Látsz egy rakétát felszállni. Ő végzi a munkát – felemeli az űrhajósokat és a terhet. A rakéta mozgási energiája nő, mivel ahogy emelkedik, a rakéta egyre nagyobb sebességre tesz szert. A rakéta potenciális energiája is nő, ahogy egyre magasabbra emelkedik a Föld fölé. Ezért ezeknek az energiáknak az összege, azaz a rakéta mechanikai energiája is megnő.

Emlékezzünk arra, hogy amikor a test dolgozik, az energiája csökken. A rakéta azonban működik, de energiája nem csökken, hanem nő! Mi a megoldás az ellentmondásra? Kiderült, hogy a mechanikai energián kívül van egy másik energiafajta is - belső energia. Ennek oka a rakéta által termelt égő üzemanyag belső energiájának csökkenése gépészeti munkaés ráadásul növeli a mechanikai energiáját.

Nem csak éghető, de szintén forró a testek belső energiával rendelkeznek, amely könnyen mechanikai munkává alakítható. Csináljunk egy kísérletet. Forrásban lévő vízben nehezéket hevítünk, és egy nyomásmérőhöz erősített bádogdobozra tesszük. Ahogy a levegő a dobozban felmelegszik, a manométerben lévő folyadék elkezd mozogni (lásd az ábrát).

A táguló levegő hatással van a folyadékra. Milyen energiával történik ez? Természetesen a súly belső energiája miatt. Ezért ebben a tapasztalatban azt figyeljük meg a test belső energiájának átalakítása mechanikai munkává. Vegye figyelembe, hogy ebben a kísérletben a súly mechanikai energiája nem változik - mindig nullával egyenlő.

Így, belső energia- ez a test olyan energiája, amelynek köszönhetően mechanikai munkát lehet végezni, miközben nem okoz csökkenést a test mechanikai energiájában.

Bármely test belső energiája számos októl függ: az anyag fajtájától és állapotától, a test tömegétől és hőmérsékletétől és másoktól. Minden test rendelkezik belső energiával: nagy és kicsi, meleg és hideg, szilárd, folyékony és gáznemű.

Az ember szükségleteihez legkönnyebben csak a belső energia használható fel, képletesen szólva a forró és gyúlékony anyagok, testek. Ezek olaj, gáz, szén, vulkánok közelében lévő geotermikus források stb. Emellett a 20. században az ember megtanulta felhasználni az úgynevezett radioaktív anyagok belső energiáját. Ilyen például az urán, a plutónium és mások.

Vessen egy pillantást a diagram jobb oldalára. A népszerű irodalomban gyakran említik a termikus, kémiai, elektromos, atomi (nukleáris) és más típusú energiákat. Ezek általában a belső energia fajtái, mivel ezek miatt a mechanikai munka anélkül végezhető el, hogy mechanikai energia veszteséget okozna. A belső energia fogalmával a fizika további tanulmányozása során fogunk részletesebben foglalkozni.

Ha egy vastag falú, dugóval lezárt tégelybe pumpálod, aminek az alját víz fedi, akkor egy idő után kirepül a dugó az edényből és köd képződik az üvegben. A parafa kirepült a dobozból, mert az ott lévő levegő bizonyos erővel hatott rá. A levegő, amikor a dugó kirepült, elvégezte a munkát. Köztudott, hogy a test képes dolgozni, ha van energiája. Következésképpen a kannában lévő levegőnek energiája van.

Amikor a levegő működött, a hőmérséklete csökkent, állapota megváltozott. Ugyanakkor a levegő mechanikai energiája nem változott: sem sebessége, sem a Földhöz viszonyított helyzete nem változott. Következésképpen a munkát nem a mechanikai, hanem az egyéb energia rovására végezték el. Ez az energia az edényben lévő levegő belső energiája.

Belső energia a test a molekulái mozgásának kinetikus energiájának és kölcsönhatásuk potenciális energiájának összege. Kinetikus energia ( Ek) a molekulák, mivel mozgásban vannak, potenciális energiával ( Ep), ahogy kölcsönhatásba lépnek. A belső energiát betűvel jelöljük U... A belső energia mértékegysége 1 joule (1 J). U = Eк + En.

A belső energia megváltoztatásának módjai

Minél nagyobb a molekulák mozgási sebessége, annál magasabb a testhőmérséklet, tehát a belső energia testhőmérséklettől függ ... Ahhoz, hogy egy anyagot szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba vigyünk át, például jeget vízzé alakítsunk, energiát kell ellátni vele. Következésképpen a víznek több belső energiája lesz, mint az azonos tömegű jégnek, és így belső energiája is lesz a szervezet aggregált állapotától függ .

A belső energia változtatható munkavégzés közben ... Ha kalapáccsal többször megüt egy ólomdarabot, akkor már érintésből is észrevehető, hogy az ólomdarab felmelegszik. Ennek következtében a belső energiája, valamint a kalapács belső energiája megnőtt. Ez azért történt, mert egy ólomdarabon dolgoztak.

Ha a test maga végzi el a munkát, akkor a belső energiája csökken, ha pedig munkát végeznek rajta, akkor a belső energiája nő.

Ha forró vizet öntünk egy pohár hideg vízbe, a forró víz hőmérséklete csökken, a hideg víz hőmérséklete pedig emelkedik. A vizsgált példában mechanikai munkát nem végeznek, a testek belső energiája -kal változik hőátadás, amit a hőmérsékletének csökkenése bizonyít.

A forró víz molekulái nagyobb mozgási energiával rendelkeznek, mint a hideg víz molekulái. A melegvíz-molekulák ezen energiája ütközések során átkerül a hidegvíz-molekulákra, és a hidegvíz-molekulák kinetikus energiája megnő. Ebben az esetben a melegvíz molekulák kinetikus energiája csökken.

Hőátadás A test belső energiájának megváltoztatásának módja, amikor az energiát egyik testrészről a másikra vagy egyik testről a másikra viszi át munka nélkül.

Belső energia a molekulák mozgásának és kölcsönhatásának energiája.

A testet alkotó összes molekula mozgási energiája és kölcsönhatásuk potenciális energiája a test belső energiája.

Amikor a test megáll, a mechanikai mozgás leáll, de molekuláinak véletlenszerű (termikus) mozgása megnő. Mechanikus energia a test belső energiájává alakul

Belső energiatesthőmérséklettől, aggregációs állapottól és egyéb tényezőktől függ.

Egy test belső energiája nem függ sem a test mechanikai mozgásától, sem a test más testekhez viszonyított helyzetétől.

Ha figyelembe vesszük a kinetikai és helyzeti energia egy molekula, akkor ez nagyon kicsi érték, mert a molekula tömege kicsi. Mivel a test sok molekulát tartalmaz, a test belső energiája, amely megegyezik az összes molekula energiáinak összegével, nagy lesz.

A belső energia megváltoztatásának módjai

A hőmérséklet emelkedésével a test belső energiája nő, mivel a test molekuláinak átlagos mozgási sebessége nő. Éppen ellenkezőleg, a hőmérséklet csökkenésével a test belső energiája csökken.

Egy élmény: ha gumidugós üveget melegítesz, a parafa egy idő után kirepül.

Így a test belső energiája megváltozik, ha a molekulák mozgási sebessége megváltozik.

A belső energia kétféleképpen változtatható:

1) gépészeti munkavégzés. A belső energia nő, ha munkát végez a testen, és csökken, ha a test dolgozik.

2) hőátadással (hővezetés, konvekció, sugárzás). Ha a test hőt ad le, akkor a belső energia csökken, ha hőt kap, akkor nő.

A hőátadás típusai. A hőátadás típusait szemléltető kísérletek. Hőátadás a természetben, technológia, mechanika.

Hőátadás (hőátadás)- Ez a belső energia megváltoztatásának folyamata, amely munkavégzés nélkül megy végbe.

1)

Hővezető - a hőátadás olyan fajtája, amelyben az energia érintkezéskor egyik testből a másikba, vagy annak egyik részéből a másikba kerül át. A különböző anyagok eltérő hővezető képességgel rendelkeznek. A fémek hővezető képessége magas, a folyadékoknál kisebb, a gázoknál alacsony. A hővezető képességgel nincs anyagátvitel.

2) Konvekció- a hőátadás típusa, amelyben az energiát gáz- és folyadéksugarak adják át. Kétféle konvekció létezik: természetes és kényszerített. A szilárd anyagokban nincs konvekció, mivel a részecskéik nem rendelkeznek nagy mozgékonysággal. A konvekció számos megnyilvánulása megtalálható a természetben és az emberi életben. A konvekciót a gépészetben is használják.

3) Sugárzás - a hőátadás olyan fajtája, amelyben az energiát elektromágneses hullámok hordozzák. A sötét felületű testek jobban nyelnek és bocsátanak ki energiát, mint a világos felületűek. Ezt használják a gyakorlatban.

* A hőcsere során a leadott hőmennyiség modulusban egyenlő a kapott hőmennyiséggel, vagy ezek összege nulla. Ezt hőegyensúlyi szintnek nevezzük.

Minden körülöttünk lévő makroszkopikus testben vannak részecskék: atomok vagy molekulák. Állandó mozgásban vannak, egyszerre kétféle energiával rendelkeznek: kinetikus és potenciális energiával, és a test belső energiáját alkotják:

U = ∑ Е k + ∑ Е p

Ez a fogalom magában foglalja az elektronok, protonok, neutronok egymással való kölcsönhatási energiáját is.

Lehetséges-e megváltoztatni a belső energiát

3 módja van a változtatásnak:

• a hőátadási folyamat miatt;
• gépészeti munka elvégzésével;
• kémiai reakciók végzésével.

Tekintsük részletesebben az összes lehetőséget.

Ha a munkát maga a test végzi, akkor a belső energiája csökkenni kezd, és amikor a testet végzi, a belső energiája nő.

Az energia növelésének legegyszerűbb példái a súrlódással történő tűzgyújtás esetei:

• tinder használata;
• kovakő használata;
• gyufák segítségével.

A hőmérséklet változásával járó hőfolyamatokat a belső energia változásai is kísérik. Ha felmelegítünk egy testet, az energiája megnő.

A kémiai reakciók eredménye az egymástól szerkezetében és összetételében eltérő anyagok átalakulása. Például az üzemanyag elégetése során a hidrogén és az oxigén egyesítése után szén-monoxid képződik. Amikor a sósav cinkkel egyesül, hidrogén szabadul fel, és a hidrogén égése következtében vízgőz szabadul fel.

A test belső energiája is megváltozik az elektronok egyik elektronhéjról a másikra való átmenete miatt.

Testek energiája – függőség és jellemzők

A belső energia a test termikus állapotának jellemzője. Attól függ:

• az aggregáció állapota, valamint a forrás és a párolgás, a kristályosodás vagy a kondenzáció, az olvadás vagy a szublimáció során bekövetkező változások;
• testsúly;
• testhőmérséklet, amely a részecskék mozgási energiáját jellemzi;
• fajta anyag.

Monatomikus ideális gáz belső energiája

Ez az energia ideális esetben az egyes részecskék kinetikus energiáiból, amelyek véletlenszerűen és folyamatosan mozognak, és egy adott testen belüli kölcsönhatásuk potenciális energiájából áll. Ez a hőmérséklet változása miatt következik be, amit Joule kísérletei is megerősítenek.

Egy monoatomos gáz belső energiájának kiszámításához használja a következő egyenletet:

Ahol a hőmérséklet változásától függően a belső energia megváltozik (növekszik a hőmérséklet emelkedésével, és csökken a hőmérséklet csökkenésével). A belső energia az állapot függvénye.

Bármely test belső energiája egy anyag részecskéinek (molekuláinak, atomjainak) mozgásához és állapotához kapcsolódik. Ha ismerjük a test teljes energiáját, akkor a belső energiát úgy találhatjuk meg, hogy kizárjuk az egész test, mint makroszkopikus tárgy teljes mozgásából, valamint ennek a testnek a kölcsönhatási energiáját. potenciális mezők.

Ezenkívül a belső energia tartalmazza a molekulák rezgési energiáját és az intermolekuláris kölcsönhatás potenciális energiáját. Ha jön Egy ideális gázról a kinetikus komponens adja a fő hozzájárulást a belső energiához. A teljes belső energia egyenlő az egyes részecskék energiáinak összegével.

Tudniillik egy anyagrészecskét szimuláló anyagi pont transzlációs mozgásának kinetikai energiája erősen függ annak mozgási sebességétől. Azt is érdemes megjegyezni, hogy a vibrációs és forgó mozgások energiája intenzitásuktól függ.

Idézzük fel a molekuláris fizika tananyagából az ideális egyatomos gáz belső energiájának képletét. Az összes gázrészecske kinetikai komponenseinek összegével fejezzük ki, amely átlagolható. Az összes részecske átlagolása a belső energia kifejezett függéséhez vezet a test hőmérsékletétől, valamint a részecskék szabadságfokainak számától.

Különösen egy monatomikus ideális gáz esetében, amelynek részecskéinek csak három szabadságfoka van a transzlációs mozgásban, a belső energia egyenesen arányos a Boltzmann-állandó és a hőmérséklet szorzatának harmadszorosával.

Hőmérséklet függő

Tehát a test belső energiája valójában a részecskék mozgásának kinetikus energiáját tükrözi. Ahhoz, hogy megértsük, mi a kapcsolata egy adott energiának a hőmérséklettel, meg kell határozni a hőmérséklet értékének fizikai jelentését. Ha egy gázzal töltött és mozgatható falú edényt melegít, akkor a térfogata megnő. Ez arra utal, hogy a belső nyomás megnőtt. A gáznyomás a részecskéknek az edény falára való becsapódása révén jön létre.

Ha a nyomás megnőtt, az azt jelenti, hogy az ütközőerő is megnőtt, ami a molekulák mozgási sebességének növekedését jelzi. Így a gáz hőmérsékletének növekedése a molekulák mozgási sebességének növekedéséhez vezetett. Ez a hőmérséklet értékének a lényege. Most világossá válik, hogy a hőmérséklet emelkedése, amely a részecskék mozgási sebességének növekedéséhez vezet, az intramolekuláris mozgás kinetikus energiájának növekedésével és ezáltal a belső energia növekedésével jár.