Цель: рассмотреть способы изменения внутренней энергии. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации; опыт по нагреванию жидкости в латунной трубке; опыт по выдавливанию пробки из сосуда при помощи воздушного насоса.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение. Проверка домашнего задания

Тема предыдущего урока органично связана с новой темой, и поэтому повторение материала не только позволит определить уровень усвоения материала, но и станет органичным переходом к новой теме.

Дополнительно к вопросам по изученному параграфу можно задать и такие, которые заставят учащихся глубже задуматься над содержанием ос­новных понятий и явлений, например:

—    Может ли тело, обладая внутренней энергией, не иметь механическую энергию? Приведите примеры.

—    Может ли тело иметь механическую энергию, но не иметь внутренней?

—    Всегда ли выполняется закон сохранения механической энергии? Полной энергии?

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Демонстрация опытов.

2. Механическая   работа   как   причина   изменения   внутренней энергии.

3. Изменение внутренней энергии путем теплообмена.

1.  Освещение нового материала логично начать с показа опыта по нагреванию эфира в латунной трубке при помощи суровой нити или прочной тканевой ленты. При этом не следует допускать вылета пробки из отвер­стия. Касаясь стенок трубки, легко заметить, что температура эфира увели­чилась. Следовательно, при нагревании тела внутренняя энергия молекул увеличивается.

2. Данный опыт показывает, что внутреннюю энергию можно увеличить за счет совершения механической работы над телом.

Именно такой способ добычи огня использовали наши предки. За счет трения при быстром вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на 250 °С, и загорался.

Говоря о возможности увеличения внутренней энергии за счет совер­шения работы, следует особо отметить, что существует и обратный про­цесс. Если тело само совершает работу, то при этом его внутренняя энергия уменьшается. Подкрепляя данный тезис, можно показать опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике. Появление тумана в сосуде в момент вылета пробки указывает на уменьшение температуры воздуха. Следовательно  воздух совершил работу по выталкиванию пробки за счет своей

внутренней энергии.

3 Есть еще один способ изменения внутренней энергии.

Нагревание чашки, в которую налили горячую воду, камня, брошенного в огонь — все это увеличивает внутреннюю энергию тел. Работа при этом не совершается.

Изменение внутренней энергии тел без совершения над телами работы, называется теплопередачей.

Физика этого процесса проста. При взаимодействии молекул горячей воды с молекулами стенок холодной чашки молекулы воды при ударах пе­редают часть своей кинетической энергии. При этом скорость молекул чашки увеличивается, а скорость молекул воды падает.

Как только температуры чашки и воды станут равными, теплообмен прекращается.

Следует обратить внимание на тот факт, что при теплопередаче (тепло­обмене) энергия всегда передается от горячего тела к холодному, то есть от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Обратный процесс сам собой никогда не происходит.

Чтобы количественно оценивать изменение внутренней энергии, вводят понятие количества теплоты (Q).

Та энергия, которую тело отдает или получает в результате тепло­обмена, называется количеством теплоты.

Очевидно, что Q измеряется, как и энергия, в джоулях:

IV. Итог урока

Подводя итог уроку, необходимо сделать вывод о том, что существует два способа изменения внутренней энергии:

а) за счет совершения механической работы;

б) за счет теплообмена.

Эти способы равноправны. Мы никогда не можем угадать, за счет чего увеличилась температура тела. Это может быть и результат теплообмена, и результат совершения работы над телом.

Таким образом, изменение внутренней энергии тела всегда происходит за счет энергии других тел: либо при теплопередаче (за счет изменения внутренней энергии), либо при совершении работы (за счет механической энергии).

Домашнее задание

1.   § 4 учебника; вопросы и задания к параграфу.

2.2.3 Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Лекция: Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Существует несколько способов, позволяющих изменить внутреннюю энергию тела, одним из которых является теплопередача.

Теплопередача — это процесс, сопровождающийся переходом внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. 

Стоит отметить, что в момент совершения теплопередачи работа над рассматриваемой системой не производится.

Теплопередача происходит в то время, когда между телами, что её совершают, имеется среда (жидкая, газообразная, вакуум). Данное физическое явление также называется теплообменом.

Существует три основных вида теплообмена:

Если взять длинный железный стержень и держать один его конец над огнем, то со временем он нагреется полностью и держать его в руках будет невыносимо. Что же происходит с рассматриваемым телом с точки зрения физики?

Те атомы стержня, что находятся над огнем, начинают двигаться под действием температуры, то есть начинает увеличиваться их кинетическая энергия. Данное движение начинает переходить на соседние атомы и так по всей длине. Это объясняется с точки зрения механики — одна структурная единица начинает передавать импульс другой, тем самым передавая кинетическую энергию.

Теплопроводность — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретой части тела к менее нагретой за счет взаимодействия структурных единиц.

Процесс теплопроводности в различных веществах отличается. Таким образом, лучшими проводниками тепла являются металлы, самыми лучшими проводниками можно назвать золото и медь. Чуть хуже тепло проводит жидкость. Самыми плохими проводниками являются газы, их порой даже называют изоляторами. Именно поэтому окна делаются из нескольких стеклопакетов, между которыми находится воздух.

Для улучшения теплоизоляционных свойств домов используют пенопласт, кирпич, вата — они имеют пористую структуру, в порах которых содержится воздух. По такому же принципу в зимний период температуру нашего тела поддерживают с помощью меха, хлопка и других материалов, которые позволяют удерживать тепло на поверхности тела и предотвращают проникновение холода.

Несмотря на то, что воздух плохо проводит тепло, в наших домах благодаря батареям, наперекор погодным условиям, тепло. Это объясняет конвекция. 

Конвекция — это процесс передачи внутренней энергии газов и жидкостей в результате циркуляционных потоков и смешиванию теплых и холодных слоев.

Возле батареи воздух начинает нагреваться, благодаря чему расширяется и становится легче. С помощью выталкивающей силы он перемещается в верхние части комнаты. При этом холодный воздух снова поступает к батареям и с ним происходят те же процессы. Таким образом холодные и теплые слои начинают перемещаться по комнате потоками.

Этот процесс свойственный не только газам, но и жидкостям. По тому же принципу происходит нагревание жидкости в чайнике. Нижние слои воды нагреваются и перемещаются благодаря выталкивающей силе на поверхность, на их место перемещаются холодные слои.

Из-за большой силы взаимодействия между частицами твердого тела, в них конвекция не происходит.

Стоит обратить внимание на местоположение батарей — они обязательно должны находиться в нижней части комнат, иначе конвекция происходить не будет, и теплый воздух так и останется под потолком.

Что касается летнего кондиционирования воздуха, кондиционер следует располагать в верхней части комнаты — он выпускает холодный воздух, который опускается вниз комнаты.

По какой причине на нашей Земле тепло? На этот вопрос достаточно просто ответить — благодаря Солнцу. Однако, как этот процесс объясняется с точки зрения физики? Вокруг нас существует постоянное магнитное поле, которое вызвано изменением электрического. В результате этого Землю окутывают электромагнитные волны.

Любая электромагнитная волна, вне зависимости от своей частоты, имеет энергию. Однако некоторые определенные частоты имеют наибольшую энергию, вызывающую излучение, способное нагреть тела вокруг себя.

По такому принципу происходит нагревание пищи в микроволновках.

Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Вычисли работу, если даны путь и сила Сложность: лёгкое
2.	Вычисли путь, если даны работа и сила Сложность: лёгкое
3.	Определи силу, если даны путь, работа и направление силы Сложность: лёгкое
4.	Найди кинетическую и потенциальную энергию Сложность: среднее
5.	Найди кинетическую, потенциальную энергию и высоту Сложность: среднее
6.	Найди кинетическую, потенциальную энергию и скорость Сложность: среднее
7.	Найди полную механическую энергию, высоту и скорость тележки Сложность: среднее
8.	Определи энергию тележки, её высоту и скорость Сложность: сложное
9.	Найди полную механическую энергию, высоту и скорость скейтера Сложность: сложное
10.	Найди силу, путь, работу и мощность Сложность: среднее
11.	Найди работу, кинетическую энергию и скорость Сложность: среднее
12.	Вычисли мощность и работу подъёмного крана Сложность: лёгкое
13.	Изменение потенциальной энергии пружины Сложность: среднее
14.	Определи энергию груза, используя закон сохранения энергии Сложность: среднее
15.	Работа, выполненная при вертикальном подъёме тела. Сложность: среднее
16.	Определение кинетической, потенциальной, полной механической энергии, высоты и скорости Сложность: сложное
17.	Вычисли работу Сложность: среднее
18.	Вычисли работу и мощность Сложность: среднее

Первый закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерить в опытах. Мелкомасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов. Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый Закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и предсказать работу физического система. Приведем несколько простых примеров этих законов и свойства для различных физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также потоки с высокой скоростью. К счастью, многие из классические примеры термодинамики включают газовую динамику.

По нашим наблюдениям за проделанной работой, или газом, мы нашли, что количество работ зависит не только на начальное и конечное состояния газа но также и в процессе или пути, который создает конечное состояние.Точно так же количество теплоты, переданное в или от газа также зависит от начального и конечного состояний и процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения за реальным газах показали, что разница теплового потока в газ а работа, совершаемая газом, зависит только от начального и конечного состояния газа и зависит ли , а не от процесса или пути который производит конечное состояние. Это говорит о существовании дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа, которое зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса. Внутренняя энергия является переменной состояния, точно так же, как температура или давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и работа (W), выполненная за систему.

E2 — E1 = Q — W

Мы подчеркнули слова «в» и «по» в определении. Тепло, отводимое от системы в уравнении ставится отрицательный знак.Аналогично работают выполнено в системе присваивается отрицательный знак.

Внутренняя энергия — это такая же форма энергии, как и потенциальная. энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с сохранением полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию.Нравится потенциал энергия, внутренняя энергия может запасаться в системе. Обратите внимание, однако, что тепло и работа не может быть сохранена или сохранена независимо, поскольку они зависят на процессе. Первый закон термодинамики допускает многие Возможные состояния системы существуют, но только определенные состояния обнаружено существование в природе. То второй закон термодинамики помогает объяснить это наблюдение.

Если система полностью изолирована от внешней среды, возможно изменение состояния, при котором теплота не передается система.Ученые называют процесс, в котором не участвует тепло. перенос как адиабатический процесс. Реализация первого закона термодинамики для газов вводится еще один полезная переменная состояния, называемая энтальпией который описан на отдельной странице.

• Термодинамика:

Связанные сайты:
Rocket Index
Rocket Home
Руководство для начинающих Home

Тепловая энергия | Руководство для начинающих

Тепловая энергия – это вид энергии, производимой движением атомных и молекулярных частиц внутри вещества. Впервые он был открыт в 1847 году английским физиком и математиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, в честь которого названы единица энергии и закон Джоуля.

Дж наткнулся на тепловую энергию, когда экспериментировал с преобразованием механической энергии. И механическая, и тепловая энергия в значительной степени зависят от кинетической энергии или энергии движения.

Джоуль понял, что чем больше он манипулирует скоростью вещества, тем выше становится его температура. Из-за этого тепловую энергию часто называют тепловой энергией, но это не совсем одно и то же.

В этой статье мы обсудим термодинамику, что такое тепловая энергия и как она связана с внутренней энергией и газом. Мы также поговорим о том, как работает тепло, почему тепловая энергия важна и как она влияет на окружающую среду.

Что такое термодинамика?

Взаимосвязь между теплом и тепловой энергией широко изучалась и называется термодинамикой или изучением преобразования энергии.

Термодинамика построена вокруг четырех законов:  

• Нулевой закон гласит, что если одна из двух систем с одинаковым тепловым потоком сталкивается с третьей системой; все три системы будут иметь одинаковый тепловой поток.
• Первый закон термодинамики также называют законом сохранения энергии. Этот закон диктует, что энергия не может быть создана или уничтожена. Тепло от источника будет равно теплу, используемому в системе, и только тепловая энергия может быть преобразована в другие формы энергии.
• Второй закон термодинамики утверждает, что ни одна замкнутая система никогда не останется прежней. Энтропия изолированной системы всегда будет возрастать.Энтропия — это величина, отражающая отсутствие тепловой энергии системы для преобразования в механическую работу; это также понимается как степень случайности в системе. Взаимодействующие системы с разными температурами будут испытывать тепловой поток до тех пор, пока обе температуры не станут одинаковыми. Система с более высокой температурой будет передавать тепло до тех пор, пока оно не сравняется с теплом более холодного объекта. Например, кубик льда не станет холоднее, а скорее, взаимодействуя с системой своего более теплого окружения, он будет таять, в конечном итоге достигая той же температуры, что и окружающая среда.
• Третий закон термодинамики говорит нам, что энтропия системы тепловой энергии будет принимать постоянное значение, когда температура достигнет абсолютного нуля.

Согласно Управлению энергетической информации, закон Джоуля – это «Скорость производства тепла постоянным током в любой части электрической цепи, которая пропорциональна сопротивлению и квадрату тока, или внутренней энергии идеального газа зависит только от его температуры.”

Что такое тепловая энергия и как она связана с внутренней энергией?

Тепловая энергия является одним из шести основных видов энергии. Это:  

• Химическая энергия
• Атомная энергия
• Лучистая энергия
• Механическая энергия 
• Электроэнергия
• Тепловая энергия  

Термины «тепловая энергия» и «тепловая энергия» часто используются взаимозаменяемо, поскольку оба они связаны с мощностью, создаваемой теплом.

Однако тепловая энергия относится к накопленной или полной внутренней энергии температуры системы, а тепло представляет собой передачу тепловой энергии.

Температура — это средняя кинетическая энергия внутри объекта. Обычно его измеряют по трем шкалам: Фаренгейта (F), Цельсия (C) и Кельвина (K).

Полная кинетическая энергия молекул в сочетании с потенциальной энергией атомов при движении называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия – это кинетическая энергия и потенциальная энергия системы в целом.

Внутренняя энергия использует ту же систему единиц, что и энергия – джоуль.

Джоуль — это международная система единиц энергии и работы, равная работе, используемой для создания силы, достаточной для перемещения движущегося объекта на расстояние в один метр.

Если термодинамическая система находится в состоянии теплового равновесия, она будет содержать внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия системы будет функционировать как переменная. Таким образом, изменение внутренней энергии будет равняться подводимой теплопередаче и работе, произведенной при работе системы.

Что такое тепловая энергия и чем она отличается от тепловой энергии?

Лучшее понимание различий между тепловой энергией, температурой и тепловой энергией дает термодинамика.

Тепловая энергия – это передача, колебательное движение или поток тепловой энергии.

Как упоминалось выше, тепловая энергия — это полная энергия системы — она учитывает все частицы, содержащиеся в веществе.

Средняя кинетическая энергия этих частиц — энергия движения — равна температуре.

Нагрев и температура разные. Тепловая энергия может передаваться между веществами при постоянной температуре, также известной как скрытая теплота.

Теплоемкость часто измеряется в британских тепловых единицах (БТЕ).Количество БТЕ отражает теплоемкость источника топлива и энергии.

Точнее, это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на 1°F (-17,22°C) в жидком состоянии и при максимальной плотности.

Эта температура составляет около 39°F (33,88889°C).

БТЕ (одна БТЕ равна примерно 1055 Дж) используется потому, что она является частью международной системы единиц (также известной как единица СИ), в которой можно измерять теплосодержание и энергию независимо от исходного состояния измерения объекта.

Как работает передача тепловой энергии?

источник

Тепловая энергия может передаваться от горячих объектов, жидкостей, газов или пространств к более холодным тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность — это когда тепло проходит через твердый материал, повышая температуру того, что находится за ним.

Хорошим примером этого является, когда солнце и температура наружного воздуха нагревают кузов автомобиля, а затем, в свою очередь, повышается температура внутри транспортного средства.

Конвекция происходит, когда тепло передается движением жидкости, также известным как массовое движение жидкого вещества. Конвекция начнется только в том случае, если температуры поверхности объекта и жидкости, твердого тела или газа различны.

Примером этого является холодная вода, температура которой повышается, чтобы стать горячей водой.

Излучение — передача тепла в форме света. Теплопередача светом может быть как видимой, так и невидимой.Радиационное тепло может проходить через вакуум, газ или жидкость, любая из которых может отражать или перемещать излучение.

Общие примеры теплового излучения включают солнечный свет или огонь.

Что такое закон идеального газа и какое отношение он имеет к тепловой энергии?

Закон идеального газа основан на эмпирической математике, и на его решение ушло более 200 лет.

Он начинается с основной формулы, согласно которой по мере увеличения давления газа его объем уменьшается на пропорциональную величину.

Было также обнаружено, что температура и объем имеют аналогичную зависимость: по мере повышения температуры газа объем газа будет увеличиваться на пропорциональную величину.

Затем было обнаружено, что чем больше молекул содержится в газе, тем больше он будет иметь объем и что они будут в равной пропорции.

Эти три принципа были объединены, и в результате был получен закон идеального газа : PV=nrt. Другими словами, отношение постоянного давления к постоянному объему равно произведению числа молей, температуры и универсальной газовой постоянной (R).Значение универсальной газовой постоянной составляет приблизительно R=8,3 Дж/ккал/моль — это 8,3 джоуля на моль на кельвин (К).

Закон идеального газа предсказывает наблюдаемые изменения давления и температуры и взаимосвязь на базовом уровне.

Хотя это не является хорошим индикатором того, что произойдет в экстремальных реалиях, он позволяет ученым делать прогнозы, основанные на приблизительных гипотетических моделях — отсюда и «идеальная» терминология.

Почему важна тепловая энергия?

Тепловая энергия предлагает нам еще один источник энергии. Тепловая энергия используется на тепловых электростанциях.

Тепловая энергия может быть эффективно сохранена и использована в качестве резервного источника питания в часы пиковой нагрузки или сезонного повышения энергопотребления из-за погодных условий.

Тепловая энергия позволяет нам использовать энергию, производимую Землей, в наших интересах. Этот вид тепловой энергии называется геотермальной энергией (тепло Земли). Это считается возобновляемым источником энергии, потому что Земля постоянно производит тепло и пополняет любое извлекаемое или используемое тепло.

Геотермальные технологии позволяют нам использовать тепло Земли для питания систем отопления и охлаждения. Три наиболее распространенных типа геотермальных технологий включают геотермальные системы прямого использования, глубинные и усовершенствованные геотермальные системы и тепловые насосы, использующие грунт.

Что такое аккумулирование тепловой энергии и зачем оно нам?

Накопление тепловой энергии может происходить двумя разными способами.

Во-первых, путем изменения способа поглощения или выделения тепловой энергии — в виде скрытой или явной теплоты (типы теплопередачи).

Скрытая теплота относится к фазовым превращениям жидкостей, твердых тел и газов.

Явное тепло связано с температурой объекта или газа, независимо от состояния фазового перехода.

Тепловая энергия также может накапливаться путем проведения химических реакций.

Этот процесс нагревает определенные химические вещества, что в конечном итоге разделяет их на отдельные реактивные компоненты и позволяет им накапливать энергию.

Тепловая энергия также может сочетаться с возобновляемыми источниками энергии — например, хранение отбракованной или перенаправленной солнечной энергии.

Сокращение отходов возобновляемой энергии за счет аккумулирования тепловой энергии делает некоторые возобновляемые источники энергии еще более эффективными; тепловая энергия показывает большие перспективы в сокращении выбросов парниковых газов и содействии устойчивому развитию.

Как избежать загрязнения тепловой энергией?

источник

Тепловая энергия предлагает многообещающие решения для растущей потребности в энергии благодаря своей способности накапливать энергию для последующего использования.

Источниками тепловой энергии являются ископаемые виды топлива, такие как природный газ, уголь и нефть, а также солнечное тепло, электрическое тепло с тепловым насосом и геотермальное тепло.

Несмотря на то, что тепловая энергия оказывает относительно небольшое негативное воздействие на окружающую среду, необходимо решить несколько проблем, прежде чем она будет считаться по-настоящему экологичным источником энергии.

Тепловая энергия может вызывать загрязнение. Это загрязнение часто происходит в виде вытекающих химикатов или воды, сбрасываемой на тепловых электростанциях или в хранилищах.

Загрязнение воздуха и воды также может быть связано с геотермальными полями. Например, пар может выделять отработанное тепло, что может повлиять на образование облаков и погодные условия.

Выброс горячей или холодной воды этими источниками тепловой энергии в естественные водоемы, такие как пруды, ручьи и реки, может создать разницу температур и нарушить экосистему.

Предотвращение загрязнения термальной воды может быть направлено на мониторинг температуры воды и приближение ее к естественной температуре воды.

Очистка сточных вод также может предотвратить тепловое загрязнение. Очистка сточных вод требует, чтобы сточные воды хранились в прудах или повторно закачивались в колодцы.

Тепловая энергия: великий природный ресурс  

Тепловая энергия является полезным источником энергии, который обеспечивает мир. Тепловая энергия может использоваться не только в сочетании с другими возобновляемыми источниками энергии, но и обеспечивает резервное питание, хранение энергии и эффективные альтернативы для отопления и охлаждения.

Поскольку планета Земля продолжает испытывать глобальное потепление, тепловая энергия станет более важной, чем когда-либо, и она может выдерживать тепло.

Предоставлено вам justenergy.ком

Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение:

Использование первого закона термодинамики для расчета изменения внутренней энергии | Физика

Как использовать первый закон термодинамики для расчета изменения внутренней энергии

Этап 1 : Определите или рассчитайте работу, совершаемую газом.

Шаг 2 : Определите тепловую энергию, добавленную к газу или отведенную от него.

Шаг 3 : Используйте первый закон термодинамики для расчета изменения внутренней энергии на основе работы и теплоты, рассчитанных на предыдущих шагах.

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики : Первый закон термодинамики гласит, что внутренняя энергия идеального газа изменяется в зависимости от энергии, полученной или потерянной газом в результате работы, и энергии, полученной или потерянной газом в результате нагревания. Уравнение для этого закона: {eq}\Delta U = Q + W {/eq} где {eq}\Delta U {/eq} – изменение внутренней энергии, {eq}Q {/eq} — энергия, добавленная к газу при нагревании (отрицательна, если газ охлаждается), а {eq}W {/eq} – это работа, совершаемая газом (отрицательно, если газ совершает работу над окружающей средой).Работу можно рассчитать с помощью уравнения {eq}W = -P\Delta V {/экв}, где {экв}P {/eq} — давление газа, а {eq}\Delta V {/экв} — изменение объема газа при совершении работы.

Следующие две задачи демонстрируют, как использовать первый закон термодинамики для расчета изменения внутренней энергии.

Примеры использования первого закона термодинамики для расчета изменения внутренней энергии

Пример 1

Образец газа выдерживается при постоянном давлении 150.3}) = -1050\ \rm{J} $$

Работа отрицательна, потому что газ использовал часть своей внутренней энергии для расширения, совершая работу над окружающей средой и в конечном итоге теряя внутреннюю энергию в результате работы.

Шаг 2 : Определите тепловую энергию, добавленную к газу или отведенную от него.

В задаче указано количество теплоты, полученное газом при расширении:

$$Q = 2625\ \rm{J} $$

Шаг 3 : Используйте первый закон термодинамики для расчета изменения внутренней энергии на основе работы и теплоты, рассчитанных на предыдущих шагах.

Изменение внутренней энергии газа происходит как за счет энергии, потерянной им при совершении работы, так и за счет энергии, полученной при нагревании. Используя первый закон термодинамики, мы можем рассчитать чистое изменение внутренней энергии:

$$\Delta U = Q + W = 2625\ \rm{J} — 1050\ \rm{J} = 1575\ \rm{J} $$

Во время этого процесса получает 1575 Дж внутренней энергии.

Пример 2

Образец идеального газа хранится при постоянном объеме 0.0035 кубометров в стеклянном стакане с притертой пробкой. Стакан погружают в баню с ледяной водой, которая отбирает у газа 1500 Дж тепла. Как изменится внутренняя энергия газа за это время?

Этап 1 : Определите или рассчитайте работу, совершаемую газом.

Объем газа поддерживается постоянным, что означает, что когда стакан погружают в баню с ледяной водой, объем не изменяется. При изменении объема на ноль работа, совершаемая над газом, также равна нулю.

Шаг 2 : Определите тепловую энергию, добавленную к газу или отведенную от него.

Теплота отводится от газа. Немного запутанный способ думать об этом состоит в том, что количество тепла , добавленное к газу, равно отрицательному : {eq}Q = -1500\\rm{J} {/экв}.

Шаг 3 : Используйте первый закон термодинамики для расчета изменения внутренней энергии на основе работы и теплоты, рассчитанных на предыдущих шагах.

Изменение внутренней энергии газа равно:

$$\Delta U = Q + W = 1500\ \rm{J} + 0 = -1500\ \rm{J} $$

В ходе этого процесса внутренняя энергия газа уменьшилась на 1500 Дж.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно общей передаче тепла системе за вычетом полной работы, совершаемой системой. Благодаря взаимодействию теплоты, работы и внутренней энергии энергия может переходить из одной формы в другую. Математическое уравнение первого начала термодинамики имеет вид обмен между системой и ее окружением.Q и W, однако, зависят от пути, и поэтому их значения являются переменными. Их нельзя рассматривать как функции состояния, поскольку они могут изменяться в зависимости от их величины, обмениваемой внутри системы.

В зависимости от W изменение внутренней энергии может уменьшаться в результате работы, совершаемой системой, и увеличиваться, когда работа совершается над системой. Точно так же, в зависимости от Q, когда тепло теряется из системы, внутренняя энергия будет уменьшаться и увеличиваться, когда к системе добавляется тепло. Таким образом, изменение внутренней энергии зависит от входящего и исходящего количества работы и тепла в системе. Но если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то, согласно термодинамике, разница во внутренней энергии должна равняться нулю. Таким образом, когда энергия теряется из системы, она должна передаваться в ее окружение. И точно так же, когда какая-то энергия поглощается системой, эта энергия должна быть поглощена из ее окружения. Это приводит к соотношению:

ΔEsystem=−ΔEокружение\Delta {E_{система}} = — \Delta {E_{окружение{s_{}}}}ΔEsystem​=-ΔEокружение​​

Где, ΔEsystem\Delta { E_{система}}ΔEсистема​это полная внутренняя энергия в системе, а ΔEокружение\Дельта {E_{окружение{s_{}}}}ΔEокружение​​это полная энергия окружения.Поскольку никакая энергия не теряется и не приобретается, мы говорим, что энергия сохраняется во Вселенной, или то количество энергии, которое присутствует и вечно преобразуется между своими различными формами.

Physics4Kids.

Второй тип системы изоволюмический . Вероятно, вы можете увидеть термин «объем». Iso обычно означает константу. Соедините их вместе, и вы получите систему, которая меняется, но громкость остается неизменной.Эти типы изменений не производят никакой работы в среде.

Третий тип системы изобарическая . Вы уже видели префикс iso, а суффикс baric относится к давлению. Эта система меняется, но поддерживает постоянное давление. Все изменение связано с объемом газа в системе. Когда вы надуваете воздушный шарик, его объем увеличивается, но давление остается прежним. По мере поступления энергии в систему температура или объем могут увеличиваться (или и то, и другое), но повышения температуры не будет.

Четвертый тип системы изотермический . Последний префикс iso, и суффикс теперь термальный. Мы говорим о системах, которые меняются во всем, кроме температуры. Можно сказать, что эти системы находятся в тепловом равновесии. Вы увидите, что давление и объем меняются. По мере того, как в систему вкладывается энергия, давление или объем (или и то, и другое) будут увеличиваться, но повышения температуры не будет.

LaunchPad: жара! (Видео НАСА-eClips)

http://www.enceclopedia.com/topic/laws_of_thermodynamics.aspx Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/first_law_of_thermodynamics
Encyclopædia Britannica ( Термодинамическое равновесие):
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/591572/термодинамика/ 258537/Термодинамическое равновесие

---

Разделы Physics4Kids

Сеть научных и математических сайтов Rader

Глава 3 Первый Закон: Механизм

Математика термодинамики:

 

Сила термодинамики заключается в возможности связать измеримые свойства к тем, которые не так легко измерить. Многие отношения связаны с наклонами функций, скорость изменения одной переменной по отношению к другой, производная. Чтобы понять, как эти отношения полученных, нам нужно понять некоторые математические свойства дифференциалов и частные производные. См. далее Информация 1, с. 905-906.

 

Точные дифференциалы

Напомним, что изменение внутренней энергии dU называется точный дифференциал, поскольку он зависит только от начального и конечного состояния система, но не путь.Мы определим точный дифференциал математически.

 

Если у нас есть функция, произвольно обозначенная буквой J, которая зависит от переменных T и p, так что мы можем написать J = J(T, p), тогда бесконечно малое изменение J, dJ, равно

 

Переменные T и p должны быть независимыми, а J(T,p) должна быть непрерывная, однозначная, дифференцируемая.

(без ступенчатых функций, одно значение J для каждого T и p, без функций с выступами)

 

 

 

 

Частные производные, вообще говоря, также будут функциями T и p, получаемый из J(T,p) стандартными методами дифференцирования. Мы могли бы поэтому определим функции M и N как

 

 

 

Выражение для dJ становится dJ = MdT + Ndp

 

Мы знать, что порядок дифференцирования не имеет значения для второй производные.

 

Если исходная функция J(T,p) непрерывна, однозначна и дифференцируемый, то

 

 

Вставка M и N для их дифференциалов

 

 

Это условие достаточно и необходимо для точного дифференциал . То есть, учитывая выражение в дифференциальной форме P(Q,S) и R(Q,S),

если то существует функция f(Q, S) такая

, что df = PdQ + RdS.

 

Если эти условия соблюдены, то df называется точной дифференциал.

 

Если функция f(Q, S) однозначна; то есть, если для каждого набора значений Q и S существует одно и только одно значение f, тогда f изменяется как Q изменение S зависит только от начального и конечного значений Q и S.То есть мы можем написать

 

 

 

, в котором последнее выражение означает, что Df является функцией только Q ₁ , Q ₂ , S ₁ и S ₂ .

 

Линейные интегралы

Другой способ, которым мы могли бы оценить изменения в функции f, состоит в том, чтобы интегрировать дифференциал. Мы можем написать

 

 

Поскольку дифференциал df точен, этот интеграл будет зависеть только по S ₁ , Q ₁ , S ₂ и Q ₂ . Есть бесконечное количество способов, которыми мы можем перейти от S ₁ , Q ₁ к S ₂ , Q ₂ , поскольку они полностью независимые переменные.Для Например, мы можем удерживать S постоянным на уровне S ₁ , изменяя Q с Q ₁ на Q ₂ , и удерживать Q постоянной при Q ₂ при изменении S от S ₁ до S ₂ .

 

 

Это называется путем. То интеграл от бесконечно малой величины вдоль такого пути называется линией интеграл. Вид интегралов будет разным для разных путей, но линейный интеграл точного дифференциал зависит только от начального и конечного значений независимых переменных, а не по пути интегрирования.

 

 

Позволяет проверить дифференциал на точность.

Пример 1

 

 

Пример 2: Показать, что дифференциал dV _m молярного объема идеального газа является точным дифференциал.

 

Сначала запишите дифференциальное выражение.

 

 

 

Тогда возьмите первый частные производные

 

 

Наконец-то возьмем вторые частные производные

 

Они равны, поэтому V _m — точный дифференциал. Поэтому V _m является функцией состояния и зависит только от начальное и конечное состояние.

 

 

Мы будут использовать некоторые другие соотношения (тождества) для частных производных (стр. 906).

 

Функции состояния и точные дифференциалы

 

 

 

 

 

 

 

 

dU зависит только от начальное и конечное состояния.ДУ точно. q это сумма индивидуальных вкладов тепло, передаваемое в каждой точке пути. дк неточно.

 

 

Расчет работы, тепла и внутренней энергии

Рассмотрим идеальный газ внутри цилиндра, снабженного поршень. Пусть начальное состояние равно T _, V _i и конечное состояние быть T _, V _f . Изменение состояния может быть вызвано многими способами, двумя из них: Путь 1, в котором происходит необратимое изотермическое расширение против постоянного давления; Путь 2, в котором есть обратимый, изотермический расширение.Вычислите w, q и DU для каждого пути.

ДУ = q + w

ДЕ = 0 для любого изотермического превращения идеального газа.

д = -ш

 

Путь 1. необратимый

w = -p _ex dV поэтому q = + p _ex dV

Путь 2. реверсивный

 

Мы видим, что DU одинаков для всех путей, но q и w отличаются путями 1 и 2.

 

 

 

 

 

Изменения внутренней энергии

Для замкнутая система, постоянное n, U является функцией объема и температуры. Теперь предположим, что V и T изменяются бесконечно мало

 

 

 

Внутренний давление является мерой прочности сил сцепления образца (межмолекулярных силы)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иллюстрация

Для аммиака, p _T = 840 Па при 300 К и 1.0 бар, а С _В,м = 27,32 Дж К ^-1 моль ^-1 . Изменение молярной внутренней энергии аммиак при нагревании до 2,0 К и сжатии до 100 см ³ составляет ~

 

 

 

Примечание что терм нагрева преобладает над внутренней энергией

 

 

Изменения внутренней энергии при постоянном давлении

Как внутренняя энергия зависит от температуры, когда давление системы постоянна.

 

 

 

Разделите обе стороны на dT и введите постоянное давление, чтобы получить

 

 

 

 

 

Определение коэффициента расширения , a

дает

 

Большое значение означает, что громкость сильно реагирует на изменения температуры.

 

 

Пример — использование коэффициента расширения газа

 

Выведите выражение для коэффициента расширения идеального газ.

 

 

 

 

внутреннее давление идеального газа равно нулю, невзаимодействует.

 

 

 

15.1 Первый закон термодинамики – College Physics, главы 1–17

Пример 1: Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

U производится двумя разными процессами

(a) Предположим, что системе передается теплота 40,00 Дж, в то время как система совершает работу 10,00 Дж. Затем из системы передается 25,00 Дж тепла, а над системой совершается работа 4,00 Дж. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

б) Как изменится внутренняя энергия системы, если всего 150.00 Дж теплопередачи происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы совершается над системой? (См. рис. 3).

Стратегия

В части (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную по данной информации. Затем можно использовать первый закон термодинамики[латекс]\boldsymbol{(\Delta{U}=QW)}[/latex] для нахождения изменения внутренней энергии. В части (b) даны чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

Решение для (а)

Чистая теплопередача представляет собой теплопередачу в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

[латекс]\boldsymbol{Q=40.00\textbf{J}-25.00\textbf{J}=15.00\textbf{J}}.[/latex]

Аналогично, общая работа равна работе, выполненной системой, за вычетом работы, выполненной системой, или

.

[латекс]\boldsymbol{W=10.00\textbf{J}-4.00\textbf{J}=6.00\textbf{J}}.[/latex]

Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

[латекс]\boldsymbol{\Delta{U}=QW=15.00\textbf{J}-6.00\textbf{J}=9.00\textbf{J}}.[/latex]

Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов.Во-первых, рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на выходе, или

.

[латекс]\boldsymbol{\Delta{U}_1=Q_1-W_1=40,00\textbf{J}-10,00\textbf{J}=30,00\textbf{J}}.[/latex]

Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплопередачи на выходе и 4,00 Дж работы на входе, или

.

[латекс]\boldsymbol{\Delta{U}_2=Q_2-W_2=-25.00\textbf{J}-(-4.00\textbf{J})=-21.00\textbf{J}}.[/latex]

Общее изменение равно сумме этих двух шагов или

[латекс]\boldsymbol{\Delta{U}=\Delta{U}_1+\Delta{U}_2=30.00\textbf{J}+(-21.00\textbf{J})=9.00\textbf{J}}.[/latex]

Обсуждение (а)

Независимо от того, смотрите ли вы на общий процесс или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

Раствор для (б)

Здесь чистая теплопередача и общая работа даны непосредственно как },[/latex]так что

[латекс] \boldsymbol{\Delta{U}=QW=-150.00\textbf{J}-(-159.00\textbf{J})=9.00\textbf{J}}.[/latex]

Обсуждение (б)

Совсем другой процесс в части (b) приводит к тому же изменению внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение системы в обеих частях связано с [латексом]\boldsymbol{\Delta{U}}[/latex], а не с отдельным [латексом]\boldsymbol{Q}\text{s}[/latex]. ]или[латекс]\жирныйсимвол{W}\текст{ы}[/латекс] вовлечены. Система оказывается в одном и том же состоянии как в (a), так и в (b).Части (а) и (б) представляют два разных пути, по которым система должна следовать между одними и теми же начальной и конечной точками, и изменение внутренней энергии для каждого одинаково — оно не зависит от пути.

.