Внутренняя энергия идеального газа

Физика > Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия – сумма всей кинетической и потенциальной энергий в пределах системы.

Задача обучения

• Перевести внутреннюю энергию в термины кинетической и потенциальной.

Основные пункты

• Система не вмещает «тепло», зато обладает общим количеством внутренней энергии.
• Внутренней называют необходимую для формирования системы энергии, минус количество, которое понадобится для смещения ее окружения.
• Чаще всего мы зацикливаемся на переменах во внутренней энергии, а не на ней самой.
• Первый закон термодинамики (dU = ΔQ - ΔW) характеризует перемены во внутренней энергии.

Термины

• Изолированная система – лишена контакта с окружающей средой (полная энергия и масса – постоянны).
• Внутренняя энергия – сумма всей присутствующей энергии в системе. Это количество, которое нужно, чтобы сформировать систему, за исключением той, что понадобится для смещения окружения.

Внутренняя энергия

Благодаря Джеймсу Джоулю мы увидели, что тепло и работа способны также менять внутреннюю энергию через принцип механической эквивалентности тепла. Нет никакого смысла рассуждать о жаре, которая может вмещаться в системе. Но она владеет определенным количеством энергии – внутренняя. Это величина, которая будет меняться, если добавить или отнять работу и тепло. Наделена тесной связью с температурой.

Определение

Внутренней именуют энергию, которая необходима для формирования системы, за исключением того количества, что расходуется на смещение окружения. Состоит из двух компонентов: кинетической и потенциальной энергий. Кинетическая представлена всеми энергиями, среди которых и перемещающиеся элементы (трансляция, вибрация и вращение). Потенциальная основывается на статических веществах. Их формула:

U = U_{кинетическая} + U_{потенциальная}.

Можно воспринимать внутреннюю энергию как сумму всех энергетических состояний каждого компонента в системе:

U = Σ_iE_i.

При любом финальном температурном показателе эти две энергии трансформируются друг в друга, но полная останется постоянной в пределах изолированной системы. Можно использовать статическую механику для того, чтобы связать случайные перемещения элементов, а значит и вычислить температуру.

Внутренняя энергия зависит от размера системы и количества вещества. Чаще всего мы не зацикливаемся на общем количестве внутренней энергии, потому что не совсем удобно рассматривать все влияющие энергии. Выражается через формулу:

ΔU = Q + W_мех + W_другие (Q – добавленное к системе тепло, а W_мех – механическая работа, выполняемая средой из-за перемены давления или объема).

Можно рассчитать небольшие перемены во внутренней энергии, если рассмотреть количество тепла δQ, добавленного в систему, за вычетом бесконечно малого количества работы δW:

dU = δQ – δW.

Это первый закон термодинамики.

---