Способы изменения внутренней энергии

Понятие внутренней энергии было сформулировано физиками прежде всего для построения теории, объясняющей тепловые явления. Для объяснения процессов теплопередачи, физическое тело рассматривается как система, состоящая из большого количества частиц (атомов и молекул). Сумма энергий всех частиц, составляющих тело (кинетическая и потенциальная), по определению является внутренней энергией физического тела. Рассмотрим основные способы изменения внутренней энергии.

$ ΔU = { Q + A } $ (1).

Если же сама термодинамическая система, получив тепло Q, совершает работу А, то формула (1) принимает следующий вид:

$ ΔU = { Q – A } $ (2).

Изменение величины внутренней энергии с помощью работы

Итак, в соответствии с первым законом термодинамики внутренняя энергия вещества, из которого состоит данное тело, изменится если над ним будет совершена работа внешними силами, либо само тело совершит работу. Приведем ряд примеров:

• Когда мы забиваем гвоздь молотком в доску, или отрезаем ножовкой по металлу кусок трубы, то легко обнаружить, что происходит повышение температуры (разогрев) всех “участников” произведенных действий: гвоздя, молотка, ножовки и трубы. В обоих случаях была произведена работа по преодолению силы трения;
• Если взять металлическую проволоку, и произвести некоторое количество сгибаний и разгибаний, то также нетрудно будет заметить, что температура металла за счет этих деформаций увеличилась;
• Так как величина внутренней энергии пропорциональна температуре тела, то, следовательно, произошло ее увеличение за счет произведенной нами работы. Приведенные примеры описываются формулой (1);
• Работа, которую совершает нагретый пар в тепловом двигателе, вращая турбину, уменьшает его внутреннюю энергию. Для этого примера справедлива формула (2).

Изменение величины внутренней энергии с помощью передачи тепла

Количество теплоты Q, полученное телом извне или, наоборот, переданное от себя другому телу — второй механизм, приводящий к изменению внутренней энергии ΔU. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплообмен возможен только между телами, имеющими разную температуру, в результате чего происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, имеющему низкую температуру.

Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение:

• Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда кастрюля с холодной водой ставится на разогретую газовую или электроплиту, то нагрев происходит за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул газового пламени или молекул раскаленной электрической спирали;
• Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания характера этого механизма служит работа кондиционера в помещении, когда поток охлажденного им воздуха начинает перемешиваться с более теплым, что приводит к общему понижению температуры в квартире или офисе;
• Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм может проистекать даже в вакууме. Часть внутренней энергии преобразуется в электромагнитную энергию, которая распространяется в пространстве и после попадания на другое тело, поглощается им. Таким образом происходит изменение внутренней энергии обоих тел. Чем больше температура тела, тем больше энергии передается с помощью излучения.

Изменение внутренней энергии с помощью химических реакций

Внутренняя энергия системы, представляющая собой смесь разных веществ, может изменяться в результате химических реакций, в которые эти вещества вступают между собой. При этом в результате тепло Q может либо выделяться (экзотермическая реакция), либо поглощаться (эндотермическая реакция). В первом случае внутренняя энергия уменьшается, а во втором — увеличивается.

Примером реакции с выделением тепла Q может служить реакция горения метана в кислороде:

$ СH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2*H_2O + Q $ (3).

Пример реакции с поглощением тепла — разложение карбоната кальция СaCO3 на углекислый газ CO2 и оксид кальция (негашеная известь) CaO:

$ СaCO_3 = CaO + CO_2 – Q $ (4).

Все перечисленные способы изменения внутренней энергии можно представить в виде следующей таблицы:.