Внутренняя энергия макроскопической системы. Тепловое равновесие

Цели урока: повторить первое начало термодинамики и рассмотреть понятие внутренней энергии и способы ее изменения.

Внутренняя энергия макроскопческой системы
Внутренней энергией макроскопической системы называют сумму кинетической энергии движения составляющих его частиц (молекул, атомов, ионов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Обозначают внутреннюю энергию буквой U. Единицей внутренней энергии является джоуль (Дж).
Внутренняя энергия, так же как температура, давление и объём (термодинамические параметры), характеризует состояние системы. При изменении состояния системы изменяется и значение её внутренней энергии.

От чего зависит внутренняя энергия тела
Так как температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии составляющих его частиц, то внутренняя энергия тела зависит от его температуры и об изменении внутренней энергии можно судить по изменению температуры тела.
Внутренняя энергия тела зависит и от его агрегатного состояния. Так, она больше у стоградусного пара, чем у воды такой же массы при той же температуре, что объясняется различием потенциальных энергий взаимодействия молекул пара и воды.
Внутренняя энергия зависит и от деформации тела: она больше у деформированного тела, чем у недеформированного.
Следует иметь в виду, что внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его положения в пространстве. Так, значения внутренней энергии у шарика, лежащего на полу, и у того же шарика, поднятого на некоторую высоту, одинаковы при одинаковых прочих условиях.

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
Из курса физики основной школы вы знаете, что внутреннюю энергию макроскопической системы можно изменить в процессе совершения работы или путём теплопередачи.
Внутреннюю энергию можно изменить, не совершая работу. Например, внутренняя энергия воздуха в комнате и всех предметов, находящихся в ней, будет увеличиваться, если при закрытых окнах и дверях включить батареи центрального отопления или затопить печь. Если опустить в горячую воду ложку, то температура ложки повысится, а воды понизится. В этом случае изменение внутренней энергии макроскопических тел происходит без совершения работы в процессе теплопередачи (теплообмена).
Теплопередачей называют способ изменения внутренней энергии тела, при котором происходит передача энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
При теплопередаче не происходит превращения энергии из одной формы в другую, как при совершении работы. Этот процесс характеризуется передачей внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

Как вам известно, существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передается либо другому телу при их взаимодействии, либо из более нагретых областей тела к менее нагретым областям.
Конвекция — это явление переноса теплоты в жидкостях или газах (реже — в сыпучих твердых веществах) потоками вещества. Естественная конвекция возникает самопроизвольно при неравномерном нагревании вещества. Например, если на кухонной плите долго готовится пища, температура воздуха под потолком становится значительно выше, чем вблизи пола. На гретый воздух — легкий, поэтому он поднимается вверх, а верхние слои более холодные, тяжелые, поэтому они опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. Конвекцией обусловлены многие атмосферные явления, в том числе образование облаков. При принудительной конвекции перемещение вещества происходит под действием каких-то внешних сил (насоса, лопастей вентилятора и т.п.). Она применяется, когда естественная конвекция недостаточно эффективна. Система охлаждения двигателя автомобиля — пример теплопередачи за счет принудительной конвекции.
Тепловое излучение, или лучеиспускание, — это передача энергии от од них тел к другим в виде электромагнитных волн за счет их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА
Мерой изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи является количество теплоты. Количество теплоты обозначается буквой Q, единица количества теплоты — джоуль.
Количество теплоты Q, полученное или отданное телом массой m в процессе теплопередачи, рассчитывается по формуле: Q = cm(t2 – t1),
где c — удельная теплоёмкость вещества, t1 — начальная температура тела, t2 — конечная температура тела.
Как следует из приведённой формулы, если тело в процессе теплопередачи получает энергию, то t2 > t1 и Q2 > 0; если тело отдаёт энергию, то t2 < t1 и Q < 0.

ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
Ежедневно вы имеете дело с телами, находящимися в различных состояниях, которые характеризуются определёнными параметрами. Например, макроскопические системы — кусок льда, принесённый в комнату зимой, и воздух в комнате — имеют разную температуру. Через некоторое время в результате теплообмена температура льда повысится, а воздуха несколько понизится, лёд растает, образовавшаяся вода нагреется и её температура станет равной температуре воздуха в комнате. Говорят, что между водой и воздухом в комнате установилось тепловое или термодинамическое равновесие, а эти макроскопические системы в данном случае представляют собой термодинамическую систему.
Термодинамическая система — это совокупность макроскопических систем, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешними телами.

Термодинамические системы бывают трех типов: изолированные, закрытые и открытые.
Изолированная термодинамическая система не может обмениваться с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Примером такой системы может служить термос с закрытой крышкой.
Для закрытой термодинамической системы обмен энергией с окружающей средой возможен, а вот вещества ни покидать систему, ни быть добавленными к ней не могут. Примером такой системы может служить закрытая бутылка с минеральной водой. Мы можем охладить содержимое в холодильнике, но при закрытой крышке ни выпустить газ, ни добавить в бутылку что-либо не получится.
Наконец, открытая система может обмениваться с окружающей средой и веществом, и энергией. Любой живой организм — это открытая термодинамическая система.
Теплоизолированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние и самопроизвольно выйти из него не может. Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия.

Состояние системы может быть равновесным и неравновесным
Равновесное состояние характеризуется неизменностью во времени всех термодинамических параметров состояния теплоизолированной системы.
Например, если стакан c горячей водой оставить в комнате, то через некоторое время стакан и вода в нём придут в состояние термодинамического равновесия с воздухом и предметами, находящимися в комнате. При этом температура, давление и объём будут оставаться неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий.
Если система находится в неравновесном состоянии, то, предоставленная самой себе, с течением времени она придёт в равновесное состояние.
Напомним, что количество тепло ты, которое нужно сообщить 1 кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1 °С, равно удельной теплоёмкости вещества. Такое же количество теплоты отдаст 1 кг вещества при понижении его температуры на 1 °С.

ТЕМПЕРАТУРА
Температура — параметр, характеризующий состояние термодинамического равновесия, её значение во всех частях равновесной системы одинаково.
Сложность измерения температуры заключается в том, что её нельзя сравнить с эталоном, как, например, массу или длину. Поэтому используют зависимость от температуры физических свойств тел: объёма, давления, электрического сопротивления и т. п. Первой для измерения температуры была использована зависимость объёма жидкости от температуры. Эта зависимость легла в основу построения шкалы Цельсия, в которой за 0° принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Термометром со шкалой Цельсия измеряют температуру человека.
Другой температурной шкалой является шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля.
Абсолютный нуль — это такая температура, при которой прекращается тепловое движение частиц, составляющих тело. Состояния с температурой, равной абсолютному нулю, достичь нельзя, поскольку тепловое движение молекул невозможно прекратить. Сравнить шкалы Цельсия и термодинамическую можно.
Абсолютному нулю соответствуют –273,15 °С, температуре таяния льда 273,15 К, температуре кипения воды 373,15 К, а 1 °С = 1 К.

Выполните задания