Как поступить
в Онлайн-школу №1 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: 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

Внутренняя энергия термодинамической системы

План урока

  • Термодинамическая система как объект изучения
  • Внутренняя энергия термодинамической системы

Цели урока

  • Знать: определения термодинамической системы и внутренней энергии тела; от чего зависит кинетическая энергия молекул; от чего зависит потенциальная энергия молекул
  • Уметь: объяснять, как изменяется внутренняя энергия тела в различных процессах

Разминка

  • Что такое механическая энергия тела?
  • От чего зависит потенциальная энергия тела, как ее можно рассчитать?
  • Обладает ли молекула энергией?

Термодинамическая система как объект изучения

 

Вам уже известно, что любое физическое тело можно рассматривать как систему, которая состоит из непрерывно движущихся, взаимодействующих между собой частиц – молекул или атомов. Молекулы могут взаимодействовать с частицами внешней среды, не входящими в данную систему, в результате чего энергия рассматриваемой системы может измениться. Изучением подобных взаимодействий занимается специальный радел физики – термодинамика, а рассматриваемые системы называются термодинамическими.


Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами.


Состояние термодинамической системы в любой момент времени описывают термодинамические величины, к которым относятся давление, объем, температура и другие.

 

Внутренняя энергия термодинамической системы

 

Из курса механики вы уже знаете, что движущиеся тела обладают кинетической энергией Екин, два взаимодействующих тела – потенциальной энергией Епот. Полная механическая энергия тела представляет собой их сумму: Е = Екин + Епот.

Рис. 1. Пуля, обладающая кинетической энергией Рис. 1. Пуля, обладающая кинетической энергией

Вспомним, что кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату скорости и находится по следующей формуле: Eкин=m·υ22. Тело, обладающее кинетической энергией, может совершать работу, пока полностью не потеряет скорость. Так, летящая на большой скорости пуля расходует свою кинетическую энергию на преодоление сил сопротивления воздуха и поражение цели (рис. 1).

Рис. 2. Вода, обладающая потенциальной энергией Рис. 2. Вода, обладающая потенциальной энергией

Тела, обладающие потенциальной энергией, также могут совершать работу. Камень, удерживаемый на некоторой высоте над землей, обладает энергией Eпот=m·g·h. Соответственно, падая на землю он может совершить работу, численно равную этой энергии, например, чтобы разбить кокос. Вода, удерживаемая плотиной, обладает огромным запасом потенциальной энергии – эту энергию используют для получения электроэнергии (рис. 2).

При изучении данных понятий физические тела рассматривались как единое целое: все точки системы двигались с одной скоростью и в одном направлении. Термодинамика описывает движение и взаимодействие частиц, из которых состоит тело. Так как молекулы любого тела находятся в непрерывном движении, они тоже обладают кинетической энергией Eкин мол. Здесь кинетическая энергия не зависит от скорости самого тела, но зависит от средней скорости молекул, из которых оно состоит. Также известно, что молекулы взаимодействуют между собой, значит, они обладают потенциальной энергией Eпот мол. Эта энергия не зависит от положения тела относительно земли, но зависит от расстояния между молекулами. Сумма этих энергий называется внутренней энергией тела U:

 

U=Eкин мол+Eпот мол


Внутренняя энергия термодинамической системы – это сумма кинетических энергий теплового движения всех молекул и потенциальных энергий их взаимодействия.


Рис. 3. Если придать мячу скорость, его кинетическая энергия увеличится, однако кинетическая энергия молекул при этом не изменится Рис. 3. Если придать мячу скорость, его кинетическая энергия увеличится, однако кинетическая энергия молекул при этом не изменится

Покоящееся тело не обладает кинетической энергией Екин = 0. Но молекулы этого тела непрерывно движутся, следовательно, кинетическая энергия молекул нулю не равна Eкин мол > 0. Если привести тело, находившееся в покое, в движение (рис. 3), его кинетическая энергия увеличится, однако скорость молекул при неизменной температуре останется постоянной – кинетическая энергия молекул не изменится Eпот мол = const. Кинетическая энергия молекул зависит от температуры: с ростом температуры увеличивается скорость хаотического движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия.


Кинетическая энергия молекул определяется только скоростью хаотического движения молекул и не зависит от скорости самого тела. Кинетическая энергия молекул увеличивается при повышении температуры тела.


Если поднять тело на некоторую высоту над Землей, потенциальная энергия тела возрастет, тогда как потенциальная энергия молекул при этом не изменится: Eпот мол = const. С другой стороны, если нагреть твердое тело, оно увеличится в объеме – увеличится расстояние между молекулами, потенциальная энергия молекул при этом возрастет, но потенциальная энергия тела не изменится, так как положение тела относительно Земли останется прежним.


Потенциальная энергия молекул определяется только взаимным положением молекул и не зависит от положения тела в пространстве.


Итоги

 

  • Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами;
  • Внутренняя энергия термодинамической системы – это сумма кинетических энергий теплового движения всех молекул и потенциальных энергий их взаимодействия: U=Eкин мол+Eпот мол;
  • Кинетическая энергия молекул определяется только скоростью хаотического движения молекул и не зависит от скорости самого тела; кинетическая энергия молекул увеличивается при повышении температуры тела;
  • Потенциальная энергия молекул определяется только взаимным положением молекул и не зависит от положения тела в пространстве.


Контрольные вопросы

 

1. Что такое термодинамическая система?
2. Что такое внутренняя энергия тела?
3. Приведите пример процесса, в котором изменяется кинетическая энергия тела, но не меняется кинетическая энергия молекул.


Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда. Электроскоп

Электростатика
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Век демократизации. «Великие идеологии»

    История