Поняття внутрішня енергія стосується термодинаміки, статистичної фізики, а також фізики суцільних середовищ. Всяка термодинамічна система складається з величезної кількості часток. Енергія руху і взаємодії цих часток називається енергією системи. Повна енергія термодинамічної системи розділяється на зовнішню і внутрішню. Частина енергії, що складається з енергії руху системи як цілого і потенціальної енергії, називається зовнішньою енергією, друга частина — відноситься до внутрішньої енергії. [1]
З позиції молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія системи вимірюється рівнем кінетичної енергії молекул цього тіла, проте подібні погляди недостатні для пояснення всіх відомих явищ виділення енергії (хімічні , атомно-ядерні реакції, тощо). Питання про істинну природу внутрішньої енергії тіл тісно пов'язане з вивченням будови матерії, що виходить за рамки можливостей першого закону термодинаміки. В основу побудови феноменологічної термодинаміки покладено загальне визначення внутрішньої енергії тіл і систем, яке не обмежує можливостей строгої побудови цієї науки на базі постулатів загальнолюдського досвіду. [2]
З цієї точки зору: Внутрішньою енергією рівноважної термодинамічної системи називається повний запас енергії внутрішнього стану системи, визначуваний залежно від деформаційних координат і температури.
{\displaystyle U=U(x_{1},x_{2},...x_{n},t)}
Повний запас енергії внутрішнього стану системи ({\displaystyle U}) не мoже вважатись відомим ні на якому рівні розвитку природознавства, проте ця обставина не обмежує рівня спільності і точності математичних виразів основних принципів і розрахункових співвідношень термодинаміки, оскільки в ці співвідношення входять лише величини зміни внутрішньої енергії. [2] Перелік складових частин повної енергії, що входять у внутрішню енергію, непостійний і залежить від вирішуваної задачі. Інакше кажучи, внутрішня енергія — це не специфічний вид енергії, а сукупність тих змінюваних складових частин повної енергії системи, які слід враховувати в конкретній ситуації. [3]
Визначення супутніх ічна система — виділена з довкілля макроскопічна частина простору, обмежена реальною або уявною поверхнею розділу. Термодинамічними системами вважають тільки ті макроскопічні системи, що знаходяться в рівноважному стані. [4]Макроскопічними параметрами термодинамічної системи називають всі макроскопічні ознаки, що характеризують таку систему в її ставленні до навколишніх тіл. [5]Стан термодинамічної системи — сукупність незалежних макроскопічних параметрів, що визначають її властивості. [6]Термодинамічний процес — сукупність змін стану термодинамічної системи при переході з одного рівноважного стану в другий. [7]
Історична довідкаРедагувати
Поняття внутрішня енергія ввів у термодинаміку Рудольф Клаузіус (1850) , що не стурбувався привласненням спеціального найменування функції {\displaystyle U}, використаною вченим в математичному формулюванні першого закону термодинаміки.[8] Згодом Клаузіус називав функцію {\displaystyle U} просто енергією. Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1851) в статті «Про динамічну теорію теплоти дав цій новій фізичній величині прийняте донині трактування і назву Механічна енергія. Термін внутрішня енергія (internal energy) належить У. Ренкіну.
Властивості внутрішньої енергіїРедагуватиВнутрішня енергія є скалярна величина, яка не залежить від вибору системи відліку. В її состав не входить кінетична енергія руху і потенційна енергія положення системи як єдиного цілого, а також кінетична
енергія середовища у середині системи (енергія зміщення елементарних областей при деформації твердих тіл і енергія потоків рідин і газів в середовищі).
Внутрішня енергія є величина аддитивна, тобто внутрішня енергія системи дорівнює сумі внутрішніх енергій її підсистем.Внутрішня енергія задається з точністю до постійного доданку, що залежить від обраного нуля відліку (наприклад, °C і 760 мм рт. ст.)Внутрішня енергія є функцією стану термодинамічної системи.
На останній властивості ми зупинимося окремо.
Функції стану і функції процесів в термодинаміціРедагувати
Рис. Термодинамічний цикл
1. Функції змінних величин, які залежать від початкового і кінцевого станів системи і не залежать від шляху процесу, називаються функціями стану. Функції стану — це характеристики, які в кожній точці термодинамічної системи мають цілком певне значення, наприклад: внутрішня енергія, ентальпія, ентропія і так далі. Пояснемо це на прикладі. Візьмемо довільну термодинамічну систему, в якій відбувається деякий круговий термодинамічний процес, зображений на рисунку. Для наочності представимо його графічно в координатах {\displaystyle {P-V}}. Під час проходження циклу система отримує теплоту {\displaystyle Q_{c}} і здійснює роботу {\displaystyle A_{c}} . При цьому, відповідно до закону збереження і перетворення енергії, має виконуватися рівність.
Сначала воду нужно нагреть до кипения ( t2=100град) . Q1=c*m*(t2 - t1). ( c -удельная теплоемкость воды=4200Дж/кг*град, m - масса=0,2кг, t1- начальная темпратура воды=50град, t2 -конечная температура воды, Q1 -количество теплоты, затраченное на нагревание) . Q1=4200*0,2*(100 - 50)=42000Дж. Теперь рассчитаем количество теплоты, затраченное на испарение (Q2). Q2=r*m. ( r - удельная теплота парообразования воды=2300000Дж/кг) . Q2=2300000*0,2=460000Дж. Общее затраченное тепло= сумме: Q=Q1+Q2. Q=42000 +460000=502000Дж. (502кДж
Поняття внутрішня енергія стосується термодинаміки, статистичної фізики, а також фізики суцільних середовищ. Всяка термодинамічна система складається з величезної кількості часток. Енергія руху і взаємодії цих часток називається енергією системи. Повна енергія термодинамічної системи розділяється на зовнішню і внутрішню. Частина енергії, що складається з енергії руху системи як цілого і потенціальної енергії, називається зовнішньою енергією, друга частина — відноситься до внутрішньої енергії. [1]
З позиції молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія системи вимірюється рівнем кінетичної енергії молекул цього тіла, проте подібні погляди недостатні для пояснення всіх відомих явищ виділення енергії (хімічні , атомно-ядерні реакції, тощо). Питання про істинну природу внутрішньої енергії тіл тісно пов'язане з вивченням будови матерії, що виходить за рамки можливостей першого закону термодинаміки. В основу побудови феноменологічної термодинаміки покладено загальне визначення внутрішньої енергії тіл і систем, яке не обмежує можливостей строгої побудови цієї науки на базі постулатів загальнолюдського досвіду. [2]
З цієї точки зору: Внутрішньою енергією рівноважної термодинамічної системи називається повний запас енергії внутрішнього стану системи, визначуваний залежно від деформаційних координат і температури.
{\displaystyle U=U(x_{1},x_{2},...x_{n},t)}
Повний запас енергії внутрішнього стану системи ({\displaystyle U}) не мoже вважатись відомим ні на якому рівні розвитку природознавства, проте ця обставина не обмежує рівня спільності і точності математичних виразів основних принципів і розрахункових співвідношень термодинаміки, оскільки в ці співвідношення входять лише величини зміни внутрішньої енергії. [2] Перелік складових частин повної енергії, що входять у внутрішню енергію, непостійний і залежить від вирішуваної задачі. Інакше кажучи, внутрішня енергія — це не специфічний вид енергії, а сукупність тих змінюваних складових частин повної енергії системи, які слід враховувати в конкретній ситуації. [3]
Визначення супутніх ічна система — виділена з довкілля макроскопічна частина простору, обмежена реальною або уявною поверхнею розділу. Термодинамічними системами вважають тільки ті макроскопічні системи, що знаходяться в рівноважному стані. [4]Макроскопічними параметрами термодинамічної системи називають всі макроскопічні ознаки, що характеризують таку систему в її ставленні до навколишніх тіл. [5]Стан термодинамічної системи — сукупність незалежних макроскопічних параметрів, що визначають її властивості. [6]Термодинамічний процес — сукупність змін стану термодинамічної системи при переході з одного рівноважного стану в другий. [7]
Історична довідкаРедагувати
Поняття внутрішня енергія ввів у термодинаміку Рудольф Клаузіус (1850) , що не стурбувався привласненням спеціального найменування функції {\displaystyle U}, використаною вченим в математичному формулюванні першого закону термодинаміки.[8] Згодом Клаузіус називав функцію {\displaystyle U} просто енергією. Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1851) в статті «Про динамічну теорію теплоти дав цій новій фізичній величині прийняте донині трактування і назву Механічна енергія. Термін внутрішня енергія (internal energy) належить У. Ренкіну.
Властивості внутрішньої енергіїРедагуватиВнутрішня енергія є скалярна величина, яка не залежить від вибору системи відліку. В її состав не входить кінетична енергія руху і потенційна енергія положення системи як єдиного цілого, а також кінетична
енергія середовища у середині системи (енергія зміщення елементарних областей при деформації твердих тіл і енергія потоків рідин і газів в середовищі).
Внутрішня енергія є величина аддитивна, тобто внутрішня енергія системи дорівнює сумі внутрішніх енергій її підсистем.Внутрішня енергія задається з точністю до постійного доданку, що залежить від обраного нуля відліку (наприклад, °C і 760 мм рт. ст.)Внутрішня енергія є функцією стану термодинамічної системи.
На останній властивості ми зупинимося окремо.
Функції стану і функції процесів в термодинаміціРедагувати
Рис. Термодинамічний цикл
1. Функції змінних величин, які залежать від початкового і кінцевого станів системи і не залежать від шляху процесу, називаються функціями стану. Функції стану — це характеристики, які в кожній точці термодинамічної системи мають цілком певне значення, наприклад: внутрішня енергія, ентальпія, ентропія і так далі. Пояснемо це на прикладі. Візьмемо довільну термодинамічну систему, в якій відбувається деякий круговий термодинамічний процес, зображений на рисунку. Для наочності представимо його графічно в координатах {\displaystyle {P-V}}. Під час проходження циклу система отримує теплоту {\displaystyle Q_{c}} і здійснює роботу {\displaystyle A_{c}} . При цьому, відповідно до закону збереження і перетворення енергії, має виконуватися рівність.
Сначала воду нужно нагреть до кипения ( t2=100град) . Q1=c*m*(t2 - t1). ( c -удельная теплоемкость воды=4200Дж/кг*град, m - масса=0,2кг, t1- начальная темпратура воды=50град, t2 -конечная температура воды, Q1 -количество теплоты, затраченное на нагревание) . Q1=4200*0,2*(100 - 50)=42000Дж. Теперь рассчитаем количество теплоты, затраченное на испарение (Q2). Q2=r*m. ( r - удельная теплота парообразования воды=2300000Дж/кг) . Q2=2300000*0,2=460000Дж. Общее затраченное тепло= сумме: Q=Q1+Q2. Q=42000 +460000=502000Дж. (502кДж