Заказ №38828

Почему нельзя измерить абсолютное значение внутренней энергии? Что понимают под определением «сверхнулевое» значение внутренней энергии?

Решение

Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят: 4. кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул; 5. потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул; 6. внутриатомная и внутриядерная энергии. В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела. Рассчитать внутреннюю энергию можно только для идеального газа, т.к. молекулы не взаимодействуют между собой и потенциальная энергия их равна нулю: Средняя кинетическая энергия молекулы ⟨𝑊𝑘⟩ = 𝑖 2 ⋅ 𝑘 ⋅ 𝑇. Число молекул в газе 629 N = m*M*NA. Следовательно, внутренняя энергия идеального газа U=N⋅⟨Wk⟩=m*M*NA* 𝑖 2 *k*T. Учитывая, что k*NA = R — универсальная газовая постоянная, имеем 𝑈 = 𝑖 2 ⋅ 𝑚 𝑀 ⋅ 𝑅 ⋅ 𝑇, где i — степень свободы. Для одноатомного газа (например, инертные газы) i = 3, для двухатомного — i = 5. Из этих формул видно, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и числа молекул и не зависит ни от объема, ни от давления. Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера процесса, в котором газ переходит из одного состояния в другое: ∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 = 𝑖 2 ⋅ 𝑚 𝑀 ⋅ 𝑅 ⋅ ∆𝑇 где ΔT = T2 - T1. Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией Wp, которая зависит от расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема. Таким образом, внутренняя энергия реального газа зависит от его температуры, объема и структуры молекул. Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U2 - U1. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии. Абсолютную величину внутренней энергии определить невозможно. Она представляет собой способность системы (потенциал) к совершению работы или передаче теплоты. Однако можно определить ее изменение U при переходе из одного состояния в другое: ΔU = U2 - U1 , где U2 и U1- внутренняя энергия системы в конечном и начальном состояниях. Если ΔU > 0 –внутренняя энергия системы возрастает, если ΔU < 0 – внутренняя энергия системы убывает.