Внутренняя энергия тела

Любое макроскопическое тело имеет энер­гию, обусловленную его микросостоянием. Эта энергия называется внутренней (обо­значается U). Она равняется энергии дви­жения и взаимодействия микрочастиц, из которых состоит тело. Так, внутренняя энер­гия идеального газа состоит из кинетической энергии всех его молекул, поскольку их вза­имодействием в данном случае можно пре­небречь. Поэтому его внутренняя энергия за­висит лишь от температуры газа (U ~ T).

Модель идеального газа пре­дусматривает, что молекулы на­ходятся на расстоянии несколь­ких диаметров друг от друга. Поэтому энергия их взаимо­действия намного меньше энер­гии движения и ее можно не учитывать.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел взаимодействием микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т. п.) пренебречь нельзя, поскольку оно существенно влияет на их свойства. Поэтому их внутренняя энергия состоит из кинетической энергии теплового движения микрочастиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Их внутренняя энергия, кроме температуры T, будет за­висеть также от объема V, поскольку изме­нение объема влияет на расстояние между атомами и молекулами, а, следовательно, и на потенциальную энергию их взаимодей­ствия между собой.

Внутренняя энергия — это функция состояния тела, которая опреде­ляется его температурой T и объемом V.

Внутренняя энергия однознач­но определяется температурой T и объемом тела V, характе­ризующими его состояние: U = U(T, V)

Чтобы изменить внутреннюю энергию те­ла, нужно фактически изменить или кинетическую энергию теплового движения мик­рочастиц, или потенциальную энергию их взаимодействия (или и ту и другую вместе). Как известно, это можно сделать двумя способами — путем теплообмена или вслед­ствие выполнения работы. В первом случае это происходит за счет передачи опреде­ленного количества теплоты Q; во втором — вследствие выполнения работы A.

Таким образом, количество теплоты и выполненная работа являются мерой изме­нения внутренней энергии тела:

ΔU = Q + A.

Изменение внутренней энер­гии происходит за счет отдан­ного или полученного телом не­которого количества теплоты или вследствие выполнения ра­боты.

Если имеет место лишь теплообмен, то изменение внутренней энергии происходит путем получения или отдачи определенного количества теплоты: ΔU = Q. При нагрева­нии или охлаждении тела оно равно:

ΔU = Q = cm(T₂ — Т₁) = cmΔT.

При плавлении или кристаллизации твер­дых тел внутренняя энергия изменяется за счет изменения потенциальной энергии вза­имодействия микрочастиц, ведь происходят структурные изменения строения вещества. В данном случае изменение внутренней энер­гии равняется теплоте плавления (кристал­лизации) тела: ΔU — Q_пл = λm, где λ — удель­ная теплота плавления (кристаллизации) твер­дого тела.

Испарение жидкостей или конденсация пара также вызывает изменение внутренней энергии, которая равна теплоте парообра­зования: ΔU = Q_п = rm, где r — удельная теп­лота парообразования (конденсации) жидко­сти.

Изменение внутренней энергии тела вслед­ствие выполнения механической работы (без теплообмена) численно равно значению этой работы: ΔU = A.

Если изменение внутренней энергии происходит вследст­вие теплообмена, то ΔU = Q = cm(T₂ — T₁), или ΔU = Q_пл = λm, или ΔU = Q_п = rm.

Следовательно, с точки зрения моле­кулярной физики: Материал с сайта http://worldof.school

Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии теп­лового движения атомов, молекул или других частиц, из которых оно состоит, и потен­циальной энергии взаимодействия между ни­ми; с термодинамической точки зрения она является функцией состояния тела (системы тел), которая однозначно определяется его макропараметрами — температурой T и объе­мом V.

Таким образом, внутренняя энергия — это энергия системы, которая зависит от ее внутреннего состояния. Она состоит из энергии теплового движения всех микро­частиц системы (молекул, атомов, ионов, электронов и т. п.) и энергии их взаи­модействия. Полное значение внутренней энергии определить практически невоз­можно, поэтому вычисляют изменение внут­ренней энергии ΔU, которое происходит вследствие теплопередачи и выполнения ра­боты.

Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии теплового движения и потен­циальной энергии взаимодей­ствия составляющих его мик­рочастиц.

На этой странице материал по темам:

• Тело имеет энергию

• Каким образом выполненная механическая работа влияет на внутреннюю энергию тела

• Как получить внутреннюю энергию из выполненной работы и теплоты

• Внутренняя энергия твёрдого тела

• Как обозначается измерение внутрений энергии

Вопросы по этому материалу:

• От каких макропараметров системы зависит внутренняя энер­гия идеального газа?

• Какие макропараметры вообще определяют внутреннюю энер­гию тела?

• Чему равно изменение внутренней энергии, если происходит лишь теплообмен?

• Каким образом выполненная механическая работа влияет на внутреннюю энергию тела?

• Какое толкование дают внутренней энергии молекулярно-ки­нетическая теория и термодинамика?