Energia interna. Formas de mudar a energia interna

Energia interna do corpo não pode ser uma constante. Pode mudar em qualquer corpo. Se você aumentar a temperatura corporal, sua energia interna aumentará, porque. a velocidade média das moléculas aumentará. Assim, a energia cinética das moléculas do corpo aumenta. Por outro lado, à medida que a temperatura diminui, a energia interna do corpo diminui.

Podemos concluir: a energia interna do corpo muda se a velocidade das moléculas muda. Vamos tentar determinar por qual método é possível aumentar ou diminuir a velocidade do movimento das moléculas. Considere a seguinte experiência. Fixamos um tubo de latão de parede fina no suporte. Encha o tubo com éter e feche-o com uma rolha. Em seguida, amarramos com uma corda e começamos a mover intensamente a corda em diferentes direções. Depois de um certo tempo, o éter ferverá e a força do vapor empurrará a rolha para fora. A experiência mostra que a energia interna de uma substância (éter) aumentou: afinal, ela mudou de temperatura durante a fervura.

O aumento da energia interna ocorreu devido ao trabalho realizado ao esfregar o tubo com uma corda.

Como sabemos, o aquecimento dos corpos também pode ocorrer durante impactos, flexão ou extensão, ou seja, durante a deformação. Em todos os exemplos dados, a energia interna do corpo aumenta.

Assim, a energia interna do corpo pode ser aumentada realizando trabalho sobre o corpo.

Se o trabalho for realizado pelo próprio corpo, sua energia interna diminui.

Vamos considerar outra experiência.

Em um recipiente de vidro, de paredes grossas e fechado com rolha, bombeamos o ar por um orifício feito especialmente para ele.

Depois de algum tempo, a rolha voará para fora do recipiente. No momento em que a rolha sai voando da embarcação, podemos observar a formação do nevoeiro. Portanto, sua formação significa que o ar na embarcação ficou frio. O ar comprimido, que está no vaso, ao empurrar a rolha para fora, realiza um certo trabalho. Ele realiza esse trabalho à custa de sua energia interna, que é reduzida ao mesmo tempo. É possível tirar conclusões sobre a diminuição da energia interna com base no resfriamento do ar no vaso. Nesse caminho, a energia interna do corpo pode ser alterada fazendo uma certa quantidade de trabalho.

No entanto, a energia interna pode ser alterada de outra maneira, sem realizar trabalho. Considere um exemplo, a água em uma chaleira que está no fogão ferve. O ar, assim como outros objetos na sala, são aquecidos por um radiador central. Nesses casos, a energia interna aumenta, porque. temperatura corporal aumenta. Mas o trabalho não está feito. Então concluímos uma mudança na energia interna pode ocorrer não devido à realização de um determinado trabalho.

Vamos considerar mais um exemplo.

Mergulhe uma agulha de metal em um copo de água. A energia cinética das moléculas de água quente é maior do que a energia cinética das partículas de metal frio. Moléculas de água quente irão transferir parte de sua energia cinética para partículas metálicas frias. Assim, a energia das moléculas de água diminuirá de certa forma, enquanto a energia das partículas de metal aumentará. A temperatura da água vai cair, e a temperatura dos raios lentamente, vai aumentar. No futuro, a diferença entre a temperatura da agulha e a da água desaparecerá. Devido a essa experiência, vimos uma mudança na energia interna de vários corpos. Nós concluimos: a energia interna de vários corpos muda devido à transferência de calor.

O processo de conversão de energia interna sem realizar um determinado trabalho no corpo ou no próprio corpo é chamado transferência de calor.

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Para resolver questões práticas, não é a própria energia interna que desempenha um papel significativo, mas sua mudança Δ você = você 2 - você 1 . A mudança na energia interna é calculada com base nas leis de conservação de energia.

A energia interna de um corpo pode mudar de duas maneiras:

1. Ao fazer Trabalho mecanico.

e se força externa causa uma deformação do corpo, então as distâncias entre as partículas que o compõem mudam e, conseqüentemente, a energia potencial da interação das partículas muda. Com deformações inelásticas, além disso, a temperatura do corpo muda, ou seja, a energia cinética do movimento térmico das partículas muda. Mas quando o corpo é deformado, é feito trabalho, que é uma medida da mudança na energia interna do corpo.

b) A energia interna de um corpo também muda durante sua colisão inelástica com outro corpo. Como vimos anteriormente, durante a colisão inelástica de corpos, sua energia cinética diminui, ela se transforma em energia interna (por exemplo, se você bater várias vezes em um fio que está na bigorna com um martelo, o fio vai esquentar). A medida da mudança na energia cinética de um corpo é, de acordo com o teorema da energia cinética, o trabalho das forças atuantes. Este trabalho também pode servir como uma medida de mudanças na energia interna.

c) A variação da energia interna do corpo ocorre sob a ação da força de atrito, pois, como se sabe por experiência, o atrito é sempre acompanhado por uma variação da temperatura dos corpos em atrito. O trabalho da força de atrito pode servir como uma medida da mudança na energia interna.

2. Usando transferência de calor. Por exemplo, se um corpo for colocado na chama de um queimador, sua temperatura mudará e, portanto, sua energia interna também mudará. No entanto, nenhum trabalho foi feito aqui, porque não havia movimento visível do próprio corpo ou de suas partes.

A variação da energia interna de um sistema sem realizar trabalho é chamada troca de calor(transferência de calor).

Existem três tipos de transferência de calor: condução, convecção e radiação.

a) condutividade térmicaé o processo de troca de calor entre corpos (ou partes do corpo) em seu contato direto, devido ao movimento caótico térmico das partículas do corpo. Amplitude de vibração de moléculas corpo sólido quanto mais, maior sua temperatura. A condutividade térmica dos gases se deve à troca de energia entre as moléculas dos gases durante suas colisões. No caso de líquidos, ambos os mecanismos funcionam. A condutividade térmica de uma substância é máxima no estado sólido e mínima no estado gasoso.

b) Convecçãoé a transferência de calor por fluxos aquecidos de líquido ou gás de uma parte do volume que ocupam para outra.

c) Transferência de calor em radiação realizada à distância por meio de ondas eletromagnéticas.

Vamos considerar com mais detalhes como mudar a energia interna.

Quantidade de calor

Como você sabe, durante vários processos mecânicos, há uma mudança na energia mecânica C. A medida da mudança na energia mecânica é o trabalho das forças aplicadas ao sistema:

Durante a transferência de calor, ocorre uma mudança na energia interna do corpo. A medida da mudança na energia interna durante a transferência de calor é a quantidade de calor.

Quantidade de caloré uma medida da mudança na energia interna durante a transferência de calor.

Assim, tanto o trabalho quanto a quantidade de calor caracterizam a mudança de energia, mas não são idênticos à energia interna. Eles não caracterizam o estado do sistema em si (como faz a energia interna), mas determinam o processo de transição de energia de uma forma para outra (de um corpo para outro) quando o estado muda e dependem essencialmente da natureza do processo.

A principal diferença entre trabalho e calor é que

§ trabalho caracteriza o processo de mudança da energia interna do sistema, acompanhado pela transformação de energia de um tipo para outro (de mecânico para interno);

§ a quantidade de calor caracteriza o processo de transferência de energia interna de um corpo para outro (do mais quente para o menos quente), não acompanhado de transformações de energia.

§ Capacidade de calor, a quantidade de calor gasta para alterar a temperatura em 1 ° C. De acordo com uma definição mais estrita, capacidade de calor- quantidade termodinâmica, determinada pela expressão:

§ onde Δ Q- a quantidade de calor comunicada ao sistema e que causou uma mudança em sua temperatura por Delta;T. Razão de diferença finita Δ Q/ΔT é chamado de média capacidade de calor, a razão de valores infinitesimais d Q/dT- verdadeiro capacidade de calor. Porque d Q não é um diferencial total da função de estado, então capacidade de calor depende do caminho de transição entre dois estados do sistema. Distinguir capacidade de calor sistema como um todo (J/K), específico capacidade de calor[J/(g K)], molar capacidade de calor[J/(mol K)]. Todas as fórmulas abaixo usam valores molares capacidade de calor.

Pergunta 32:

A energia interna pode ser alterada de duas maneiras.

A quantidade de calor (Q) é a mudança na energia interna do corpo que ocorre como resultado da transferência de calor.

A quantidade de calor é medida no sistema SI em joules.
[Q] = 1J.

A capacidade de calor específico de uma substância mostra quanto calor é necessário para alterar a temperatura de uma unidade de massa de uma determinada substância em 1°C.
Unidade calor específico no sistema SI:
[c] = 1J/kg graus C.

Pergunta 33:

33 A primeira lei da termodinâmica, a quantidade de calor recebida pelo sistema vai mudar sua energia interna e fazer trabalho corpos externos. dQ=dU+dA, onde dQ é a quantidade elementar de calor, dA é o trabalho elementar, dU é o aumento da energia interna. Aplicação da primeira lei da termodinâmica a isoprocessos
Entre os processos de equilíbrio que ocorrem com sistemas termodinâmicos, existem isoprocessos, em que um dos principais parâmetros de estado é mantido constante.
processo isocórico (V= const). Diagrama deste processo (isócoro) em coordenadas R, Vé representado como uma linha reta paralela ao eixo y (Fig. 81), onde o processo 1-2 é o aquecimento isocórico, e 1 -3 - resfriamento isocórico. Em um processo isocórico, o gás não realiza trabalho em corpos externos, processo isotérmico (T= const). Como já mencionado § 41, o processo isotérmico é descrito pela lei de Boyle-Mariotte
, para que a temperatura não diminua durante a expansão do gás, é necessário fornecer ao gás uma quantidade de calor equivalente a Trabalho externo extensões.

Pergunta 34:

34 Adiabáticoé chamado de processo no qual não há troca de calor ( dQ= 0) entre o sistema e meio Ambiente. Os processos adiabáticos incluem todos os processos rápidos. Por exemplo, o processo de propagação do som em um meio pode ser considerado um processo adiabático, pois a velocidade de propagação de uma onda sonora é tão alta que a troca de energia entre a onda e o meio não tem tempo para ocorrer. Processos adiabáticos são usados ​​em motores combustão interna(expansão e compressão da mistura combustível em cilindros), em unidades de refrigeração, etc.
Da primeira lei da termodinâmica ( dQ= d U+dA) para um processo adiabático segue que
p /С V =γ , encontramos

Integrando a equação no intervalo de p 1 a p 2 e, conseqüentemente, de V 1 a V 2, e potencializando, chegamos à expressão

Como os estados 1 e 2 são escolhidos arbitrariamente, podemos escrever