Внутренняя энергия и передача энергии
Внутренняя энергия
bookmarkВнутренняя энергия \(U\)
Суммарная энергия частиц системы: кинетическая энергия их движения, энергия взаимодействия, энергия химических связей и электронов. Движение системы как целого и её положение в поле тяжести в \(U\) не входят.
Внутренняя энергия — функция состояния: её значение определяется состоянием (\(p\), \(V\), \(T\), состав), а не историей. Абсолютное значение \(U\) неизвестно и не нужно: в задачах участвует только изменение \(\Delta U = U_2 - U_1\).
Для идеального газа частицы не взаимодействуют, и \(U\) зависит только от температуры: у одноатомного газа \(U = \tfrac32 nRT\) (энергия поступательного движения из урока 24). Сжатие или расширение идеального газа при постоянной температуре \(U\) не меняет.
lightbulbПорядок величин
Нагрев моля газа на 100 К меняет \(U\) на единицы кДж; химические реакции — на сотни кДж на моль: энергия связей много больше тепловой энергии движения.
infoИз истории
Закон сохранения энергии открыли почти одновременно несколько человек. Корабельный врач Юлиус Роберт Майер в 1840 году заметил в тропиках, что венозная кровь матросов ярко-красная: в жаре организму нужно «сжигать» меньше пищи, чтобы поддерживать температуру. Он догадался, что теплота и работа — формы одной сущности (1842). Джеймс Джоуль в 1840-х годах измерил механический эквивалент теплоты: груз, опускаясь, вращал мешалку в воде и нагревал её. Итог его опытов — около 4,2 Дж на калорию.
Теплота и работа
Энергия передаётся от системы к окружению (и обратно) двумя способами.
| Теплота \(Q\) | Работа \(W\) | |
|---|---|---|
| причина | разность температур | сила, перемещающая границу; электрический ток |
| на уровне частиц | беспорядочная передача энергии при столкновениях | упорядоченное движение (поршень, поток зарядов) |
| пример | нагревание раствора на плитке | расширение газа, толкающего поршень; электролиз |
errorТеплота — не запас
Выражение «в горячей воде много теплоты» неверно: тело обладает внутренней энергией, а теплота — это энергия в пути, переданная в процессе. Одного и того же изменения \(U\) можно добиться нагреванием (теплотой) или трением и сжатием (работой) — по конечному состоянию не определить, как оно было достигнуто.
Поэтому \(Q\) и \(W\) зависят от пути процесса, а их сумма \(\Delta U\) — нет.
Знаки: химическое соглашение
В этом курсе принято химическое соглашение (ИЮПАК): положительны теплота, полученная системой, и работа, совершённая над системой.
functionПервое начало в химическом соглашении
| Что происходит | Знак |
|---|---|
| система получает теплоту | \(Q > 0\) |
| система отдаёт теплоту (экзотермический процесс) | \(Q < 0\) |
| над системой совершают работу (сжатие) | \(W > 0\) |
| система совершает работу (расширение) | \(W < 0\) |
errorФизическое соглашение
В школьной физике пишут \(Q = \Delta U + A\), где \(A\) — работа, совершённая системой; тогда \(A = -W\). Оба способа верны, но смешивать их нельзя: чужой знак работы — одна из самых частых ошибок модуля. Прежде чем подставлять числа, выясните, чья работа имеется в виду.
push_pinГлавное
Внутренняя энергия — функция состояния системы, а теплота и работа — способы передачи энергии в процессе; в химии положительны теплота, полученная системой, и работа, совершённая над ней: \(\Delta U = Q + W\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.