Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Термодинамическая система. Внутренняя энергия и способы её изменения. Температура и тепловое равновесие

Молекулярная физика и термодинамика

Термодинамическая система. Внутренняя энергия и способы её изменения

План урока

  • Термодинамическая система
  • Внутренняя энергия
  • Изменение внутренней энергии
  • Первый закон термодинамики

Цели урока

  • Знать, что такое термодинамика и термодинамическая система
  • Знать, что такое внутренняя энергия
  • Знать способы изменения внутренней энергии
  • Знать первый закон термодинамики

Разминка

  • Перечислите основные положения молекулярно-кинетической теории?
  • Как найти количество вещества?
  • Что называют молярной массой?

Термодинамическая система

 

Любой макроскопический объект (стол, кружка, машина, человек) состоит из огромного количества молекул. Если пытаться описать поведение каждой молекулы по-отдельности, то потребуется огромное количество уравнений, с которыми не справится ни один суперкомпьютер. В связи с чем, в термодинамике мы будем рассматривать макроскопическое тело как единую систему, вводя термодинамические параметры, которые описывают всю систему в целом.


Термодинамика – это теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел.


Рис. 1. Термодинамическая система Рис. 1. Термодинамическая система

Для описания явлений в термодинамике используется понятия «термодинамическая система» и «термодинамической процесс». Совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой. Любое изменение, происходящее в термодинамической системе, называется термодинамическим процессом. 


Совокупность очень большого числа частиц называют термодинамической системой . Для описания свойств таких систем используют термодинамические параметры (макропараметры): давление P, объем V, температуру T и др.

 

Термодинамический процесс  – это такой процесс, при котором хотя бы один макропараметр термодинамической системы изменяется.


Приведем примеры термодинамических систем. Термодинамической системой будут являться и деревянный брусок, и газ в сосуде, и жидкость в мензурке и другие тела, окружающие нас в обычной жизни.

 

Главное содержание термодинамики состоит в двух её началах (законах) – первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же устанавливает направление возможных энергетических превращений в природе. Также существует нулевой и третий законы термодинамики, о которых будет упомянуто в следующем параграфе.

 

Внутренняя энергия

 

Понятно, что при протекании любого термодинамического процесса, молекулы системы будут взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой, тем самым изменяя свою энергия. Чтобы отследить общее энергетическое изменение термодинамической системы, введем новую физическую величину – внутренняя энергия U.


С позиций молекулярно-кинетической теории  внутренняя энергия U  – это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц П, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения K.

 

U=K+П


Одним из основных законов физики, установленных на основе опытов и наблюдений, является закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется так: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной: 

 

U=const или U=0.

 

Изменение внутренней энергии

 

Два способа изменения внутренней энергии – теплопередача и совершение механической работы . Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. При механическом взаимодействие тел мерой энергии, переданной от одного тела к другому, является работа A

 

Uконеч=Uнач+A.
 

При осуществлении теплопередачи от одного тела к другому мерой переданной энергии является количество теплоты Q

 

Uконеч=Uнач+Q.
 

Совершение механической работы называется макроскопическим способом передачи энергии, а теплопередача – микроскопическим.

 

Первый закон термодинамики

Рис. 2. Иллюстрация к примеру Рис. 2. Иллюстрация к примеру

Рассмотрим три тела – 1, 2 и 3. Пусть между телом 1 и телом 2 осуществляется теплопередача, а между телом 1 и телом 3 происходит механическое взаимодействие (см. рис. 1). При теплопередаче количества теплоты Q внутренняя энергия тела 2 изменится на U2=-Q, а внутренняя энергия тела 3 в результате совершения работы изменится на U3=-A. В результате теплопередачи и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трех тел изменится, но в изолированной термодинамической системе, в которую входят все три тела, по закону сохранения и превращения энергии внутренняя энергия U остается неизменной. Следовательно, сумма изменений внутренней энергии тел 1, 2 и 3 равна нулю:

U1+U2+U3=0.

 

Выразим отсюда изменение внутренней энергии тела 1:

 

U1=-U2-U3;

 

U1=Q+A.

 

Так как тело 1 является неизолированной термодинамической системой, можно сделать общий вывод, который носит название первого закона термодинамики. 


Первое начало (закон) термодинамики

 

Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

 

U=Aвн+Q.


Первое начало термодинамики часто называют законом сохранения энергии в природе. Энергия не может появиться из ничего или исчезнуть бесследно. Возможен лишь ее переход от одного тела к другому или из одного вида в другой.


Cформулируем альтернативную версию первого закона термодинамики: в неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии U равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A, совершаемой системой: 

 

U=Q-A.


A – работа, совершаемая системой над внешними телами: Aвн=-A.


В дальнейшем при решении задач на первый закон термодинамики будет удобна следующая запись: 

 

Q=U+A.


Пример 1

 

Определите изменение внутренней энергии газа, если в результате адиабатного процесса газ, расширяясь, совершил работу 4 кДж.


Решение
 

1. Адиабатным называется процесс, в котором отсутствует теплообмен с окружающей средой. Иными словами, количество теплоты, переданное газу равно нулю: Q = 0. В последующих главах адиабатный процесс мы разберем подробнее.

 

2. Запишем первый закон термодинамики, учитывая, что газ сам совершает работу:
 

U=0-A=-4 кДж.

 

Ответ: U=-4 кДж.


Упражнение 1

 

1. Газу передали количество теплоты 8 кДж, при этом его внутренняя энергия изменилась на 3 кДж. Какую работу совершил газ?
 

2. Телу сообщили количество теплоты, равное 600 Дж. Одновременно над ним совершили работу 400 Дж. Определите изменение внутренней энергии тела.


Контрольные вопросы

 

1. Что такое термодинамика?
2. Что называют термодинамической системой?
3. Что называют внутренней энергией тела?
4. При каких условиях можно изменить внутреннюю энергию тела?
5. Сформулируйте первый закон термодинамики.


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. 5 кДж.

 

2. 1 кДж.


Предыдущий урок
Объединённый газовый закон. Уравнение состояния идеального газа
Молекулярная физика и термодинамика
Следующий урок
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
Молекулярная физика и термодинамика
  • Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Испарение и конденсация. Насыщенный пар. Влажность. Кипение

    Физика

  • Предмет органической химии

    Химия

  • Конденсаторы. Ёмкость плоского конденсатора. Энергия электрического поля

    Физика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке