Зависимость внутренней энергии от объема. Формула внутренней энергии

Формула внутренней энергии

Внутренняя энергия зависит от массы, температуры тела, рода вещества и от того, в каком агрегатном состоянии находится тело – твердом, жидком или газообразном.

Внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения его атомов или молекул. Существует формула для внутренней энергии одного моля идеального газа, молекулы которого совершают только поступательное движение:

где – масса газа (г), — количество вещества (моль), – молярная масса (г/моль), – универсальная газовая постоянная ( Дж/(моль × K)), – абсолютная температура газа (К).

Условное обозначение — или

Единица измерения энергии — Дж (джоуль).

Внутреннюю энергию нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии, то есть разность внутренней энергии в различных состояниях.

Формула внутренней энергии

Определение и формула внутренней энергии

Внутренней энергией тела (системы) называют энергию, которая связана со всеми видами движения и взаимодействия частиц, составляющих тело (систему), включая энергию взаимодействия и движения сложных частиц.

Из выше сказанного следует, что к внутренней энергии не относят кинетическую энергию движения центра масс системы и потенциальную энергию системы, вызванную действием внешних сил. Это энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы.

Внутреннюю энергию чаще всего обозначают буквой U. При этом бесконечно малое ее изменение станет обозначаться dU. Считается, что dU является положительной величиной, если внутренняя энергия системы растет, соответственно, внутренняя энергия отрицательна, если внутренняя энергия уменьшается.

Внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого отдельного тела плюс энергия взаимодействия между телами внутри системы.

Внутренняя энергия – функция состояния системы. Это означает, что изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от способа перехода (вида термодинамического процесса при переходе) системы и равно разности внутренних энергий конечного и начального состояний:

Для кругового процесса полное изменение внутренней энергии системы равно нулю:

Для системы, на которую не действуют внешние силы и находящуюся в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия – полная энергия системы.

Внутренняя энергия может быть определена только с точностью до некоторого постоянного слагаемого (U), которое не определимо методами термодинамики. Однако, данный факт не существенен, так как при использовании термодинамического анализа, имеют дело с изменениями внутренней энергии, а не абсолютными ее величинами. Часто U_0 полагают равным нулю. При этом в качестве внутренней энергии рассматривают ее составляющие, которые изменяются в предлагаемых обстоятельствах.

Внутреннюю энергию считают ограниченной и ее граница (нижняя) соответствует T=0K.

Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его абсолютной температуры (T) и пропорциональна массе:

где C_V – теплоемкость газа в изохорном процессе; c_V – удельная теплоемкость газа в изохорном процессе; – внутренняя энергия, приходящаяся на единицу массы газа при абсолютном нуле температур. Или:

i – число степеней свободы молекулы идеального газа, v – число молей газа, R=8,31 Дж/(моль•К) – универсальная газовая постоянная.

Первое начало термодинамики

Как известно первое начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из формулировок, которую предложил К. Каратеодори говорит о существовании внутренней энергии как составляющей полной энергии системы.Она является функцией состояния, в простых системах зависящей от объема (V), давления (p), масс веществ (m_i), которые составляют данную систему: . В формулировке, которую дал Каратеодори внутренняя энергия не является характеристической функцией своих независимых переменных.

В более привычных формулировках первого начала термодинамики, например, формулировке Гельмгольца внутренняя энергия системы вводится как физическая характеристика системы. При этом поведение системы определено законом сохранения энергии. Гельмгольц не определяет внутреннюю энергию как функцию конкретных параметров состояния системы:

– изменение внутренней энергии в равновесном процессе, Q – количество теплоты, которое получила система в рассматриваемом процессе, A – работа, которую система совершила.

Единицы измерения внутренней энергии

Основной единицей измерения внутренней энергии в системе СИ является: [U]=Дж

Примеры решения задач

Задание. Вычислите, на какую величину изменится внутренняя энергия гелия имеющего массу 0,1 кг, если его температура увеличилась на 20С.

Решение. При решении задачи считаем гелий одноатомным идеальным газом, тогда для расчетов можно применить формулу:

Так как мы имеем с одноатомным газом, то , молярную массу () возьмем из таблицы Менделеева ( кг/моль). Масса газа в представленном процессе не изменяется, следовательно, изменение внутренней энергии равно:

где

Все величины необходимые для вычислений имеются:

(Дж)

Ответ. (Дж)

Задание. Идеальный газ расширили в соответствии с законом, который изображен графиком на рис.1. от начального объема V. При расширении объем сал равен . Каково приращение внутренней энергии газа в заданном процессе? Коэффициент адиабаты равен .

Решение. Исходя из рисунка, уравнение процесса можно представить аналитически как:

Показатель адиабаты связан с числом степеней свободы газа выражением:

Выразим число степеней свободыиз (2.2):

Приращение внутренней энергии для постоянной массы газа (см. Пример 1) найдем в соответствии с формулой:

Запишем уравнения состояний идеального газа для точек (1) и (2) рис.1:

Тогда приращение температуры, учитывая уравнение процесса и выражения (2.5), (2.6) найдем как:

Подставим в выражение для (2.4), получим:

Ответ.

Формула внутренней энергии идеального газа. Изменение внутренней энергии газа: формула

Изучая поведение газов в физике, часто возникают задачи на определение запасенной в них энергии, которую теоретически можно использовать для совершения некоторой полезной работы. В данной статье рассмотрим вопрос, по каким формулам внутренняя энергия идеального газа может быть рассчитана.

Понятие о газе идеальном

Четкое понимание концепции идеального газа важно при решении задач с системами, находящимися в этом агрегатном состоянии. Любой газ принимает форму и объем сосуда, в который его помещают, однако, не всякий газ является идеальным. Например, воздух можно считать смесью идеальных газов, в то же время водяной пар не является таковым. В чем же заключается принципиальная разница между реальными газами и их идеальной моделью?

Вам будет интересно: «Заклание» – это про необходимую жертву

Ответом на поставленный вопрос будут две следующие особенности:

• соотношение между кинетической и потенциальной энергией молекул и атомов, составляющих газ;
• соотношение между линейными размерами частиц газа и средним расстоянием между ними.

Газ считается идеальным только в том случае, когда средняя кинетическая энергия его частиц несоизмеримо больше энергии связи между ними. Разница между этими энергиями такова, что можно считать, что взаимодействие между частицами полностью отсутствует. Также для идеального газа характерно отсутствие размеров у его частиц, вернее эти размеры можно не учитывать, поскольку они намного меньше средних межчастичных расстояний.

Хорошими эмпирическими критериями, позволяющими определить идеальность газовой системы, являются такие ее термодинамические характеристики, как температура и давление. Если первая больше 300 К, и второе меньше 1 атмосферы, то любой газ может полагаться идеальным.

Что это внутренняя энергия газа?

Прежде чем записать формулу внутренней энергии газа идеального, необходимо познакомится с этой характеристикой ближе.

В термодинамике внутреннюю энергию, как правило, обозначают латинской буквой U. Определяется в общем случае она по следующей формуле:

Где H – энтальпия системы, P и V – давление и объем.

По своему физическому смыслу внутренняя энергия состоит из двух составляющих: кинетической и потенциальной. Первая связана с различного рода движением частиц системы, а вторая – с силовым взаимодействием между ними. Если применить это определение к концепции газа идеального, у которого отсутствует потенциальная энергия, то величина U при любом состоянии системы будет точно равна его кинетической энергии, то есть:

Вывод формулы внутренней энергии

Вам будет интересно: Московская лингвистическая школа: общая характеристика, основатель, представители

Выше мы установили, что для ее определения у системы с идеальным газом необходимо рассчитать его кинетическую энергию. Из курса общей физики известно, что энергия частицы массой m, которая поступательно движется в некотором направлении со скоростью v, определяется по формуле:

Ее также можно применить для газовых частиц (атомов и молекул), однако, необходимо сделать некоторые замечания.

Во-первых, под скоростью v следует понимать некоторую среднюю величину. Дело в том, что газовые частицы движутся с разными скоростями согласно распределению Максвелла-Больцмана. Последнее позволяет определить среднюю скорость, которая с течением времени не изменяется, если отсутствуют внешние воздействия на систему.

Во-вторых, формула для Ek1 предполагает энергию на одну степень свободы. Газовые частицы могут двигаться во всех трех направлениях, а также вращаться в зависимости от их строения. Чтобы учесть величину степени свободы z, следует ее умножить на Ek1, то есть:

Кинетическая энергия всей системы Ek в N раз больше, чем Ek1z, где N – общее число газовых частиц. Тогда для U получаем:

Согласно этой формуле, изменение внутренней энергии газа возможно только в том случае, если поменять число частиц N в системе, либо их среднюю скорость v.

Внутренняя энергия и температура

Применяя положения молекулярно-кинетической теории идеального газа, можно получить следующую формулу связи между средней кинетической энергией одной частицы и абсолютной температурой:

Здесь kB – постоянная Больцмана. Подставляя это равенство в формулу для U, полученную в пункте выше, приходим к следующему выражению:

Данное выражение можно переписать через количество вещества n и газовую постоянную R в следующем виде:

В соответствии с этой формулой, изменение внутренней энергии газа возможно, если поменять его температуру. Величины U и T зависят друг от друга линейно, то есть график функции U(T) представляет собой прямую линию.

Как строение газовой частицы влияет на внутреннюю энергию системы?

Под строением частицы газа (молекулы) имеется в виду количество атомов, которое ее составляет. Оно играет определяющую роль при подстановке соответствующей степени свободы z в формулу для U. Если газ является одноатомным, формула внутренней энергии газа принимает такой вид:

Откуда взялась величина z=3? Ее появление связано всего с тремя степенями свободы, которыми обладает атом, поскольку он может двигаться только в одном из трех пространственных направлений.

Если рассматривается двухатомная молекула газа, то внутреннюю энергию следует вычислять по такой формуле:

Как видим, двухатомная молекула уже имеет 5 степеней свободы, 3 из которых являются поступательными и 2 вращательными (в соответствии с геометрией молекулы, она может вращаться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей).

Наконец, если газ является трех- и более атомным, то справедливо следующее выражение для U:

Сложные молекулы имеют 3 поступательных и 3 вращательных степени свободы.

Пример задачи

Под поршнем находится одноатомный газ при давлении 1 атмосфера. В результате нагрева газ расширился так, что его объем увеличился от 2-х литров до 3-х. Как при этом изменилась внутренняя энергия газовой системы, если процесс расширения был изобарным.

Чтобы решить эту задачу, недостаточно приведенных в статье формул. Необходимо вспомнить об уравнении состояния идеального газа. Оно имеет вид, представленный ниже.

Поскольку поршень закрывает цилиндр с газом, то в процессе расширения количество вещества n остается постоянным. Во время изобарного процесса температура изменяется прямо пропорционально объему системы (закон Шарля). Это означает, что формула выше запишется так:

Тогда выражение для внутренней энергии одноатомного газа примет форму:

Подставляя в это равенство значения давления и изменения объема в единицах СИ, получаем ответ: ΔU ≈ 152 Дж.

Источники:

http://ru.solverbook.com/spravochnik/formuly-po-fizike/formula-vnutrennej-energii/
http://www.webmath.ru/poleznoe/formules_21_21_vnutrennjaja_jenergija.php
http://1ku.ru/obrazovanie/55211-formula-vnutrennej-jenergii-idealnogo-gaza-izmenenie-vnutrennej-jenergii-gaza-formula/