q m
Пароутворення
конденсація
U Q rm
Згоряння палива
і
U Q qm

23.

Рівняння теплового балансу
Теплообмін у замкненій системі описується
рівнянням теплового балансу.
Qодержане = Qвіддане

24.

25.

Запитання
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Наведіть приклади передачі енергії способом
теплопровідності.
Які тіла мають найбільшу теплопровідність? Чому?
Наведіть приклади передачі енергії способом
конвекції.
Як утворюються конвекційні струмені? Як вони завжди
напрямлені?
Наведіть приклади передачі енергії способом
променевого випромінювання.
Які тіла – темні чи світлі – краще випромінюють тепло?
Які краще поглинають?

26.

Розв’язування якісних задач
1. Як зміниться внутрішня енергія цеглини, якщо її
занурити в гарячу воду? Підняти з першого поверху
на третій?
2. Якщо налити окріп в металеву кружку, то вона досить
швидко стане гарячою. У який спосіб тепло від
окропу переходить до стінок кружки?
3. Для чого труби теплових мереж обмотують
мінеральною ватою?
4. В електрочайнику спіраль вмонтовано в дні. Чому не
на бічній стінці або під кришкою?
5. У якому випадку вода у відрі швидше охолоне: якщо
кинути в нього шматок льоду або поставити відро на
лід?

27.

Розв’язування якісних задач
6. Чому радіатори центрального опалення доцільно
розташувати під вікнами, а не над ними?
7. Сонце – це зоря, що дає землянам тепло для життя. Як
Сонце передає тепло на Землю?
8. Чому для правильного вимірювання температури
повітря, особливо влітку, термометр треба розташувати
в тіні?
9. Навіть у морозну погоду сніг може танути під
сонячними променями. Який сніг танутиме швидше:
чистий (за містом) чи забруднений (у місті)? Чому?
10. Які види теплообміну зведені до мінімуму в сучасних
віконних системах?

28.

Розв’язування задач
Задача 1. Яка внутрішня енергія 5 моль кисню при 10 0С?
Дано:
“СІ”
= 5 моль
t = 10 0C
283 K
R = 8,31 Дж/моль· К
U-?
Кисень О2 – двоатомний газ
5 m
U
RT ,
2
m
5
U RT .
2
5
Дж
U 5 моль 8,31
283К
2
моль К
1038,75 Дж 1,04кДж.
Відповідь: U = 1,04 кДж

29.

Розв’язування задач
Задача 2. Яка внутрішня енергія гелію, що заповнює
аеростат об'ємом 50 м3 при тиску 80 кПа?
Дано:
“СІ”
V = 50 м3
р = 80 кПа
8∙104 Па
U-?
3 m
U
RT
2M
m
pV
RT
M
3
U pV .
2
- рівняння
Клапейрона-Менделєєва
3 8 10 Па 50м
U
6 106 Дж 6МДж.
2
4
3
Відповідь: U = 6МДж

30.

Розв’язування задач
3.
У скляний стакан масою 0,12 кг при температурі
150С налито 0,2 кг води при температурі 100 0С. При
якій температурі встановиться теплова рівновага?
4.
Мідне тіло, нагріте до 100 0С, внесено у воду, маса
якої дорівнює масі мідного тіла. Теплова рівновага
при температурі 30 0С. Визначити початкову
температуру води.

31.

Розв’язування задач
5.
Срібну ложку масою 50 г занурили в посудину з 250
г води при температурі 90 0С. Визначити питому
теплоємність срібла, якщо початкова температура
ложки 30 0С, теплова рівновага 89,3 0С,
теплоємність посудини 130 Дж /К.
6.
Для ванної необхідно приготувати 320 л води при
температурі 36 0С. З гарячого крану змішувача йде
вода при температурі 80 0С, а з холодного – при
температурі 8 0С. Скільки треба взяти гарячої та
холодної води, для того, щоб приготувати ванну.

32.

Розв’язування задач
7.
Визначити кількість свинцю, взятого при 0 0С,
можна розплавити за рахунок теплоти, отриманої
при згорянні 1 кг нафти, якщо ККД нагрівника 80 %.
8.
У воду масою 1,5 кг поклали лід, температура якого
00С. Початкова температура води 300С. Скільки
треба взяти льоду, для того щоб він розтанув?
9.
У яму, зроблену у льоду, вливають свинець. Скільки
було влито свинцю, якщо він остинув до
температури 00С та при цьому розтанув лід масою
270 г? Початкова температура льоду 0 0С, свинцю
4000С.