Внутренняя энергия идеального газа. Термодинамическая работа. Количество теплоты, теплоемкость.

Тема урока:
Внутренняя энергия идеального газа. Термодинамическая работа. Количество теплоты, теплоемкость.

Павлодарский высший колледж управления

Преподаватель физики: Белозерова М.Ю.

Сабақтың мақсаты / Цели урока

применять формулы внутренней энергии одноатомного и двухатомного идеального газа при решении задач;
применять формулы работы при решении задач;
применять формулы количества теплоты и удельной теплоемкости при решении задач.

Макротела, наряду с механической энергией обладают еще энергией, заключенной внутри них самих. Это внутренняя энергия. Она входит в баланс всех энергетических превращений. При нагревании тел без совершения механической работы, их внутренняя энергия увеличивается.
Безусловно, имеет место и обратный процесс перехода внутренней энергии в механическую.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом.

Внутренняя энергия (U) – равна сумме кинетической энергии беспорядочного движения всех молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой:
𝑼𝑼= 𝑬 к 𝑬 к 𝑬𝑬 𝑬 к к 𝑬 к 𝑬 к + 𝑬 п 𝑬 п 𝑬𝑬 𝑬 п п 𝑬 п 𝑬 п
𝑼𝑼= 𝒊 𝟐 𝒊𝒊 𝒊 𝟐 𝟐𝟐 𝒊 𝟐 𝒎 𝑴 𝒎𝒎 𝒎 𝑴 𝑴𝑴 𝒎 𝑴 𝑹𝑹𝑻𝑻
где: i - степень свободы
i1=3
i2=5
i3 и более=6

кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
потенциальная энергия взаимодействия молекул и атомов;
энергия электронных оболочек атомов;
внутриядерная энергия.

По макроскопическим параметрам: p, V, T.

R = k⋅Na = 8,31 Дж/(моль⋅К)
- универсальная газовая постоянная

внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямопропорциональна абсолютной температуре

зависит от: Т, m, M
не зависит от: V и р

Идеальный газ => Еп = 0 => U=Eк

𝑈𝑈= 3 2 3 3 2 2 3 2 𝑚 𝑀 𝑚𝑚 𝑚 𝑀 𝑀𝑀 𝑚 𝑀 𝑅𝑅𝑇𝑇

зависит от: Т и V

Идеальный газ => Еп = 0 => U=Eк

В термодинамике рассматривается только перемещение малых частей подвижной среды друг относительно друга. В результате меняется объем тела, его внутренняя энергия. Скорость тела в целом остается равной нулю. Работа определяется так же, как и в классической механике, но равна она уже не изменению кинетической энергии тела как такового, а изменению его внутренней энергии.

Например, при сжатии газов, увеличивается кинетическая энергия молекул, так как поршень передает им часть своей механической энергии. Газ нагревается.
Наоборот, если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем, скорость молекул уменьшается и газ охлаждается.

Работа, произведенная при изменении объема подвижной среды, равна:
A’ = p·(V2 - V1) = p·ΔV

При расширении (V2>V1) газ совершает положительную работу: A’ > 0.
При сжатии V2
В общем случае давление газа является функцией от объема, однако, работа газа по-прежнему численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости p от V и отрезками V1 и V2, равными давлениям p1 и p2 в начальном и конечном состояниях

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.
Существует три вида теплообмена - теплопроводность, излучение (лучистый теплообмен) и конвекция.

В общем случае, при переходе системы из одного состояния U1 в другое U2 внутренняя энергия может изменяться как за счет совершения работы, так и за счет подвода тепла извне системы.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q.

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.
Удельная теплоёмкость обозначается буквой С. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.
Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.
Поскольку количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Прочесть «Физика 10 класс. 1 часть» Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019, с. 191-205.
Решить задачи из раздела «Решайте» на с. 196 №1, с. 201 № 1.

1. Учебник "Физика 10 класс. 1 часть" Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019 - https://cloud.mail.ru/public/4rxP/52U9MwvYz.