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

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 произойдет 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 приведет к увеличению внутренней энергии; во-вторых, тепло рук будет передаваться более холодному веществу шарика – система получит некоторое количество теплоты Q, что также приведет 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 теплой газировкой, закрытую пробкой. Пусть температура окружающей среды меньше температуры газа, удерживаемого в сосуде. Если давление внутри бутылки резко возрастет, газ может вытолкнуть пробку, совершив при этом механическую работу А, вдобавок, после открытия бутылки газ начнет 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 приведенные 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 учетом 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 отдает 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 совершенной 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 отдает 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 чем заключается закон сохранения энергии?


Предыдущий урок
Удельная теплота сгорания топлива
Молекулярная физика и термодинамика
Следующий урок
Температура и тепловое равновесие. Измерение температуры. Термометр
Молекулярная физика и термодинамика
  • Compound adjectives. Составные прилагательные

    Английский язык

  • Понятие об обмене веществ

    Биология

  • Понятие о природном территориальном комплексе

    География

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