Внутренняя энергия в термодинамике
Термодинамическая система и определение энергии
Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов
Внутренней энергией считают одну из самых важных физических величин, что ответственна за характеристику термодинамической системы и равновесное состояние ее.
Термодинамическая система и определение энергии
Данная система представляет собой совокупность, где осуществляется процесс материального обмена непосредственно между всеми частями, что составляют эту систему (теплообменные и массообменные процессы).
Исходя из уровня изолированности существуют такие виды систем как:
- изолированные - те объекты, что не имеют контакта с окружающей средой;
- закрытые - не осуществляют обменные процессы веществом с окружающей средой (молекулами, ионами, атомами и так далее), но они взаимодействуют с ней с помощью процесса механической работы, обмена теплом и излучения;
- открытые - той тип систем, что характеризуется обменом с внешней средой веществом, излучением, теплом и механической работой.
Под энергией понимают меру движения общую, количественную и взаимодействие разнообразных видов материи. Она не способна без причины исчезать и возникать.
Если система изолирована, то энергия имеет возможность переходить из одной в другую форму, но в плане количества - она сохраняет свой первозданный вид.
Когда система не изолирована, энергия может меняться, но лишь при параллельном изменении энергетических ресурсов окружающей среды на такую же величину.
Во время перехода системы в различные степени, изменение энергии не зависит от способа, с помощью которого был осуществлен перевод, то есть какие превращения его постигли. То есть, можно сказать, что энергия считается не функцией самого процесса, а непосредственно функцией состояния.
Она обеспечивает систему достаточно важным свойством, ведь каждая система должна иметь конкретные энергетические запасы для функционирования.
Внутренняя энергия системы
В природной среде можно выделить такие типы энергии как:
- кинетическая - движения;
- потенциальная - взаимодействие и положение;
- внутренняя энергия - состояние.
Последний вид считается в физической науке суммой энергии потенциальной силы взаимодействия всех частиц системы между собой и кинетической энергии, сопровождающей их движение.
Внутренняя энергия состоит из:
- энергии колебательного, вращательного, поступательного молекулярного движения;
- энергии внутриядерного, межмолекулярного, внутримолекулярного, внутриатомного взаимодействия;
- энергия гравитации, излучения и так далее.
Такой вид энергии представляет из себя суммарный запас энергии системы за вычетом потенциальной и кинетической энергий, их положения в пространстве. Если говорить о абсолютной величине, то у этой энергии она неизвестна, но необходимо принимать ко вниманию изменения внутренней энергии, если система переходит из одного в другое состояние.
От пути процесса внутренняя энергия не зависит, лишь следуя по нему данная система достигла конкретного состояния. Это состояние и является исключительным определением системы. Внутренняя энергия напрямую зависит от массы, поэтому она представлена как экстенсивная величина (количество, масса и объем вещества). Интенсивными величинами, в свою очередь, можно назвать: температуру, давление и прочие характеристики.
Первый закон термодинамики
Энергия внутренняя термодинамической системы может изменяться в процессе работы, которую осуществляют над ней окружающие тела, или наоборот - сама система совершает влияние на внешние тела. Если приложить внешнюю силу, мы способны сжать газ и это приведет к росту температуры газа, значит и внутренняя энергия будет повышаться. Данный тип энергии можно поменять благодаря передачи самой системе или изъятия у нее любого количества тепла.
Принимая ко внимаю закон энергетического сохранения, можно сделать вывод, что перемены внутренней системной энергии приравниваются сумме той теплоты и работы, которую было осуществлено. Эта формулировка закона о сохранности энергии названа первым законом термодинамики и применяется к термодинамическим системам.
Исследователи говорят о том, что отличительной особенностью от внутренней энергии является то, что количество теплоты и работа зависимы от начального, конечного состояния самой системы и от пути, где осуществлялось изменения состояния энергетического.
Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов
Чтобы изучить тепловые явления и механическую энергию тел, в физической науке введено понятие внутренней энергии идеального газа, которую можно легко вычислить.
Одноатомный газ является самым простым, состоит он из отдельных атомов, а не молекул. Если говорить о одноатомных газах, к ним можно отнести инертные газы как: аргон, гелий, неон и так далее. В процессе можно также добиться получения атомарного кислорода, водорода и так далее. Такие газы не характеризуются устойчивостью, ведь, когда атомы сталкиваются, формируются молекулы H2,O2.
Молекулы, что входят в состав идеального газа, не контактируют между собой, лишь иногда происходят моменты столкновений. Это объясняется тем, что они обладают незначительной потенциальной энергией. А энергия остальная считается кинетической энергией хаотического молекулярного перемещения. Исходя из этого, можно считать правдоподобным утверждение о газе в сосуде, так как он является одним целым и не движется. Таким образом, нету упорядоченного движения и механическая энергия достигает отметки нуля.
Идеальный газ характеризуется внутренней энергией. Она отличается прямо пропорциональностью к его абсолютной температуре. Также энергия не зависит от представленного объема газа. Такой тип энергии считается средней кинетической энергией для абсолютно всех атомов.
Энергия внутренняя одноатомного газа понимается как среднекинетическая энергия непосредственно поступательного движения молекул. Молекулы, в которых отсутствует сферическая симметрия, способны к вращению, в отличии от атомов. Именно поэтому, с кинетической энергией в системе от поступательного движения, такие молекулы обладают кинетической энергией вращательного движения.
Если принять ко вниманию традиционную кинетическую теорию, то можно наблюдать, что атомы, молекулы рассматриваются как достаточно маленькие и абсолютно твердые тела. Все тела в рамках традиционной механики отличаются определенным числом уровней свободы, что определяют преимущественно положение объекта в пространстве.
Атомы способны к осуществлению лишь поступательных движений, в соотношении трех взаимно перпендикулярных, независимых направлений. Молекула из двух атомов, в свою очередь, обладает осевой симметрией и пятью уровнями свободы. Три степени соответствуют поступательному движению, а остальные - вращательному вокруг двух осей, что размещены перпендикулярных друг другу и к симметрической оси, что объединяет атомные центры в молекуле.
Молекула, что состоит из многих атомов отличается шестью уровнями свободы. Она способна вместе с поступательным движением осуществлять вращение вокруг взаимно перпендикулярных трех осей.
Внутренняя газовая энергия зависима от количества уровней молекулярной свободы. Результатом преимущественной беспорядочности движения теплоты считается тот факт, что молекулярные движения не обладают какими-либо достоинствами, если сравнить их с другими.
На все соответствующие поступательные молекулярные движения уровень свободы приходится идентичная средняя кинетическая энергия. Именно об этом гласит теорема равномерного распределения непосредственно кинетической энергии по отношению к уровням свободы, что доказывается в статистической механике.