Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы Число материальных точек в системе (число атомов в молекуле) Число степеней свободы

Число степеней свободы

Число материальных точек в системе (число атомов в молекуле)	Число степеней свободы
			Полное
1 (нет связи)		–	–
2 (упругая связь)
2 (жесткая связь)			–
3 (нелинейная молекула)
3 (линейная молекула)
(нелинейная молекула)
(линейная молекула)

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими внешними телами, обмениваясь с ними энергией и веществом. Термодинамическая система состоит из столь большого числа томов и молекул, что ее состояние можно характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением, концентрацией вещества, образующего термодинамическую систему.

Тела, не входящие в систему, называются внешними или окружающей средой. Термодинамическая система является замкнутой (изолированной), если отсутствует обмен веществом между нею и окружающей средой. Если система не поглощает и не отдает тепла, то она называется адиабатическиизолированной. Простейшей термодинамической системой является идеальный газ.

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя

энергия U, включающая кинетическую энергию хаотического (теплового) движения частиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.) и потенциальную энергию взаимодействия этих частиц. К внутренней энергии не относится кинетическая энергия системы как целого и потенциальная энергия системы во внешних полях.

Поскольку предполагается, что молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, то потенциальная энергия их взаимодействия равна 0 и внутренняя энергия идеального газа складывается из кинетической энергии движения его молекул: . Число молекул , содержащихся в массе газа , равно , следовательно,

. (9.1.2)

Таким образом, функция состояния газа, зависящая от температуры газа в данном состоянии и не зависящая от способа, каким газ был приведен в это состояние. Следовательно, можно записать, что .

Изменить внутреннюю энергию газа можно, совершив над газом работу, например, двигая поршень, под которым он находится (рис. 9.2.1).

При упругих соударениях молекул газа с поршнем скорость молекул изменяется. При этом энергия направленного движения поршня переходит сначала в энергию направленного движения молекул, а затем, в результате столкновений молекул между собой, – в энергию хаотического движения молекул (рис. 9.2.1, а). Возможен и обратный процесс (рис. 9.2.1, б). Если газ двигает поршень при расширении, энергия хаотического движения молекул переходит в механическую энергию поршня. Происходит переход энергии из одних форм в другие: если над газом совершается работа, механическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения молекул и наоборот.

Изменить внутреннюю энергию можно и в процессе теплопередачи, когда работа не совершается, а изменение внутренней энергии происходит за счет упругих столкновений молекул менее нагретого тела с молекулами более нагретого, в результате кинетические энергии молекул холодного тела увеличиваются, а горячего – уменьшаются. В процессе теплопередачи не происходит перехода энергии из одной формы в другую: внутренняя энергия более нагретого тела переходит во внутреннюю энергию менее нагретого. Количественная мера изменения внутренней энергии при теплопередаче – количество теплоты .

Дата добавления: 2014-01-20