ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. РАСЧЕТНАЯ ФОРМУЛА ДЛЯ НЕЕ

INTERNAL ENERGY OF AN IDEAL GAS. CALCULATION FORMULA FOR HER

Elizaveta Ivanova

student, Bachelor, Faculty of Information Technology, Russian State Social University,

Russia, Moscow

Damir Bikbulatov

Scientific Supervisor, Senior Lecturer, Russian State Social University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена внутренней энергией идеального газа, которая рассматривает сумму кинетических энергий движения молекул. Внутренняя энергия является положительной, если внутренняя энергия системы растет, и отрицательной, при уменьшении внутренней энергии.

ABSTRACT

The article is devoted to the internal energy of an ideal gas, which considers the sum of the kinetic energies of the motion of molecules. The internal energy is positive if the internal energy of the system increases, and negative if the internal energy decreases.

Ключевые слова: термодинамика, внутренняя энергия, кинетическая энергия, идеальный газ.

Keywords: thermodynamics, internal energy, kinetic energy, ideal gas.

В термодинамике особенно важную роль играют газы. Только подумайте о газообразных топливно-воздушных смесях в двигателях внутреннего сгорания. Для описания таких процессов горения газы часто рассматривают как идеальные газы.

Существует несколько видов внутренней энергии вещества:

1. тепловая энергия (перенос и вращение молекул газа)
2. энергия связи
3. химическая энергия
4. энергия возбуждения

С упомянутыми выше предположениями внутренняя энергия для идеального может быть сведена только к одному виду энергии. Таким образом, для идеальных газов также не существует химической энергии как формы внутренней энергии.

Кроме того, возбуждение молекул газа в более высокие энергетические состояния невозможно, так как идеальные газы испытывают только упругие столкновения. Это означает, в частности, что молекулы газа не могут поглощать энергию при столкновениях. Поэтому энергии возбуждения не могут быть частью внутренней энергии идеального газа. Кроме того, внутренняя энергия идеального газа не может состоять из энергии вращения, поскольку предполагается, что молекулы являются материальными точками и, следовательно, не могут вращаться.

Таким образом, изменение внутренней энергии идеального газа оказывает прямое влияние на кинетическую энергию молекул. В то же время кинетическая энергия молекулы напрямую связана с температурой. Чем выше температура газа, тем больше кинетическая энергия молекул и, следовательно, больше внутренняя энергия.

И наоборот, уменьшение внутренней энергии означает уменьшение кинетической энергии молекул и, следовательно, снижение температуры. Поэтому для идеального газа можно заключить, что всякое изменение внутренней энергии означает изменение температуры или, наоборот, всякое изменение температуры означает изменение внутренней энергии газа.

Согласно первому закону термодинамики внутреннюю энергию U и, следовательно, температуру идеального газа можно изменить двумя способами. С одной стороны, за счет передачи теплоты Q, а с другой — за счет совершения работы A.

                                                                      (1)

Отметим, что механизмы передачи энергии в виде теплоты Q и работы A основаны на двух разных принципах. Для передачи тепла обязательно требуется разность температур, которая является основой для передачи энергии от молекул более горячего вещества к молекулам более холодного вещества. Однако в случае работы сила прилагается механически. Разность температур как движущая сила передачи энергии здесь не нужна, даже если температура газа изменяется за счет передаваемой работы. Совершение работы над газом достигается уменьшением объема (сжатием) – увеличением внутренней энергии. Если же газ совершает работу, то это приводит к увеличению объема (расширению) – уменьшению внутренней энергии.

Если вы знаете температуру газа (и его количество), то с ним напрямую связана определенная внутренняя энергия. Это не зависит от давления или объема газа. Поэтому изменение внутренней энергии зависит только от изменения температуры.

Таким образом, изменение внутренней энергии во время термодинамического процесса ясно определяется в идеальных газах, если известны начальная температура (и, следовательно, начальная энергия) и конечная температура (и, следовательно, конечная энергия). Поэтому для изменения внутренней энергии не имеет значения, является ли это изобарным, изохорным, изоэнтропическим или любым другим процессом. Только изменение температуры определяет изменение внутренней энергии!

Тот факт, что внутренняя энергия зависит только от состояния газа (с точки зрения температуры), а не от типа процесса, делает внутреннюю энергию переменной состояния. В отличие от этого теплота и работа зависят от термодинамического процесса (изохорного, изотермического, изобарического или изоэнтропического) и поэтому считаются величинами процесса.

Для нахождения внутренней энергии идеального одноатомного газа через давление и объем используется формула

                                                                         (2)

Или в общем виде

                                                                        (3)

Вывод: таким образом, внутренняя энергия идеального газа не зависит от температуры, это значит, что внутренняя энергия газа, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, не зависит от того, каким способом данное тело приведено в данное состояние, а определяется его макроскопическими параметрами, например, температурой и объёмом.

Список литературы:

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров
2. Хазен А. М. Разум природы и разум человека.
3. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы.
4. Глазов В. М. Основы физической химии.
5. Базаров И. П. Термодинамика