Физика

Внутренняя энергия

 

Когда закипает закрытая кастрюля с водой, то можно увидеть, как приподнимается крышка – с увеличением температуры возрастает давление водяного пара внутри кастрюли. Воздушный шар поднимается вверх, когда горелка нагревает воздух внутри купола и давление внутри становится выше, чем снаружи. Сдавливая надутый воздушный шарик, мы увеличиваем давление воздуха внутри него, уменьшая при этом объем, который он занимает. Это общие наблюдения, которые позволяют сделать выводы: как связаны три основные характеристики газа – давление, температура и объем.

 

Но чтобы сконструировать механизм или решить прикладную задачу, нужно уметь точно рассчитать характеристики газа при заданных условиях. Для этого мы предположили (а затем подтвердили экспериментально), что вещество состоит из атомов и молекул, которые хаотично движутся. Движение мы умеем описывать с помощью инструментов механики – массы, скорости, импульса, энергии.

Когда летит рой пчел, то движение каждой пчелы по отдельности может быть разным, но все вместе они движутся как единый объект, для которого можно ввести обобщенные характеристики – скорость роя, среднюю температуру и т. д.Молекул много, описывать движение каждой, а потом суммировать полученные результаты не получится. Поэтому мы ввели усредненные характеристики газа: среднюю энергию, среднее количество ударов молекул о стенки сосуда и т. д.

Температуру газа (характеристику, которую мы можем непосредственно измерить) мы определили через среднюю кинетическую энергию движения молекул:

Энергия – это наш инструмент для описания превращений: нечто, что сохраняется и переходит из одного вида в другой.Сначала мы рассматривали закон сохранения механической энергии – то есть сохранения и превращения энергии в системе, в которой действуют только консервативные силы (силы, работа которых не зависит от вида траектории; работа таких сил определяется только начальным и конечным положением тела).Затем обобщили его: если в замкнутой системе действуют неконсервативные силы, то общая энергия системы все равно будет сохраняться, но механическая энергия может превращаться в другие виды энергии.

При ударе молота о наковальню оба они в месте контакта нагреваются. Нагревание мы описываем увеличением температуры, то есть меры внутренней энергии тела. Внутренняя энергия тела – это суммарная кинетическая энергия движения его частиц. То есть кинетическая энергия движения молота как единого целого (механическая энергия молота) переходит в его внутреннюю энергию – или, как мы говорил раньше, в тепло.

Почему модель механической энергии молота – как единого объекта – нам для описания удара по наковальне не подходит? Если рассматривать только силы, работа которых определяется исключительно начальным и конечным положением тела, то наличие или отсутствие наковальни на пути молота не повлияет на механическую энергию системы (см. рис. 1).

Рис. 1. Работа силы тяжести определяется только начальным и конечным положением тела

Также во время удара произойдет неупругая деформация молота, а это смещение его частей друг относительно друга. Такое смещение в данной модели не учитывается, так как рассматривается положение всего тела как целого. Значит, чтобы описать процессы, которые происходят при ударе, нам нужна другая модель (см. рис. 2).

Рис. 2. Энергия взаимодействия молекул

Наша задача – научиться описывать процессы, которые происходят с молекулами вещества количественно.Достаточно ли нам для этого знать температуру вещества (или, что то же самое, среднюю кинетическую энергию молекул)? Внутренняя энергия вещества – это суммарная кинетическая энергия всех молекул. Понятно, что чем больше молекул (с данной средней кинетической энергией), тем больше будет внутренняя энергия.

Вы наверняка замечали, что при повышенной влажности мороз и жара переносятся хуже. Значит, для расчета характеристик газа будет важна не только температура, но и количество вещества (или масса, их можно выразить одно через другое).Исходя из проведенного анализа, выполним расчеты для простейшей модели, с которой мы работали до этого – модели идеального газа. Она удобна тем, что с хорошей точностью описывает реальные процессы и ее несложно описать.

В модели идеального газа мы сделали такое приближение: молекулы не взаимодействуют друг с другом, то есть не обладают потенциальной энергией, а только кинетической. Поэтому внутренняя энергия идеального газа – это суммарная кинетическая энергия всех его молекул.

Если мы взяли некоторое количество газа, которое содержит  атомов, то его внутренняя энергия (обозначим ее ) равна кинетической энергии одного атома (в среднем), умноженной на количество этих атомов:

Где , по определению температуры.

Зная, что в одном моле вещества  молекул, выразим количество молекул:

Количество вещества можно для удобства выразить через массу, а произведение двух констант  и  – это газовая постоянная :

Как видим, внутренняя энергия данной массы идеального газа определяется его температурой. Выражение  встречается в уравнении Менделеева – Клапейрона, оно равно , так что внутреннюю энергию можно выразить через давление и объем газа:

Эти выражения справедливы только для одноатомного идеального газа.

Следующее ответвление, в котором мы рассмотрим внутреннюю энергию двухатомного газа, обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Внутренняя энергия двухатомного газа

Обратите внимание, что мы рассматривали именно идеальный одноатомный газ (моделирующий разреженные реальные газы гелия, аргона, неона и пр.). Для идеального газа из молекул (с двумя, тремя или большим числом атомов) нужно учесть кинетическую энергию вращения молекул (их уже нельзя считать точками или шариками). Внутренняя энергия, приходящаяся на одну степень свободы движения молекулы, равна:

А чтобы получить общую внутреннюю энергию, нужно умножить  на количество степеней свободы :

Что такое степени свободы? Количество степеней свободы – это количество координат, которые полностью определяют положение частицы в пространстве. Или другими словами, количество направлений, в которых может двигаться частица. Если у нас одноатомный газ, то есть его молекула состоит из одного атома, то положение частицы в пространстве можно задать тремя координатами, она может двигаться в трех направлениях, . И внутренняя энергия такого газа равна:

Для двухатомного газа (H₂, O₂, CO и пр.) количество степеней свободы больше:

каждый атом может двигаться в трех направлениях, но есть еще одна связь между атомами. В направлении этой связи молекула может двигаться только как одно целое. Поэтому для двухатомного газа :

Для газов с тремя и более атомами в молекуле (CO₂, CH₄ и пр.) количество степеней свободы увеличивается. Но тогда каждый добавленный атом не добавляет степеней свободы: он может двигаться в трех направлениях, но в то же время он связан как минимум с тремя другими атомами в молекуле. Поэтому внутренняя энергия всех таких газов равна:

---

 

Работа газа при изопроцессах. Первый закон термодинамики

 

 

Простота модели идеального газа позволила рассчитать его внутреннюю энергию. Кроме самой величины внутренней энергии, нас интересует ее изменение. Изменить внутреннюю энергию тела можно, передав ему теплоту или совершив им механическую работу.

 

Первый способ – передать теплоту. Мы выделили несколько способов теплопередачи, когда внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела – излучение, теплопроводность, конвекция. Результат теплопередачи, независимо от способа, состоит в том, что внутренняя энергия одного тела может перейти во внутреннюю энергию другого тела. Этот процесс мы описали с помощью величины теплоты или количество теплоты .  считаем положительным, когда рассматриваемое тело получает теплоту, и отрицательным, когда теряет (см. рис. 3).

Рис. 3. Теплопередача

Второй способ – выполнение механической работы. Если газ поместить под поршень и, например, нагреть, то газ расширится и поршень переместится – будет совершена механическая работа (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Работа по перемещению поршня

Мы выделили модели изопроцессов и подробно рассмотрели, как в них изменяются температура, давление и объем. Вычислим работу, которую при этом выполняет газ.

---

 

О формулировках

В физике используют формулировки «газ выполнил работу» или «над газом выполнили работу». Это сокращение, которое не нужно понимать буквально. Работу выполняет сила, по определению: . Какая сила выполняет работу при перемещении поршня?

На поршень действует сила давления . По третьему закону Ньютона, можно выделить такую же по модулю и противоположную по направлению силу, которая действует условно на газ, . Почему условно? Потому что если газ считать совокупностью атомов, то нет точки приложения для этой силы, есть много единичных столкновений с атомами. Но так можно сказать о любом теле, состоящем из атомов, а силы мы все же в разных моделях выделяем. Эта сила равна сумме внешних сил, действующих на поршень: силы тяжести, силы, создаваемой атмосферным давлением.

Так вот, пусть газ расширяется. Работа силы  равна , она положительна. Эту работу мы и называем работой, которую совершает газ, чтобы не называть ее «работа силы действия на поршень, создаваемой давлением газа». А работа внешних сил равна . Эту работу мы называем работой, которая совершается над газом. Они равны по модулю и противоположны по знаку, .

---

Проще всего с изохорным процессом. Объем газа не изменяется, перемещения нет, значит, работа равна нулю, .

Вычислим работу газа при изобарном процессе. Пусть газ находится в цилиндре под поршнем. Давление на поршень, по определению, равно силе, деленной на площадь. Распишем силу через давление:

Перемещение поршня обозначим , чтобы не путать с площадью . Положительным считаем , когда газ расширяется, тогда сила и перемещение сонаправлены. Запишем работу:

А изменение высоты  умноженное на площадь  – это изменение объема газа, тогда:

Соответственно, если газ будет изобарно сжиматься, то  (а это ) будет отрицательным, или если мы записываем модуль , то поставим знак минус. В любом случае получим отрицательную работу (см. рис. 5).

Рис. 5. График зависимости  при изобарном процессе

Значение давления  постоянно. Видно, что  – это площадь прямоугольника. Это удобно: мы можем оценить работу, совершаемую газом, по площади фигуры под графиком процесса в координатах . А знак этой работы определяется направлением процесса: увеличивается объем (тогда точка движется по графику вправо) или уменьшается (тогда влево).

Рассмотрим работу газа при изотермическом процессе. Здесь изменяется и давление, и объем, такая задача решается немного сложнее. Оценим работу газа по графику. График изотермы – это гипербола , и работа газа равна площади фигуры под графиком (см. рис. 6).

Рис. 6. График зависимости  при изотермическом процессе

Следующее ответвление, в котором мы получим уравнение для работы газа при изотермическом процессе, обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Работа газа при изотермическом процессе

Вычислить работу газа можно по площади фигуры под графиком процесса в координатах . Даже если график не прямой, как в случае с изотермой, его можно разбить на небольшие промежутки, на каждом из которых давление можно считать постоянным. Тогда можно вычислить работу на каждом участке как площадь прямоугольника и сложить.

Мы так уже делали неоднократно: скорость при равноускоренном движении, работа изменяющейся силы упругости. Только график у нас обычно был прямой и сложных вычислений не было. Чтобы можно было работать с графиками любой формы, придумали математический инструмент – интегрирование (см. рис. 7). Он основан на том же процессе, который мы только что описали: разбиение на малые участки и сложение площадей, только специальные формулы позволяют делать это быстрее и точнее.

Рис. 7. Интегрирование на графике

Вы научитесь это делать позже на уроках математики в разделе «Интегралы», а сейчас для графика изотермы запишем готовый результат:

---

 

Первый закон термодинамики

 

 

Итак, мы научились вычислять внутреннюю энергию , рассчитали работу газа  при разных процессах. А может еще передаваться теплота Q. Чтобы разобраться в этих переходах, осталось эти величины связать: как одно превращается в другое.

 

Как изменяются и превращаются друг в друга разные виды энергии, описывает закон сохранения энергии, это для нас не новость. Мы формулировали его для механических процессов как закон сохранения полной механической энергии. В ядерной физике мы рассматривали переход массы в энергию. Это все разные формы общего принципа, который можно упрощенно сформулировать так: энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно. Запишем закон сохранения энергии для тепловых процессов.

Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно количеству теплоты, подведенному к системе извне, плюс работе внешних сил, действующих на нее:

Другими словами, внутренняя энергия газа изменяется на количество теплоты, переданное газу, и на величину работы, совершенной над газом. В таком виде закон сохранения энергии назвали первым законом термодинамики (их мы рассмотрим два) – уравнение простое, но оно позволяет описать множество процессов, связанных с тепловыми явлениями.

Перепишем уравнение в другом виде. Мы чуть раньше в ответвлении разобрались с тем, что работа внешних сил над газом равна работе, совершенной над газом, которая взята со знаком минус:

Тогда:

Читаем уравнение: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы. В ответвлении применим нашу модель для решения задачи.

---

 

Задача 1

Задача 1. Определите количество теплоты, полученное одноатомным газом в ходе процесса, график которого изображен на рисунке 8.

Рис. 8. Условие задачи

Анализ условия. В задаче описан процесс, в ходе которого газ получает теплоту, выполняет работу (так как на графике видно, что объем изменяется). И наверняка изменяется внутренняя энергия: на графике температура не видна, но процесс явно не изотермический. Такие превращения энергии мы описываем с помощью первого закона термодинамики. Работу газа мы умеем вычислять как площадь фигуры под графиком (см. рис. 9).

Рис. 9. Работа газа на графике

Уравнение для внутренней энергии одноатомного газа мы тоже знаем. Перейдем к физической части решения, запишем в виде уравнений то, что обсудили.

По первому закону термодинамики, количество теплоты, переданное газу, идет на изменение его внутренней энергии и совершение им работы:

Вычислим работу газа как площадь фигуры под графиком. Можем выделить прямоугольник и треугольник, можем рассматривать полностью трапецию – как удобно. Рассмотрим трапецию: ее основания равны  и , а высота равна . Из уроков геометрии помним, что площадь трапеции равна (см. рис. 10):

Рис. 10. Площадь трапеции

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется температурой:

У нас нет температуры, можем переписать, применим уравнение Менделеева – Клапейрона:

Тогда при переходе из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии равно:

Математическая часть решения задачи осталась простая: подставляем  и  в первое уравнение и находим количество теплоты. Значения давлений и объемов находим на графике и переводим в СИ: , , , .

Вычислим:

Получили ответ 775 кДж, задача решена.

---

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам. При изобарном процессе давление постоянно, а температура и объем изменяются. Пусть газ нагревается и расширяется. Нагревается – значит, увеличивается внутренняя энергия. Расширяется – значит, выполняет работу. И , и работу при изобарном процессе мы вычислять умеем, поэтому по формуле:  сможем рассчитать количество теплоты.

При изохорном процессе не выполняется работа, , потому что объем не меняется. Поэтому первый закон термодинамики примет вид: , то есть вся переданная газу теплота идет на изменение внутренней энергии.

При изотермическом процессе не изменяется температура, а значит, не изменяется внутренняя энергия, . Тогда уравнение примет вид: . Вся переданная газу теплота идет на выполнение газом работы.

В следующем ответвлении мы рассмотрим еще один процесс, адиабатный, оно обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Адиабатный процесс

Выделим еще одну модель, с помощью которой можно описать реальные процессы. Представим себе процесс, при котором газ не обменивается теплотой с окружающими телами, . Может такое быть? Например, когда процесс происходит быстро и вкладом теплообмена можно пренебречь,  считаем почти равным нулю. Такой процесс назвали адиабатным. Тогда:

Это значит, что уменьшение внутренней энергии тела равно работе, выполненной этим телом. При этом изменяются все три макропараметра газа: уменьшается температура, увеличивается объем и уменьшается давление. В координатах  график адиабаты идет круче, чем график изотермы: так как тепло извне не подводится и не отводится, температура падает и, соответственно, растет быстрее (см. рис. 11).

Рис. 11. График зависимости  при адиабатном процессе

Когда мы открываем бутылку с газированным напитком, в которой воздух был под давлением, воздух быстро расширяется, выполняется работа (может даже отскочить крышка), за счет того что уменьшается внутренняя энергия газа – закон сохранения энергии выполняется. И газ охлаждается: мы видим даже конденсацию пара из-за этого охлаждения. И наоборот, если быстро сжать газ, то есть выполнить над ним работу, его внутренняя энергия (а значит, и температура) увеличится. Так при резком сжатии под поршнем воспламеняется топливо в дизельных двигателях (а не от искры, как в бензиновых).

---

 

Второй закон термодинамики

 

 

С количественными характеристиками тепловых процессов разобрались, ответили на вопрос «сколько?». Конечно, эта модель, как и любая другая, имеет ограничения, идеализация не совпадает с реальностью.

 

Обратим внимание вот на что. Под поршнем есть некоторое количество газа комнатной температуры. Представим, что он расширился, то есть выполнил работу , и нагрел окружающий воздух в комнате (то есть полученное им количество теплоты отрицательно, ). При этом он должен охладиться. Из уравнения  изменение внутренней энергии равно .  отрицательное, еще и минус ,  получается отрицательным. В уравнении все сходится, внутренняя энергия уменьшилась, а разность выделилась в виде теплоты и пошла на выполнение газом работы. Но опыт нам подсказывает, что такой процесс самопроизвольно не протекает. Да, вещества обладают внутренней энергией, но не всегда мы ею можем управлять. Мы не можем забрать часть энергии у холодной батареи, чтобы она стала еще холоднее, а руки нагрелись. Воздух, который вырвался из воздушного шарика, самопроизвольно в нем не соберется. Так что помимо количественных характеристик тепловых процессов важно еще направление этих процессов.

Опыт подсказывает нам, что теплота самопроизвольно не передается от холодных тел к теплым, но это можно сделать с помощью холодильника. Строго это утверждение сформулировано в виде второго закона термодинамики, он отображает необратимость процессов в природе – они самопроизвольно протекают только в одном направлении. Этот закон имеет множество формулировок, приведем несколько.

Невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.

Невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Еще другими словами – невозможно существование вечного двигателя второго рода (вечный двигатель первого рода предполагает создание энергии из ничего, а второго рода – полное превращение тепловой энергии в механическую).

Эти и другие формулировки следуют одни из другой и описывают одно и то же с разных сторон. Еще несколько формулировок второго закона термодинамики мы приведем в следующем ответвлении, которое обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Второй закон термодинамики

Мы применили второй закон термодинамики к тепловым процессам. Но мы же знаем, что для описания тепловых явлений можно использовать модель механики для большого количества частиц. Поэтому можно распространить второй закон термодинамики и на механические явления.

Для систем с большим количеством элементов, к которым можно применить инструменты статистики, ввели понятие энтропии. Если упрощенно, то это величина, характеризующая неупорядоченность, хаотичность. Например, если весь воздух из комнаты был бы сосредоточен в одном открытом сосуде, энтропия такой системы была бы низкой. Если в одной части комнаты собран весь азот, в другой кислород, а внутри флакона молекулы духОв – энтропия тоже низкая. Но если воздух распределен равномерно и смешан, энтропия такой системы выше.

Так вот, есть такая формулировка второго закона термодинамики: в замкнутых системах (без поступления энергии извне) энтропия не может уменьшаться. То есть неупорядоченность только увеличивается: хаотично движущиеся молекулы не могут сами прийти в порядок, распределившаяся теплота не может передаться назад к источнику, разбитая ваза не может собраться из осколков, разбежавшееся стадо без команды или дрессировки не соберется в стойле и так далее.

---

 

Тепловой двигатель

 

 

Второй закон термодинамики ограничивает нас в использовании энергии, и возникает задача. Есть энергия, которая содержится в любом веществе – внутренняя энергия. И было бы замечательно научиться как-то ее использовать, превращать в механическую, электрическую и т. д. – в какую нужно. Но как это сделать, если самопроизвольное превращение внутренней энергии в работу невозможно?

 

Мы эту задачу уже решили и придумали, на каком принципе должен работать тепловой двигатель (см. рис. 12). Вкратце напомним, о чем мы договорились. Чтобы газ выполнял работу, его нужно нагревать, а затем охлаждать, чтобы привести в исходное состояние.

Рис. 12. Принцип работы теплового двигателя за цикл

В итоге тепловой двигатель работает в замкнутом цикле, и он, помимо рабочего тела, должен содержать нагреватель и холодильник. Тогда на разных этапах работы двигателя второй закон термодинамики выполняется: теплота переходит от нагревателя к рабочему телу и от рабочего тела к холодильнику. Превращения энергии мы описывали уравнением:

Часть теплоты , полученной от нагревателя, идет на выполнение работы , а остальная () передается холодильнику. КПД теплового двигателя мы вычисляем по стандартной формуле: полезная работа, деленная на затраченную энергию, и для теплового двигателя эта формула принимает вид:

Работу выразим из предыдущего уравнения:

Можем сформулировать второй закон термодинамики еще одним способом. КПД теплового двигателя не может быть равен 100 %. Конечно, у любого механизма есть потери. Но здесь речь о том, что даже идеальный тепловой двигатель должен отдавать теплоту холодильнику, чтобы тот охлаждал рабочее тело, а значит, числитель всегда будет меньше знаменателя и КПД будет меньше 1. Так мы пришли к предыдущим формулировкам второго закона термодинамики.

Следующее ответвление, в котором мы рассмотрим модель теплового двигателя с максимально возможным КПД, обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных – по желанию.

---

 

Цикл Карно

Попробуем построить по возможности наиболее эффективную тепловую машину. Что для этого нужно? Тепловая энергия должна максимально полно превращаться в механическую, без лишних потерь.

Теплота, подводимая к рабочему телу нагревателем, должна полностью идти на выполнение им работы, , . Такое условие выполняется при изотермическом расширении, это будет первый этап, отметим его на графике (см. рис. 13). , .

Сделаем вторым этапом адиабатическое расширение: прекратим подвод теплоты , и уже работа будет совершаться за счет охлаждения газа, . Здесь , .

Теперь начнем возвращать машину в исходное состояние. На этапе 3 сожмем газ, совершив над ним работу, одновременно отводя тепло при помощи холодильника. Отводим все тепло, которое возникает из-за сжатия – так, чтобы внутренняя энергия газа не менялась. То есть процесс идет при постоянной температуре, по изотерме. , , .

И наконец, на этапе 4 сожмем газ, совершив над ним работу, не отводя и не подводя тепло, то есть процесс адиабатический. , , . Таким образом, получили цикл из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 13. Цикл Карно

Построенная тепловая машина была предложена французским инженером Сади Карно, и описанный цикл носит его имя. КПД этой машины максимально возможный для тепловой машины, работающей при данных температурах нагревателя и холодильника  и . Ее КПД равен:

Реализовать такую машину в точности нельзя. Например, в реальности нельзя сжимать газ и отводить тепло так, чтобы газ все время оставался при одной температуре. Теоретически, если тепло передается между телами при равных температурах, оно может передаваться в обоих направлениях (нет более теплого и более холодного). Для такой модели придумали название квазиобратимый процесс: его не существует, но если бы он существовал, то мог бы быть обратимым. А в реальности могут протекать процессы, только с некоторой степенью точности похожие на описанные идеальные: температура почти не меняется или меняется очень медленно, теплообмен почти не происходит, почти все тепло переходит в работу.

Зачем нам эта модель? Чтобы оценить максимальный КПД, который теоретически возможен при данных температурах. Например, мы получили для двигателя на цикле Карно значение КПД 30 %. Это значит, что какой бы мы ни сделали двигатель с данными рабочими температурами, его КПД даже теоретически не может достичь и тем более превысить 30 %. На практике он будет меньше.

---

 

Список литературы

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
2. Касьянов В.А. Физика 10. – М.: Дрофа, 2000.
3. М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др. Физика: Механика 10. – М.: Дрофа, 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Определите температуру кислорода массой 64 г, находящегося в сосуде объемом 1 л при давлении Па. Молярная масса кислорода М = 0,032 кг/моль.
2. Опишите способы изменения внутренней энергии газа и приведите к каждому практический пример.