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: Изменение внутренней энергии в общем случае. Закон сохранения внутренней энергии при тепловых процессах

Молекулярная физика и термодинамика

20.02.2024
1335
0

Изменение внутренней энергии в общем случае. Закон сохранения внутренней энергии при тепловых процессах

План урока

  • Изменение внутренней энергии в различных процессах
  • Первый закон термодинамики

Цели урока

  • знать два возможных способа изменения внутренней энергии термодинамической системы; универсальную запись первого закона термодинамики, правила расставления знаков перед работой и количеством теплоты; физический смысл первого закона термодинамики
  • уметь использовать первый закон термодинамики для описания различных процессов

Разминка

  • Как изменяется внутренняя энергия открытой термодинамической системы, если внешняя среда имеет меньшую температуру?
  • Можно ли одновременно сообщить телу тепло и совершить над ним работу?
  • Что произойдёт со внутренней энергией системы, если она совершит работу и вступит в контакт с менее нагретым телом?

Изменение внутренней энергии в различных процессах

Как вам стало известно, внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:

  1. Совершив механическую работу;
  2. Передав системе некоторое количество теплоты.

Перечисленные процессы могут происходить одновременно. Представьте надутый воздушный шарик: он наполнен воздухом, который состоит из огромного количества молекул. Будем рассматривать шарик как термодинамическую систему. Если взять его в руки и начать сжимать, то, во-первых, мы совершим работу A над системой — нам уже известно, что это приведёт к увеличению внутренней энергии; во-вторых, тепло рук будет передаваться более холодному веществу шарика — система получит некоторое количество теплоты Q, что также приведёт к увеличению внутренней энергии рассматриваемой системы.

 

В данном случае начальная внутренняя энергия системы Uн увеличится на величину совершенной над ней работы A и на величину полученной тепловой энергии Q, следовательно, конечную внутреннюю энергию системы можно найти по формуле:

 

Uк = Uн + A + Q.

 

Рассмотрим другой пример: представим бутылку с тёплой газировкой, закрытую пробкой. Пусть температура окружающей среды меньше температуры газа, удерживаемого в сосуде. Если давление внутри бутылки резко возрастёт, газ может вытолкнуть пробку, совершив при этом механическую работу А вдобавок после открытия бутылки газ начнёт контактировать с более холодным окружающим воздухом, отдавая ему часть своего тепла Q. В этом случае начальная внутренняя энергия газа Uн уменьшится на величину совершенной им работы А и на величину отданной тепловой энергии Q:

 

Uк = Uн - A - Q.

 

Если взять тот же пример, но представить, что температура окружающего воздуха выше, чем температура высвобождаемых газов, то рассматриваемый газ будет наоборот получать тепло Q, тогда формула примет следующий вид:

 

Uк = Uн - A + Q.

 

Наконец, может быть такая ситуация, когда над системой совершается работа A и одновременно система теряет некоторое количество теплоты Q. В этом случае конечную внутреннюю энергию термодинамической системы можно найти по формуле:

 

Uк = Uн + A - Q.

Первый закон термодинамики

Все приведённые выше уравнения можно записать в общем виде:

 

Uк = Uн ± A ± Q.

 

Uк [Дж] — конечная внутренняя энергия термодинамической системы
Uн [Дж] — начальная внутренняя энергия термодинамической системы
А [Дж] — работа
Q [Дж] — количество теплоты

 

Уравнение представляет собой математическую запись закона сохранения энергии в тепловых процессах и называется первый закон термодинамики.

 

Знаки перед работой A и количеством теплоты Q выставляются с учётом правил знаков, рассмотренных в предыдущих параграфах, напомним их:

 

+ А — если работа совершается над телом;
– А — если тело совершает работу;
+ Q — если термодинамическая система получает тепло;
– Q — если термодинамическая система отдаёт тепло.

 

Формула позволяет рассчитать, как изменилась внутренняя энергия термодинамической системы в абсолютно любом процессе; она показывает, что для изменения внутренней энергии системы необходимо или совершить работу, или сообщить телу некоторое количество теплоты.


Первый закон термодинамики

Внутренняя энергия термодинамической системы может измениться только в результате совершения работы или в процессе теплопередачи:

 

Uк = Uн ± A ± Q.


Из всего вышесказанного следует важнейший вывод: энергия не появляется из ничего и не исчезает бесследно, она может лишь переходить из одного вида в другой или от одного тела к другому, что подтверждает фундаментальный закон природы — закон сохранения энергии.


Закон сохранения энергии

Энергия не появляется из ничего и не исчезает бесследно, она может лишь переходить из одного вида в другой или от одного тела к другому.


Пример 1

 

Газ, имеющий внутреннюю энергию U0 = 45 кДж, поглотил количество теплоты Q = 80 кДж и расширился. Определите работу, совершённую газом, если конечное значение внутренней энергии равно Uкон = 60 кДж.


Решение
 

1. Запишем первый закон термодинамики с учётом знаков. Так как газ поглощает тепло, то Q > 0; так как газ сам расширяется, то A < 0.

 

Uкон= U0 - A + Q

 

2. Выражаем и находим A:

 

A =-Uкон + U0 + Q = 65 кДж.

 

Ответ: A = 65 кДж.


Итоги

 

  • Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершив работу или в результате теплопередачи.
  • Величина внутренней энергии изменяется на величину совершённой работы и полученной теплоты.
  • Любой процесс, происходящий с термодинамической системой, можно описать с помощью первого закона термодинамики Uк = Uн ± A ± Q, где A > 0, если над телом совершается работа; A < 0, если тело совершает работу; Q > 0, если тело или система тел получает тепло; Q < 0, если тело или система тел отдаёт тепло.


Контрольные вопросы

 

1. Приведите пример, когда система совершает отрицательную работу и одновременно получает некоторое количество теплоты.
2. Сформулируйте первый закон термодинамики и правила знаков.
3. В чём заключается закон сохранения энергии?


Предыдущий урок
Основы термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы. Изменение внутренней энергии термодинамической системы в результате совершения работы. Изменение внутренней энергии термодинамической системы в результате теплообмена
Молекулярная физика и термодинамика
Следующий урок
Теплоёмкость тела. Удельная теплоёмкость
Молекулярная физика и термодинамика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Эксперименты Кулона. Закон Кулона. Сложение электрических сил

    Физика

  • Витамины и их роль в организме. Регуляция обмена веществ. Нарушение обмена веществ

    Биология

  • Начало правления Екатерины II. Уложенная комиссия

    История

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