Физический смысл внутренней энергии

Понятие — внутренняя энергия

За этой математической символикой скрыт глубокий физический смысл различия понятий внутренней энергии. теплоты и работы.  [16]

В связи с первым законом термодинамики мы пришли к понятию внутренней энергии. которая является функцией состояния. В § 3 было показано, что изменение внутренней энергии можно измерить, так как оно равно количеству поглощенной теплоты или количеству совершенной работы при соответствующих условиях. Но первый закон не дает никаких указаний относительно направления самопроизвольно идущих процессов. Для того чтобы установить критерий, позволяющий решать, в каком направлении может идти самопроизвольное превращение системы, мы должны обратиться ко второму закону термодинамики, который, как и первый закон, является обобщением опыта человечества. Второй закон не может быть выведен теоретически и принимается как постулат. Имеется несколько формулировок второго закона термодинамики. Так, Клаузиус ( 1850 г.) ввел в термодинамику следующий постулат: теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему. Формулировка Планка гласит: невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводится к поднятию тяжести и охлаждению теплового резервуара. Иными словами, Планк утверждает, что теплота не может самопроизвольно переходить в работу без каких-либо других изменений в системе.  [17]

Другие подразумевают под ним энергию беспорядочного теплового движения, что совпадает с понятием внутренней энергии для идеального газа.  [18]

В связи с этим на практике обычно пользуются понятием энтальпии и реже — понятием внутренней энергии.  [19]

Очевидно, что, подобно понятиям мольных теплоемкостей Ср и Cv можно пользоваться понятиями мольной внутренней энергии U энтальпии Я.  [20]

Если при исследовании химических и физико-химических процессов с позиций первого закона термодинамики широко используется понятие внутренней энергии. то при исследовании их на базе второго закона термодинамики потребовалось введение новой функциональной величины — энтропии.  [21]

Если при исследовании химических и физико-химических процессов с позиций первого закона термодинамики широко используется понятие внутренней энергии. то при исследовании их на базе второго закона термодинамики потребовалось введение, новой функциональной величины — энтропии.  [22]

В теоретических расчетах, как правило, используют значения Cv, поскольку теория теплоемкости конденсированных веществ базируется на понятии внутренней энергии системы. С практической точки зрения использование теплоемкостей при постоянном давлении обусловлено еще и тем, что большинство химических процессов и реакций чаще проводится при постоянном давлении, чем при постоянном объеме.  [23]

Если принять внутреннюю энергию тела при абсолютном нуле равной нулю, то принятое нами определение тепловой энергии совпадает с понятием внутренней энергии.  [24]

Характеристические функции определяют сумму внешних воздействий через параметры системы, поскольку все они могут быть сведены путем простейших математических операций к понятию внутренней энергии.  [25]

Определим теперь микроскопические аналоги термодинамических величин. Понятие внутренней энергии и объема механической системы и термодинамической системы для изолированной замкнутой системы совпадают. Поэтому энергию и объем нашей модельной системы не надо усреднять го о времени, ибо они остаются постоянными в любой момент времени. Требуется определить такие понятия, как температура и давление.  [26]

Это определение следует рассматривать как предварительное. В статистической физике понятие внутренней энергии подвергается уточнению. Обсуждение этого уточнения выходит за рамки общего курса физики.  [27]

Современная формулировка первого начала термодинамики по внешнему балансу и последующие построения принципиальных положений классической термодинамики, до второго начала термодинамики включительно, выполнены Рудольфом Клаузиусом ( 1850 — 1854 гг.) и В. Важнейшим моментом в построении первого начала термодинамики, последовавшим вслед за открытием принципа эквивалентности, является введение понятия внутренней энергии тел ( В.  [28]

Таким образом, одно время ( в шестидесятых, семидесятых, даже восьмидесятых годах) было широко принято объединять в слове теплота три понятия: во-первых, понятие получаемого или отдаваемого телом тепла; во-вторых, понятие внутренней энергии и, в-третьйх, понятие теплового движения. Вследствие этого, например, в сочинениях Энгельса мы еще не встречаем термина внутренняя энергия и находим применение слова теплота в указанном смысле-как обозначение трех понятий, позже дифференцированных.  [29]

В термодинамике обычно рассматривают макроскопически неподвижные системы, не подверженные действию внешних полей. Для таких систем значения полной и внутренней энергий совпадают. Поэтому понятие внутренней энергии является одним из основных в термодинамике.  [30]

Страницы:    9ensp;9ensp;1  9ensp;9ensp;2  9ensp;9ensp;3

Поделиться ссылкой:

Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Энтальпия

Энергиясуществует в различных видахи каждый вид энергии является соответствующей формой движения материи.

Внутренняя энергия (U) системы — это одна из важнейших величин в химической термодинамике. Это параметр состояния, термодинамически определяемый на основе первого начала. Физический смысл внутренней энергии заключается в том, что она характеризует общий запас энергии системы. Сюда входят все виды энергии (вращательного и поступательного движения молекул, энергия внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, составляющих молекулы, энергия вращения электронов в атомах, и т.д.). Но не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию движения системы как целого. Внутренняя энергия (U) — функция состояния, — ее значение зависит от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Абсолютную величину внутренней энергии системы определить пока невозможно и так как неизвестным остается значение Uо (при Т = 0 К), но можно измерить изменение ∆U , происходящее в том или ином процессе. Величина ∆U считается положительной, когда в рассматриваемом процессе внутренняя энергия системы возрастает.

Пусть некоторая система за счет поглощенной теплоты (Q) переходит из одного состояния в другое. В общем случае эта теплота затрачивается на изменение внутренней энергии системы U= U2 U1 и на совершение работы против сил внешнего воздействия А, то есть Q = ∆U + A . Это уравнение — математическое выражение первого закона (первое начало) термодинамики (закон сохранения энергии).

Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения энергии, который устанавливает эквивалентность различных её форм: различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных, всегда одинаковых соотношениях. Отсюда вытекает, что в любой изолированной системе общий запас энергии остается постоянным.

Для процессов с бесконечно малыми изменениями dQ = dU + dA,

где dU функция состояния (полный дифференциал), dQ и dА функции процесса, то есть зависят от способа совершения (осуществления) процесса и выражают бесконечно малые количества теплоты и работы.

Из этого соотношения вытекает ряд следствий:

1. Для кругового процесса в котором ∆U = U2 – U1 = 0. соблюдается равенство

2. Для изотермического (изотермного) процесса, в котором работа совершается против внешнего давления dA = pdV, имеем

dQ = dU + pdV или Q = ∆U + p∆V

3. Для изохорных процессов, где не происходит изменения объема, то есть

∆V = 0 или dV = 0, и работа А = 0, переходу системы из одного состояния в другое отвечает равенство

4. Для изобарных процессов, при Р = соnst:

приращение функции U + рV обозначим Н, Q = H2 – H1 = ∆H, где Н энтальпия, или

Энтальпию часто называют теплосодержанием системы, но это не количество теплоты в теле. Ее изменение, как и изменение внутренней энергии системы, не зависит от пути процесса, так как изменение объема при постоянном давлении определяется только начальным и конечным состоянием системы. Разница между внутренней энергией U и энтальпией Н относительно невелика для конденсированных состояний и для веществ в кристаллическом состоянии не превышает ≈ 5 %. Но разница значительна для систем, содержащих вещества в газообразном состоянии.

Изменение энтальпии может иметь положительное и отрицательное значение. Положительное значение, ∆H > 0 соответствует эндотермическому процессу, то есть процессу, идущему с поглощением теплоты, а отрицательное значение, ∆H < 0 — экзотермическому , то есть процессу, идущему с выделением теплоты (рис. 35). Энергия передается от одной части системы к другой в форме теплоты или в форме работы. Теплота не является функцией состояния, то есть количество теплоты, выделяемой или поглощаемой системой при переходе из одного состояния в другое, зависит от пути перехода. Но для изохорных и изобарных процессов, теплота превращается в функцию состояния.

Тепловым эффектом процесса называют сумму поглощаемой теплоты и всей работы, выполняемой окружающей средой над данной системой, за вычетом работы внешнего давления. Для изохорно-изотермических процессов тепловой эффект равен изменению внутренней энергии системы ∆U = U2 – U1. а для изобарно-изотермических — изменению энтальпии ∆H = H2 – H1 .

Таким образом, при постоянной температуре в изохорных и в изобарных процессах тепловой эффект не зависит от пути перехода и однозначно определяется начальным и конечным состояниями системы.

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Внутренняя энергия газа U из чего она складывается связь с теплоемкостью и температурой

Внутренняя энергия — это кинетическая энергия хаотического (теплового) движения частиц системы (молекул, атомов, ядер, электронов) и потенциальная энергия взаимодействия этих частиц.

Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме, Физический смысл внутренней энергии. Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то

Физический смысл внутренней энергии .

Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах); в общем случае Физический смысл внутренней энергии является функцией и температуры, и объёма.

Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:

Физический смысл внутренней энергии ,

где Физический смысл внутренней энергии — количество вещества, Физический смысл внутренней энергии — изменение температуры.

Для идеального газа внутренняя энергия равна:

Физический смысл внутренней энергии ,

где Физический смысл внутренней энергии — количество степеней свободы, Физический смысл внутренней энергии — универсальная газовая постоянная.

9. Энтальпия. физический смысл, формула, единица измерения

Энтальпи́я. также тепловая функция и теплосодержание — термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц.

Проще говоря, энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении.

Если термомеханическую систему рассматривать как состоящую из макротела (газа) и поршня площадью S с грузом весом Р = pS. уравновешивающего давление газа р внутри сосуда, то такая система называется расширенной .

Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузомEпот = pSx = pV

Физический смысл внутренней энергии

Таким образом, энтальпия в данном состоянии представляет собой сумму внутренней энергии тела и работы, которую необходимо затратить, чтобы тело объёмом V ввести в окружающую среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии. Энтальпия системы H — аналогично внутренней энергии и другим термодинамическим потенциалам — имеет вполне определенное значение для каждого состояния, т. е. является функцией состояния. Следовательно, в процессе изменения состояния

Физический смысл внутренней энергии

Изменение энтальпии (или Тепловой эффект химической реакции) не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы. Если система каким-либо путём возвращается в исходное состояние (круговой процесс), то изменение любого её параметра, являющегося функцией состояния, равно нулю, отсюда Физический смысл внутренней энергии. или же

Физический смысл внутренней энергии

Дифференциал энтальпии, выраженный в собственных переменных — через энтропию S и давление p:

Физический смысл внутренней энергии

Поскольку в квазиравновесных процессах Физический смысл внутренней энергии — количество теплоты, подведенной к системе, отсюда вытекает физический смысл введения понятия энтальпии: ее изменение — это тепло, подведенное к системе в изобарическом процессе (при постоянном давлении). Практическое применение этой функции основано на том, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях реализуются именно при постоянном (атмосферном) давлении, когда резервуар открыт. Так, энтальпия образования — количество энергии, которое выделяется или поглощается при образовании сложного вещества из простых веществ.

Все химические реакции сопровождаются выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. Мерой теплоты реакции служит изменение энтальпии &#&16;Н, которая соответствует теплообмену при постоянном давлении. В случае экзотермических реакций система теряет тепло и &#&16;Н — величина отрицательная. В случае эндотермических реакций система поглощает тепло и &#&16;Н — величина положительная.

Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление р и температуру Т

Физический смысл внутренней энергии

В этом случае изменение энтальпии в изобарическом процессе практически удобно рассчитывать, зная теплоемкость при постоянном давлении Физический смысл внутренней энергии (термохимический закон Кирхгофа): Физический смысл внутренней энергии

При этом используется эмпирическое разложение теплоёмкости в ряд по степеням Т:

Физический смысл внутренней энергии

Энтальпия — величина аддитивная (экстенсивная ), т. е. для сложной системы равна сумме энтальпий её независимых частей Физический смысл внутренней энергии. Подобно другим термодинамическим потенциалам, энтальпия определяется с точностью до постоянного слагаемого, которому в термодинамике часто придают произвольные значения (например, при расчете и построении тепловых диаграмм). При наличии немеханических сил величина энтальпии системы равна

Физический смысл внутренней энергии

где Физический смысл внутренней энергии — обобщённая сила; Физический смысл внутренней энергии — обобщённая координата.

Инвариантная энтальпия в релятивистской термодинамике

При построении релятивистской термодинамики (с учетом специальной теории относительности) обычно наиболее удобным подходом является использование так называемой инвариантной энтальпии — для системы, находящейся в некотором сосуде.

При этом подходе температура Физический смысл внутренней энергии определяется как лоренц-инвариант. Энтропия Физический смысл внутренней энергии — также инвариант. Поскольку стенки влияют на систему, наиболее естественной независимой переменной является давление Физический смысл внутренней энергии. в связи с чем в качестве термодинамического потенциала удобно брать именно энтальпию [1] .

Для такой системы «обычная» энтальпия и импульс системы Физический смысл внутренней энергии образуют 4-вектор, и за определение инвариантной энтальпии, одинаковой во всех системах отсчёта, берётся инвариантная функция этого 4-вектора:

Физический смысл внутренней энергии

Основное уравнение релятивистской термодинамики записывается через дифференциал инвариантной энтальпии следующим образом:

Физический смысл внутренней энергии

Пользуясь этим уравнением, можно решить любой вопрос термодинамики движущихся систем, если известна функция Физический смысл внутренней энергии .

10.Энтропия. физический смысл, формула, единица измерения

Энтропи́я (от др.-греч. &#7&52;ντροπία — поворот, превращение) — в естественных науках мера неупорядоченности системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности ивариативности исторического процесса).

Энтропия в информатике — степень неполноты, неопределённости знаний.

Энтропия — мера неупорядоченности системы.

Явление, обратное энтропии, именуется негэнтропией .

Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при замкнутых обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.

Физический смысл внутренней энергии ,

где Физический смысл внутренней энергии — приращение энтропии; Физический смысл внутренней энергии — минимальная теплота, подведённая к системе; Физический смысл внутренней энергии — абсолютная температура процесса.

· Термодинамическая энтропия — термодинамическая функция, характеризующая меру неупорядоченности термодинамической системы, то есть неоднородность расположения и движения её частиц.

Внутренняя энергия

Любая термодинамическая система состоит из атомов и молекул, находящихся в непрерывном движении. Количественной характеристикой движения является энергия.

Внутренняя энергия (U) характеризует общий запас энергии системы. Она включает все виды движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: кинетическую энергию молекулярного движения, межмолекулярную энергию притяжения и отталкивания частиц, внутримолекулярную или химическую энергию, энергию электронного возбуждения, внутриядерную и лучистую энергию.

Величина внутренней энергии зависит от природы вещества. его массы и параметров состояния системы .

Определение полного запаса внутренней энергии вещества невозможно, т.к. нельзя перевести систему в состояние, лишенное внутренней энергии. Поэтому в термодинамике рассматривают изменение внутренней энергии (∆U), которое представляет собой разность величин внутренней энергии системы в конечном и начальном состояниях:

Бесконечно малое изменение внутренней энергии обозначают через du т.к. внутренняя энергия является функцией состояния и ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы, то du будет полным дифференциалом. Величины ∆U и du считают положительными, если внутренняя энергия при протекании процесса возрастает, а отрицательными если убывает.

Теплота и работа

Передача энергии от системы к окружающей среде и наоборот осуществляется в виде теплоты (Q) и работы (А).

Физический смысл внутренней энергии

Физический смысл внутренней энергии

Физический смысл внутренней энергии Физический смысл внутренней энергии

Форма передачи энергии от одной части системы к другой вследствие неупорядоченного движения молекул, зависящая лишь от температуры частей системы и не связанная с перекосом вещества в системе называется теплотой .

Теплота связана с процессом, а не с состоянием системы, т.е. теплота является функцией состояния она зависит от пути процесса поэтому бесконечно малое количество теплоты обозначается δQ и не является полным дифференциалом. Теплота, подводимая к системе, считается положительной, а отданная ею — отрицательной .

Работа процесса — это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому.

Работа, как и теплота, связана с процессом и не является свойством системы, т.е. функцией состояния. Paбoту, совершаемую системой против внешних сил. принято считать положительной, а совершаемую над системой — отрицательной .

Первый закон термодинамики

Первый закон имеет несколько формулировок:

Внутренняя энергия изолированной системы постоянна.

Работа и теплота эквивалентны.

Вечный двигатель I рода невозможен. (Двигатель I рода дает работу без затраты энергии из окружающей среды.)

Математическое выражение I закона:

где Q — количество сообщенной системе теплоты;

∆U — изменение внутренней энергии;

А — суммарная работа, совершаемая системой.

Для бесконечно малых элементарных процессов уравнение (1) имеет вид:

δQ = du – δА = du — pdV + δА,

где pdV — работа расширения;

δА — сумма всех остальных видов элементарных работ (магнитная, электрическая и др.).

Величину δА называют полезной работой. В химической термодинамике принимают во внимание только работу расширения, а работу δА считают равной 0. Поэтому

δА = pdV, тогда δQ= du + pdV (2)

Из уравнений (1.2) следует, что количество, теплоты подведенное к системе или отведенное от нее идет на изменение внутренней энергии и на работу, совершаемую системой или совершаемую над системой.

Энтальпия — функция состояния системы, определяемая уравнением H = U + PV (U — внутренняя энергия системы, P — давление. V — объём ). Абсолютную величину энтальпии определить нельзя, так как для этого потребуется определить абсолютное значение внутренней энергии системы, что невозможно. Определяют лишь изменение энтальпии.

[править ] Физический смысл энтальпии

Физический смысл энтальпии можно определить как сумма внутренней энергии системы и энергии, которая «хранится» в виде давления, производимого системой, и объёма, который она занимает («энергия» последнего слагаемого выделяется в виде работы при изменении объёма системы (смотри работа газа)). Но физический смысл энтальпии не столь важен, как математический.

[править ] Дифференциал энтальпии

Продифференциируем выражение H = U + PV:

dH = dU + PdV + dPV.

А теперь рассмотрим изменение энтальпии при изобарных и изохорных условиях. P = const, dH = dU + PdV, что, очевидно, равно поглощённой системой теплоте согласно первому закону термодинамики dQ = dU + PdV. Таким образом, в изобарных условиях изменение энтальпии равно теплоте, полученной или выделенной системой. V = const, dQ = dU, то есть изменение внутренней энергии системы равно теплоте, полученной или выделенной ею.

[править ] См. также




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *