fizikzauglom

เกรด 10 · อุณหพลศาสตร์

พลังงานภายในและกฎข้อที่หนึ่ง

พลังงานภายในของแก๊สอะตอมเดี่ยว งาน และกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

26 นาที19 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

แก๊สในภาชนะที่มีฉนวนความร้อนดันลูกสูบขึ้นและทำงาน พลังงานที่ถ่ายเทออกไปมาจากไหนหากไม่มีความร้อนเข้าสู่แก๊ส? คำตอบต้องแยกพลังงานที่อยู่ภายในแก๊สออกจากวิธีถ่ายเทพลังงานผ่านขอบเขตของระบบ

ภาชนะมีฉนวนความร้อนลูกสูบขึ้นน้ำหนักกดQ = 0พลังงานที่ใช้ทำงานมาจากไหน?
แก๊สดันลูกสูบที่มีน้ำหนักกดอยู่ขึ้น แม้ภาชนะมีฉนวนความร้อนและไม่รับความร้อนจากภายนอก พลังงานที่ใช้ทำงานจึงต้องมาจากที่อื่น

พลังงานภายในระบบ

เราถือกระติกเก็บความร้อนที่ปิดสนิทเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วได้โดยไม่ทำให้สิ่งที่อยู่ภายในร้อนขึ้น ต้องแยกการเคลื่อนที่ของทั้งระบบออกจากการเคลื่อนที่และอันตรกิริยาของอนุภาค ซึ่งเป็นตัวกำหนดพลังงานภายใน U มีหน่วยเป็นจูล เมื่อเลือกแก๊สเป็นระบบ เราเปรียบเทียบสถานะสุดท้ายกับสถานะเริ่มต้น: \Delta U=U_2-U_1 ผลต่างบวกหมายถึงพลังงานภายในเพิ่มขึ้น ผลต่างลบหมายถึงลดลง แต่ผลต่างนี้เพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่าพลังงานถ่ายเทด้วยวิธีใด

อะไรบ้างเป็นพลังงานภายใน?v ของภาชนะไม่รวมใน UU: การเคลื่อนที่และอันตรกิริยาของอนุภาคΔU = U₂ − U₁ หน่วยจูลเทียบค่าสุดท้ายกับค่าเริ่มต้น
พลังงานภายในมาจากการเคลื่อนที่เชิงความร้อนและอันตรกิริยาของอนุภาค ภาพแสดงความเร็วเชิงความร้อนเทียบกับภาชนะและเส้นแทนอันตรกิริยาอย่างคร่าว ๆ พลังงานจากการเคลื่อนที่ของภาชนะทั้งใบไม่รวมอยู่ใน U ส่วน ΔU เปรียบเทียบสถานะสุดท้ายกับสถานะเริ่มต้น

แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว

พิจารณาแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว เราละเลยอันตรกิริยาระหว่างการชน และไม่ต้องรวมการหมุนหรือการสั่นของโมเลกุล อนุภาคแต่ละตัวมีพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเลื่อนที่ 3kT/2 เมื่อรวมทุกอนุภาคจึงได้ U=3\nu RT/2 โดย \nu=m/M มีหน่วยโมล และ T มีหน่วย K หากเพิ่มปริมาณแก๊สเป็นสองเท่าที่อุณหภูมิเดิม U จะเพิ่มเป็นสองเท่า ตัวประกอบ 3/2 มาจากการเลื่อนที่ในสามทิศทาง

U = 3 ν R T / 2xyzν = m / MT ในหน่วยเคลวินแต่ละทิศทาง: kT/2N · 3kT/2 = 3νRT/2แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว
แกนทั้งสามแทนทิศทางอิสระของการเลื่อนที่ สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวแบบคลาสสิกที่สมดุล แต่ละทิศทางให้พลังงานเฉลี่ย kT/2 ต่ออนุภาค จึงได้ U=N·3kT/2=3νRT/2 แกนเหล่านี้ไม่ได้แสดงเวกเตอร์ความเร็วแยกกันสามเวกเตอร์

อีกวิธีเขียนพลังงานเดียวกัน

หากทราบความดันและปริมาตรแทนอุณหภูมิ ก็ไม่ต้องสร้างแบบจำลองอนุภาคใหม่ จาก pV=\nu RT ได้ U=3mRT/(2M)=3pV/2 สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวเดิม หน่วย Pa·m³ เท่ากับจูล เมื่อปริมาณแก๊สคงตัว ผลคูณ pV เท่ากันหมายถึง U เท่ากัน แม้ p และ V แต่ละตัวจะต่างกัน แก๊สหลายอะตอมอาจมีพลังงานจากการหมุนและการสั่นเพิ่มเติม จึงไม่อาจใช้ตัวประกอบ 3/2 กับพลังงานภายในทั้งหมดโดยอัตโนมัติ

แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวp V = ν R TU = 3mRT/(2M) = 3pV/2p หน่วยพาสคัล, V หน่วยลูกบาศก์เมตรแก๊สหลายอะตอม:ตัวประกอบอาจต่างออกไป
สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว U=3νRT/2 เมื่อใช้ ν=m/M และ pV=νRT ได้ U=3mRT/(2M)=3pV/2 ผลคูณ Pa·m³ มีหน่วยเป็นจูล องศาอิสระเพิ่มเติมของแก๊สหลายอะตอมอาจทำให้ตัวประกอบเปลี่ยนไป

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

หาการเปลี่ยนแปลงพลังงานโดยลบค่า 3mRT/(2M) ของแก๊สตัวอย่างเดียวกันในสองสถานะ: \Delta U=3mR\Delta T/(2M) โดย \Delta T=T_2-T_1 การเย็นลงให้ผลต่างอุณหภูมิและ ΔU เป็นลบ ที่มวลเดิม หากผลต่างอุณหภูมิเพิ่มเป็นสองเท่า การเปลี่ยนแปลงพลังงานก็เพิ่มเป็นสองเท่า ใช้หน่วยของ m และ M ให้สอดคล้องกันเป็น kg และ kg/mol ผลต่างอุณหภูมิมีค่าตัวเลขเท่ากันใน K และ °C แต่อุณหภูมิในสูตร U ต้องใช้ K

ΔT กำหนดเครื่องหมายของ ΔUร้อนขึ้น: ΔT > 0TT₁T₂T₂เย็นลง: ΔT < 0ΔU = 3 m R ΔT / (2 M)m หน่วย kg, M หน่วย kg/mol
สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวปริมาณคงตัว การเปลี่ยนพลังงานภายในมีเครื่องหมายเดียวกับผลต่างอุณหภูมิ: เป็นบวกเมื่อร้อนขึ้นและเป็นลบเมื่อเย็นลง ใช้หน่วยมวลและมวลต่อโมลให้สอดคล้องกัน

ใครเป็นผู้ทำงาน?

เมื่อแก๊สขยายตัวและดันลูกสูบ แก๊สถ่ายเทพลังงานให้สิ่งแวดล้อม ให้ A เป็นงานที่แก๊สทำ โดยเป็นบวกเมื่อขยายตัว ระหว่างการอัด สิ่งแวดล้อมถ่ายเทพลังงานให้แก๊ส งานของสิ่งแวดล้อม A\prime เป็นบวก ส่วน A เป็นลบ สำหรับการถ่ายเทเดียวกัน A\prime=-A เครื่องหมายไม่ได้บอกว่ากระบวนการมีประโยชน์เพียงใด แต่บอกว่าเราอธิบายการถ่ายเทพลังงานจากด้านใดของขอบเขตระบบ

ใครเป็นผู้ทำงาน?sแก๊สขยายตัวA > 0sแก๊สถูกอัดA′ > 0, A < 0การถ่ายเทเดียวกัน: A′ = −A
เมื่อขยายตัว แก๊สดันลูกสูบออกและ A>0 เมื่อถูกอัด งานที่แก๊สทำเป็นลบ ส่วนงานของแรงภายนอกที่ทำต่อแก๊สเป็นบวก ลูกศร s แสดงการกระจัดของลูกสูบ ความสัมพันธ์ A′=−A ใช้กับแบบจำลองการถ่ายเทงานแบบกึ่งสถิตที่สอดคล้องกัน

ความดันคงตัว

ให้แก๊สดันลูกสูบพื้นที่ S ขึ้นช้า ๆ เป็นระยะ l ที่ความดัน p คงตัว แรงเท่ากับ pS งานจึงเป็น A=pSl=p\Delta V เพราะ \Delta V=Sl=V_2-V_1 เมื่อปริมาตรที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า งานก็เป็นสองเท่า ส่วนการอัดให้ ΔV เป็นลบ ความดันหน่วย Pa และปริมาตรหน่วย m³ ให้งานหน่วย J การเคลื่อนที่ช้าทำให้ถือว่าแก๊สอยู่ใกล้สมดุลได้ แต่ในกระบวนการรวดเร็ว ความดันในแก๊สอาจไม่เท่ากันทุกตำแหน่ง

ขยายตัวที่ p = constF = pSΔVแก๊สΔxA = pΔV > 0; A′ = −AΔV = SΔx
การขยายตัวช้าที่ความดันคงตัว: แรงของแก๊ส F=pS เริ่มที่ผิวล่างของลูกสูบซึ่งมีพื้นที่ S เส้นประแสดงขอบเขตเดิมของแก๊ส พื้นที่สีเขียวคือปริมาตรที่เพิ่ม ΔV=SΔx ลูกศร Δx แสดงการกระจัด จึงได้ A=pΔV>0 และ A′=−A เมื่ออัดแก๊ส เครื่องหมายของงานที่แก๊สทำจะกลับกัน นิพจน์ A=νRΔT ต้องใช้กับแก๊สอุดมคติปริมาณคงตัว

เขียนงานในรูปอุณหภูมิ

หากวัดระยะเลื่อนของลูกสูบไม่สะดวก ให้ใช้อุณหภูมิ สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงตัวที่ p คงตัว การลบสมการสถานะให้ p\Delta V=(m/M)R\Delta T ดังนั้น A=(m/M)R\Delta T เมื่อได้รับความร้อน แก๊สขยายตัวและทำงานเป็นบวก หากความดันเปลี่ยน การนำค่าความดันค่าเดียวคูณการเปลี่ยนปริมาตรรวมจะไม่พอ ต้องหางานในช่วงย่อยโดยคำนึงถึงความดันที่เปลี่ยนไป

สองนิพจน์ของงานA = p ΔVใช้ปริมาตร=A = ν R ΔTใช้อุณหภูมิp = const, ν = const; แก๊สอุดมคติpVความดันเปลี่ยน:ใช้ p·ΔV ตรง ๆ ไม่ได้ตรวจสอบก่อนว่า p คงตัว
สำหรับกระบวนการช้าที่ความดันคงตัว A=pΔV และสำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงตัว pΔV=νRΔT กราฟ p(V) ด้านล่างเตือนว่า เมื่อความดันเปลี่ยน จะเลือกความดันค่าเดียวตามใจมาใช้กับการเปลี่ยนปริมาตรทั้งหมดไม่ได้

กฎข้อที่หนึ่ง

แก๊สรับพลังงานจากการถ่ายเทความร้อนและถ่ายเทพลังงานออกด้วยการทำงานได้ กำหนดให้ความร้อน Q ที่รับเข้าเป็นบวกและที่ปล่อยออกเป็นลบ การอนุรักษ์พลังงานจึงให้ \Delta U=Q-A หรือ Q=\Delta U+A พลังงานที่เข้ามาใช้เปลี่ยนพลังงานภายในหรือถ่ายเทออกด้วยงาน เมื่อ Q = 0 งานที่เป็นบวกทำให้ U ลดลง ความร้อนไม่ใช่สารที่เก็บอยู่ภายใน Q บอกการถ่ายเทพลังงาน ส่วน U บอกสถานะของระบบ

ให้ความร้อนที่ p = constQ > 0A > 0ΔU > 0T₂ > T₁Q = ΔU + A; A′ = −Aอะตอมเดี่ยว: U = 3νRT/2
ให้ความร้อนอย่างช้า ๆ แก่แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวปริมาณเดิมที่ความดันคงตัว พลังงาน Q ที่ได้รับใช้เพิ่มพลังงานภายใน ΔU และทำงาน A: Q=ΔU+A เมื่อ A′=−A กฎเดียวกันให้ ΔU=Q+A′ สำหรับแก๊สนี้ U=3νRT/2=3pV/2 และ ΔU=3νRΔT/2 โดย ΔT=T₂−T₁ ลูกศรภายในแสดงความเร็วเชิงความร้อนของอนุภาคเทียบกับภาชนะ ลูกศรภายนอกแสดงการถ่ายเทพลังงาน ความยาวลูกศรไม่ได้กำหนดสัดส่วนของ Q พลังงานมีหน่วยจูล

สมดุลเดิมเมื่อใช้งานที่ทำต่อแก๊ส

โจทย์อาจให้งานที่ทำต่อแก๊สมา ในกรณีนี้เขียนเป็น \Delta U=Q+A\prime ได้สะดวกกว่า โดยทั้งสองพจน์ที่เป็นบวกบอกพลังงานที่เข้าสู่ระบบ หากอัดแก๊สโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน \Delta U=A\prime>0 พลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น นี่ยังคงเป็นกฎข้อที่หนึ่งเดิม เพราะ A\prime=-A ก่อนคำนวณ ให้ระบุว่างานนั้นเป็น ‘งานที่แก๊สทำ’ หรือ ‘งานที่ทำต่อแก๊ส’ เพื่อป้องกันการเปลี่ยนเครื่องหมายโดยไม่มีเหตุผลทางฟิสิกส์

ข้อตกลงเครื่องหมายสองแบบแก๊สQAΔU = Q − AA: งานที่แก๊สทำแก๊สQA′ΔU = Q + A′A′: งานที่ทำต่อแก๊สA′ = −A: กฎเดียวกัน
ลูกศรกำหนดทิศบวกของการถ่ายเทพลังงาน: Q เข้าแก๊ส A ออกจากแก๊ส และ A′ เข้าแก๊ส นี่คือข้อตกลงเครื่องหมายสองแบบ ไม่ใช่ภาพสองภาพที่แสดงกระบวนการทิศเดียวกัน ค่า A และ A′ ตรงข้ามกัน: ΔU=Q−A=Q+A′

ปริมาตรคงตัว

ให้ความร้อนแก่แก๊สในภาชนะแข็ง ขอบเขตไม่เคลื่อนที่ งานจากการขยายตัวจึงเป็น A = 0 หากไม่มีงานชนิดอื่น กฎข้อที่หนึ่งให้ Q=\Delta U พลังงานที่ถ่ายเทด้วยความร้อนทั้งหมดเพิ่มพลังงานภายใน ระหว่างการเย็นลง ทั้งสองปริมาณเป็นลบ ปริมาตรคงตัวเพียงอย่างเดียวไม่ได้ห้ามงานทุกชนิด เช่น ใบพัดกวนอาจถ่ายเทพลังงานให้แก๊สได้แม้ V คงตัว แต่ตัวอย่างกระบวนการปริมาตรคงตัวนี้ไม่รวมงานดังกล่าว

ภาชนะแข็ง: ไม่มีงานจากการขยายตัวV = constQΔUA = 0ความร้อนทั้งหมดเพิ่มพลังงานภายในตัวอย่าง: ให้ความร้อนแก่ถังแข็ง
ให้ความร้อนแก่ภาชนะแข็งที่ปิดอยู่ ผนังไม่เคลื่อนที่ งานจากการขยายตัวจึงเป็นศูนย์ หากไม่มีงานชนิดอื่น พลังงานจากการถ่ายเทความร้อนทั้งหมดจะเพิ่มพลังงานภายใน: ΔU=Q>0

อุณหภูมิคงตัว

ให้แก๊สอุดมคติปริมาณเดิมขยายตัวโดยรักษาอุณหภูมิให้คงตัว สำหรับแก๊สอุดมคติ U ขึ้นกับอุณหภูมิและปริมาณแก๊ส จึงได้ \Delta U=0 แต่ลูกสูบยังเคลื่อนที่และงานอาจเป็นบวกได้ ซึ่งต้องมี Q=A ความร้อนที่รับเข้าชดเชยพลังงานที่ถ่ายเทออกเป็นงาน ดังนั้น ‘อุณหภูมิไม่เปลี่ยน’ ไม่ได้หมายถึง ‘ไม่มีการถ่ายเทความร้อน’ เมื่ออัดที่อุณหภูมิคงตัว เครื่องหมายของงานและความร้อนจะกลับกัน ต้องถ่ายเทพลังงานออก

อุณหภูมิคงตัวQU คงตัวΔU = 0AQ = A: ความร้อนใช้ทำงานยังมีการถ่ายเทความร้อนสำหรับแก๊สปริมาณคงตัว
ที่อุณหภูมิคงตัว พลังงานภายในของแก๊สอุดมคติปริมาณเดิมไม่เปลี่ยน ความร้อนที่ได้รับทั้งหมดจึงใช้ทำงานจากการขยายตัว โดยยังมีการถ่ายเทความร้อน

ความดันคงตัว

เมื่อลูกสูบรับภาระคงตัว การให้ความร้อนแก่แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวทำให้ทั้งการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอนุภาคเพิ่มขึ้นและแก๊สขยายตัว ส่วนแรกคือ \Delta U=3\nu R\Delta T/2 ส่วนที่สองคือ A=\nu R\Delta T รวมกันเป็น Q=\Delta U+A การเพิ่มอุณหภูมิเท่ากันที่ความดันคงตัวจึงต้องใช้ความร้อนมากกว่าที่ปริมาตรคงตัว เพราะพลังงานบางส่วนถ่ายเทออกผ่านลูกสูบที่เคลื่อนที่ เงื่อนไขของกระบวนการกำหนดการแบ่งพลังงานนี้

ความดันคงตัว: พลังงานแบ่งเป็นสองส่วนQΔU = 3νRΔT/2ทำให้แก๊สร้อนขึ้นA = νRΔTดันลูกสูบขึ้นQ = ΔU + Aแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว, ν = const
ให้ความร้อนอย่างช้า ๆ แก่แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวปริมาณคงตัวที่ความดันคงตัว ความร้อนที่ได้รับเพิ่มพลังงานภายในและใช้ทำงานจากการขยายตัว ขนาดกรอบสูตรไม่ได้แทนสัดส่วนพลังงาน สัดส่วนหาได้จากตัวประกอบในสูตร

ทำไมจึงเป็นสามในห้าและสองในห้า?

รวมทั้งสองส่วนได้ Q=5\nu R\Delta T/2 ส่วนที่เพิ่มพลังงานภายในคิดเป็น 3/5 และส่วนที่เป็นงานคิดเป็น 2/5: \Delta U=0{,}6Q, A=0{,}4Q หากเพิ่มความร้อนที่ให้เป็นสองเท่าภายใต้เงื่อนไขเดิม ทั้งสองส่วนจะเพิ่มเป็นสองเท่าแต่สัดส่วนไม่เปลี่ยน ผลนี้มาจากแบบจำลองแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวที่ความดันคงตัวและมีเพียงงานจากการขยายตัว สำหรับแก๊สชนิดอื่นหรือลูกสูบที่ตรึงไว้ สัดส่วนนี้ใช้ไม่ได้

ความร้อนแบ่งอย่างไรความร้อนทั้งหมด QΔU = 0,6 QA = 0,4 QQ = 5 ν R ΔT / 2แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวเท่านั้นที่ความดันคงตัวเท่านั้นกระบวนการอื่นมีสัดส่วนต่างกัน
สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวที่ความดันคงตัว ความร้อนที่ได้รับสามในห้าเพิ่มพลังงานภายใน และสองในห้าถ่ายเทออกเป็นงาน กระบวนการอื่นมีสัดส่วนต่างกัน

พลังงาน 300 จูลไปที่ไหน?

แก๊สรับความร้อน 300 J และทำงาน 120 J พลังงานภายในเปลี่ยนไปอย่างไร?

ความร้อนและงานของแก๊สตัวอย่างเดียวQ = 300 ДжA = 120 ДжΔU — ?หาการเปลี่ยนพลังงานภายในลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน
แก๊สรับ Q=300 J และทำงาน A=120 J ยังไม่ทราบการเปลี่ยนพลังงานภายใน ภาพทั้งห้าคงภาชนะลูกสูบแบบเดิมและค่า Q กับ A เดิมไว้ ลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน ไม่ใช่แรง รูปร่างลูกสูบไม่ได้กำหนดค่าตัวเลขในโจทย์

ลองดูตัวอย่าง · 1

Q=+300 J: พลังงานเข้ามาด้วยความร้อน A=+120 J: แก๊สถ่ายเทพลังงานออกด้วยงาน

ความร้อนและงานของแก๊สตัวอย่างเดียวQ = +300 ДжA = +120 ДжΔU — ?Q > 0: แก๊สรับพลังงานA > 0: แก๊สถ่ายเทพลังงานออก
พลังงานเข้ามาด้วยความร้อน จึงได้ Q=+300 J แก๊สถ่ายเทพลังงานออกด้วยงาน จึงได้ A=+120 J ภาพทั้งห้าคงภาชนะลูกสูบแบบเดิมและค่า Q กับ A เดิมไว้ ลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน ไม่ใช่แรง รูปร่างลูกสูบไม่ได้กำหนดค่าตัวเลขในโจทย์

ลองดูตัวอย่าง · 2

เลือก ΔU=Q−A เพราะ A เป็นงานที่แก๊สทำ

ความร้อนและงานของแก๊สตัวอย่างเดียวQ = +300 ДжA = +120 ДжΔU — ?ΔU = Q − AA คืองานที่แก๊สทำ
การเปลี่ยนพลังงานคือ ΔU=Q−A: นำพลังงานที่เข้ามาลบด้วยงานที่แก๊สทำ ภาพทั้งห้าคงภาชนะลูกสูบแบบเดิมและค่า Q กับ A เดิมไว้ ลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน ไม่ใช่แรง รูปร่างลูกสูบไม่ได้กำหนดค่าตัวเลขในโจทย์

ลองดูตัวอย่าง · 3

ΔU=300−120=180 J เครื่องหมายบวกหมายถึงพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

ความร้อนและงานของแก๊สตัวอย่างเดียวQ = +300 ДжA = +120 ДжΔU =+180 ДжΔU = 300 − 120 = 180 Джพลังงานภายในเพิ่มขึ้น
ΔU=300−120=180 J นี่คือพลังงานภายในที่เพิ่มขึ้นเป็นบวก ไม่ใช่พลังงานภายในทั้งหมด ภาพทั้งห้าคงภาชนะลูกสูบแบบเดิมและค่า Q กับ A เดิมไว้ ลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน ไม่ใช่แรง รูปร่างลูกสูบไม่ได้กำหนดค่าตัวเลขในโจทย์

ลองดูตัวอย่าง · 4

ตรวจสอบ: พลังงาน 180 J อยู่ในแก๊ส ส่วน 120 J ถ่ายเทออกเป็นงาน รวมเป็น 300 J ที่ได้รับมา

ความร้อนและงานของแก๊สตัวอย่างเดียวQ = +300 ДжA = +120 ДжΔU =+180 ДжΔU = 180 ДжA = 120 Дж180 + 120 = 300 Дж = Q
พลังงานภายในที่เพิ่ม 180 J บวกงาน 120 J เท่ากับความร้อนที่ได้รับ 300 J ความยาวส่วนของแถบมีอัตราส่วน 180:120 อย่างถูกต้อง โดยแสดงพลังงานที่เพิ่มแยกจาก U ทั้งหมด ภาพทั้งห้าคงภาชนะลูกสูบแบบเดิมและค่า Q กับ A เดิมไว้ ลูกศรแสดงการถ่ายเทพลังงาน ไม่ใช่แรง รูปร่างลูกสูบไม่ได้กำหนดค่าตัวเลขในโจทย์

ตรวจสอบผลลัพธ์

พลังงานภายในเพิ่มขึ้น 180 J

ประเด็นสำคัญ · 1

พลังงานภายในเป็นพลังงานที่ขึ้นกับสถานะ ความร้อนและงานเป็นวิธีเปลี่ยนพลังงานนี้ผ่านการถ่ายเทข้ามขอบเขตระบบ

ประเด็นสำคัญ · 2

สมดุลเดียวกันเขียนได้เป็น ΔU = Q − A หรือ ΔU = Q + A′ เครื่องหมายขึ้นกับว่าใครเป็นผู้ทำงาน

ประเด็นสำคัญ · 3

สูตร U = 3νRT/2 และสัดส่วน 0.6Q/0.4Q ต้องใช้กับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวภายใต้เงื่อนไขของกระบวนการที่ระบุ

เรียนอะไรต่อ

ต่อไปจะศึกษาการให้ความร้อน การเปลี่ยนสถานะ และการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

แนวคิดพื้นฐาน

2 แนวคิด

พลังงานภายใน

พลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและอันตรกิริยาของอนุภาคของระบบ

นี่คือพลังงานภายในระบบ ไม่ใช่พลังงานของการเคลื่อนที่โดยรวม สำหรับก๊าซอุดมคตินั้นจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับกระบวนการทางความร้อน การเชื่อมความร้อน พลังงานภายใน และงาน

ความร้อนที่ระบบได้รับใช้เปลี่ยนพลังงานภายในและทำงาน ต้องกำหนดข้อตกลงเรื่องเครื่องหมายก่อนและใช้อย่างสอดคล้องกัน

ปริมาณทางฟิสิกส์

7 ปริมาณ

พลังงานภายใน

U

พลังงานรวมของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและอันตรกิริยาของอนุภาค

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน

\Delta U

ความแตกต่างของพลังงานภายในในสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้น

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

งานที่แก๊สทำ

A

งานที่แก๊สทำต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อปริมาตรเปลี่ยน โดยเป็นบวกเมื่อขยายตัวและเป็นลบเมื่อถูกอัด

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

งานของแรงภายนอก

A\prime

งานที่สิ่งแวดล้อมทำต่อแก๊ส

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

ปริมาณความร้อน

Q

พลังงานที่ถูกถ่ายเทระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อน

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

การเปลี่ยนแปลงปริมาตร

\Delta V

ปริมาตรสุดท้ายลบปริมาตรเริ่มต้น

หน่วย: ลูกบาศก์เมตร · \mathrm{м}^3

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

\Delta T

ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสัมบูรณ์สุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น

หน่วย: เคลวิน · \mathrm{К}

สูตรบทเรียน

10 สูตร

พลังงานภายในของแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว

U=\frac{3mRT}{2M}=\frac{3pV}{2}

สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวปริมาณที่กำหนด พลังงานภายในกำหนดได้จากอุณหภูมิ หรือจากผลคูณความดันกับปริมาตร

งานที่แก๊สทำเมื่อความดันคงตัว

A=p\Delta V=\frac{m}{M}R\Delta T

ในการขยายตัวแบบไอโซบาริก งานจะเท่ากับความดันคูณการเปลี่ยนแปลงปริมาตร

เงื่อนไข: ปริมาตรเปลี่ยนอย่างช้า ๆ ที่ความดันคงตัว โดยแก๊สอยู่ใกล้สมดุล นิพจน์ที่ใช้ ΔT ต้องมีปริมาณแก๊สอุดมคติคงตัวด้วย

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซ

\Delta U=\frac{3mR\Delta T}{2M}

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติที่มีอะตอมเดี่ยวนั้นเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

กฎข้อที่หนึ่งในรูปงานที่ทำต่อแก๊ส

\Delta U=Q+A\prime

การเปลี่ยนพลังงานภายในเท่ากับผลรวมของความร้อนที่ได้รับและงานของแรงภายนอก

ความสัมพันธ์ระหว่างงานที่แก๊สทำกับงานที่ทำต่อแก๊ส

A\prime=-A

งานของแรงภายนอกเท่ากับงานของแก๊สที่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม

กฎข้อที่หนึ่งในรูปงานที่แก๊สทำ

Q=\Delta U+A

ความร้อนที่ได้รับใช้เปลี่ยนพลังงานภายในและทำงานโดยแก๊ส

กฎข้อที่หนึ่งสำหรับกระบวนการไอโซเทอร์มอล

\Delta U=0,\quad Q=A

สำหรับก๊าซอุดมคติที่อุณหภูมิคงที่ ความร้อนที่ได้รับจะเท่ากับงานที่ทำโดยก๊าซ

เงื่อนไข: แก๊สอุดมคติปริมาณคงตัวที่อุณหภูมิคงตัว โดยคิดเฉพาะงานจากการเปลี่ยนปริมาตร

กฎข้อที่หนึ่งสำหรับกระบวนการไอโซคอริก

A=0,\quad Q=\Delta U

ที่ปริมาตรคงที่ งานที่ทำเพื่อเปลี่ยนปริมาตรจะเป็นศูนย์ หากไม่มีงานประเภทอื่นความร้อนจะเปลี่ยนพลังงานภายใน

เงื่อนไข: ปริมาตรคงตัว ไม่มีงานชนิดอื่นและไม่มีการแลกเปลี่ยนสสาร

กฎข้อที่หนึ่งสำหรับกระบวนการไอโซบาริก

Q=\Delta U+A

ที่ความดันคงตัว ความร้อนใช้เปลี่ยนพลังงานภายในและทำงาน

เงื่อนไข: ความดันคงที่

การกระจายความร้อนในกระบวนการไอโซบาริก

\Delta U=0{,}6Q,\quad A=0{,}4Q

สำหรับแก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยว ความร้อนสามในห้าใช้เปลี่ยนพลังงานภายใน และสองในห้าเปลี่ยนเป็นงาน

เงื่อนไข: แก๊สอุดมคติอะตอมเดี่ยวปริมาณคงตัวที่ความดันคงตัว โดยมีเพียงงานจากการเปลี่ยนปริมาตร

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

มวลและพลังงานในการเพิ่มอุณหภูมิ

Q = cmΔT; c = 4200 Дж/(кг·К)

น้ำมีอุณหภูมิ 20 ถึง 80 °C ความร้อนจำเพาะคงตัว ไม่มีการสูญเสียหรือเปลี่ยนสถานะ ผลต่างอุณหภูมิใน K และ °C มีค่าเป็นตัวเลขเท่ากัน

ถ้าเปลี่ยนจากน้ำ 1 kg เป็น 2 kg และเพิ่มอุณหภูมิเท่าเดิม 10 °C พลังงานที่ต้องใช้จะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

0-30.241547.883012645204.160282.2Q, кДжΔT, °C
Q

ผลการคำนวณ

Q
42 кДж
T
30 °C
อธิบายผล

มวลสองเท่าต้องใช้ Q สองเท่า แต่ผลต่างอุณหภูมิที่กำหนดยังเท่าเดิม กราฟนี้แสดงพลังงานกับ ΔT ไม่ใช่อุณหภูมิกับเวลา

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ