Question

При описании какого явления важна кинетическая составляющая внутренней энергии?

Answer 1

Когда скользящая по льду шайба останавливается под действием силы трения, то ее механическая (кинетическая) энергия не просто исчезает, а передается беспорядочно движущимся молекулам льда и шайбы. Неровности поверхностей трущихся тел деформируются при движении, и интенсивность беспорядочного движения молекул возрастает. Оба тела нагреваются, что и означает увеличение их внутренней энергии.

Нетрудно наблюдать и обратный переход внутренней энергии в механическую. Если нагревать воду в пробирке, закрытой пробкой, то внутренняя энергия воды и внутренняя энергия пара начнут возрастать. Давление пара увеличится настолько, что пробка будет выбита. Кинетическая энергия пробки увеличится за счет внутренней энергии пара. Расширяясь, водяной пар совершает работу и охлаждается. Его внутренняя энергия при этом уменьшается.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).

Вычислить внутреннюю энергию тела (или ее изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положения относительно друг друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или ее изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.

Наиболее прост по своим свойствам одноатомный газ, состоящий из отдельных атомов, а не молекул. Одноатомными являются инертные газы - гелий, неон, аргон и др. Вычислим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа.

Так как молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, то их потенциальная энергия равна нулю. Вся внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией беспорядочного движения его молекул.

Для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа массой m нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома на число атомов . Учитывая, что kNA=R, получим формулу для внутренней энергии идеального газа:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

Изменение внутренней энергии идеального газа равно

, т.е. определяется температурами начального и конечного состояний газа и не зависит от процесса.

Если идеальный газ состоит из более сложных молекул, чем одноатомный, то его внутренняя энергия также пропорциональна абсолютной температуре, но коэффициент пропорциональности между U и T другой. Объясняется это тем, что сложные молекулы не только движутся поступательно, но и вращаются. Внутренняя энергия таких газов равна сумме энергий поступательного и вращательного движений молекул.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров

Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра - температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потенциальная энергия взаимодействия его молекул равна нулю.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Правда, для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твердых и жидких тел сравнима с ней.

Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул газа зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия реального газа в термодинамике в общем случае зависит, наряду с температурой T, и от объема V.

Значения макроскопических параметров (температуры T, объема V и др.) однозначно определяют состояние тел. Поэтому они определяют и внутреннюю энергию макроскопических тел.

Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: температурой и объемом.
   В основе термодинамики лежит понятие внутренней энергии. Эта энергия зависит от макроскопических параметров: температуры и объема.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его

На сегодняшнем уроке мы с вами расширили свои знания о внутренней энергии. Теперь давайте закрепим материал и вспомним определение, что же называется внутренней энергией. Внутренней энергией называют такую энергию тела, с помощью которой появляется возможность совершать механическую работу, не вызывая спада механической энергии этого тела.

Answer 2

Кинетическая составляющая внутренней энергии является важной при описании теплового движения и теплопередачи в системе.

Тепловое движение представляет собой хаотическое движение атомов и молекул вещества. Каждая молекула имеет кинетическую энергию, которая связана с ее скоростью. Когда температура вещества повышается, скорости молекул также увеличиваются, и их кинетическая энергия возрастает.

Кинетическая энергия молекул и атомов вещества связана с его температурой по формуле классической термодинамики:

$E_k = \frac{3}{2} k_B T$

где $E_k$ - кинетическая энергия одной молекулы, $k_B$ - постоянная Больцмана, $T$ - абсолютная температура.

Кинетическая энергия молекул определяет такие феномены, как:

1. Теплопроводность: Передача тепла веществом происходит за счет столкновений молекул и передачи ими кинетической энергии.

2. Расширение тел: При нагревании тело расширяется из-за увеличения средней кинетической энергии молекул.

3. Фазовые переходы: Изменения внутренней энергии и кинетической энергии молекул определяют, какой фазе (твердой, жидкой или газообразной) будет находиться вещество.

Таким образом, кинетическая составляющая внутренней энергии играет ключевую роль в объяснении многих термодинамических явлений и поведения вещества при изменении температуры.