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

Изменение внутренней энергии при совершении положительной работы

Изменить внутреннюю энергию термодинамической системы можно двумя способами. Рассмотрим один из них.

Если несильно толкнуть ногой футбольный мяч, он покатится по земле, постепенно теряя свою скорость, и в конце концов остановится. Рассмотрим превращения механической энергии в данном процессе: в начале наблюдения мячу сообщили некоторую скорость, следовательно, он обладал кинетической энергией. В результате работы силы трения при движении тела по земле, кинетическая энергия мяча уменьшилась вплоть до нуля — он остановился. Что произошло с начальным запасом энергии, которую мы передали мячу в результате толчка? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим другой пример.

Рис. 1. Увеличение внутренней энергии за счёт трения

Древние люди разводили огонь, используя трение двух сухих досок друг о друга. При перемещении дощечек относительно друг друга место контакта может нагреться до достаточной температуры, чтобы дерево воспламенилось (рис. 1). Вам уже известно, что с ростом температуры увеличивается скорость теплового движения молекул. Следовательно, при нагревании деревянных палок увеличилась скорость хаотического движения молекул, а вместе с этим возросла их кинетическая энергия. Таким образом, работа силы трения привела к росту кинетической энергии молекул и, как следствие, к увеличению внутренней энергии данной термодинамической системы.

Таким образом, механическая энергия футбольного мяча из первого примера не пропала бесследно, она перешла во внутреннюю энергию молекул мяча и поверхности: кинетическая энергия тела перешла в кинетическую энергию молекул, из которых оно состоит.

Механическая энергия может переходить и в потенциальную энергию взаимодействия частиц, например, при трении двух кусочков льда друг о друга они начнут таять. В данном случае в результате работы силы трения возросла кинетическая энергия молекул — место контакта нагрелось, а также увеличилась потенциальная энергия молекул: вода перешла из твёрдого состояния в жидкое — изменилось расстояние между молекулами — увеличилась потенциальная энергия их взаимодействия.

Чтобы вычислить конечную внутреннюю энергию тела U_к, необходимо к начальной внутренней энергии U_н прибавить работу, совершённую над телом. Если работа совершается над телом, то говорят, что совершается положительная работа.

$U_{\mathrm{к}} = U_{\mathrm{н}} + A$

Изменение внутренней энергии при совершении отрицательной работы

Работа может совершаться не только над телом, но и самим телом.

Рис. 2. Воздух совершает работу за счёт убыли внутренней энергии

Например, если взять сосуд и с помощью насоса накачивать в него воздух, через некоторое время давление в сосуде поднимется настолько, что газ вытолкнет пробку (рис. 2). 
В этот момент в сосуде появится туман — образование тумана свидетельствует о том, что температура в сосуде резко упала. Газ в данном случае совершил работу — вытолкнул пробку, понижение температуры свидетельствует об уменьшении внутренней энергии газа.

Для совершения работы телу необходимо потратить часть своей внутренней энергии, поэтому, если рассматриваемое тело совершает работу, то говорят, что совершается отрицательная работа. Величина внутренней энергии в данном случае уменьшится на величину совершённой работы, работа А в формуле будет иметь знак «минус»:

$U_{\mathrm{к}} = U_{\mathrm{н}}- A$.

Запишем уравнения в общем виде:

$U_{\mathrm{к}} = U_{\mathrm{н}} \pm A$.

U_к [Дж] — конечная внутренняя энергия термодинамической системы;

U_н [Дж] — начальная внутренняя энергия термодинамической системы;
А [Дж] — работа.
+А — если работа совершается над телом;
−А — если тело совершает работу.

Пример решения задачи