Как изменится внутренняя энергия одноатомного идеального газа при увеличении давления в 3 раза?
Внутренняя энергия идеального газа определяется по формуле:
U=(3/2) * (m/μ)*R*T. По закону Менделеева-Клапейрона p*V= (m/μ)*R*T, тогда U=(3/2) *p*V
Поскольку p2/p1=3, то U2/U1 = ((3/2) *p2*V)/((3/2) *p1*V)=p2/p1=3, т.е. внутренняя энергия увеличится в 3 раза.
Что такое космическая скорость? Разве нельзя покинуть орбиту земли и солнечную систему если двигаться вертикально вверх со скоростью 60км/ч?
Весь вопрос в том за счёт чего двигаться. Если у вас есть какой-то источник тяги, постоянно уравновешивающий силу земного притяжения, то, конечно, всё равно с какой скоростью двигаться. Проблема в том, что топлива в ракетах на пару минут от силы, поэтому такой вариант не проходит. Космическая скорость (вторая) — это та, до которой достаточно разогнаться, чтобы улететь от земли без какого-либо дополнительного двигателя. Только за счёт того, что земное притяжение не успеет погасить эту скорость.
1 5 · Хороший ответ
Как изменится внутренняя энергия 400 г гелия при увеличении температуры на 20 °С?
Изменение внутренней энергии идеального одноатомного газа можно рассчитать по формуле:
Δ U= (3/2)*(m/μ)*R *ΔT, где m-масса газа, μ -молярная масса газа, R =8.31 Дж/(моль*град) — газовая постоянная, ΔT — изменение температуры.
Δ U = 1.5*(0.4/0.004)*8.13*20=25000 Дж = 25 кДж.
Почему в черной дыре время идёт медленнее чем в космосе, а на Земле быстрее чем в космосе? Примерно 51 год в космосе равен 1 минуте в черной дыре, за то час на Земле равен 1 минуте в орбите земли?
Гравитация искривляет пространство-время, в том числе замедляет время. Насчёт 51 год за минуту, конечно, это условность, я думаю, при такой гравитации космонавта бы просто порвало. 🙂
но на орбите Земли, действительно, время идёт быстрее. Примерно 100 лет на орбите равно 100 лет и одной секунде на Земле. А если точнее, то за сутки разница 38 микросекунд, что даёт 0,01007 секунд в год. Казалось бы немного, но без этой поправки GPS бы не работал, ведь с высоты 22 тысячи километров определить положение с точностью до полуметра — это ваще капец как чётко.
4 3 · Хороший ответ
Почему черные дыры не выпускают свет, если фотоны не имеют массы?
Гравитация связана с массой. Но не просто влияет на другие массы (как в законе тяготения Ньютона), а искривляет пространство-время вокруг себя. Из-за того, что относительно своей массы черные дыры — очень компактные объекты, они искривляют пространство столь сильно, что ничто оттуда выбраться не может, включая и луч света. Своим вопросом Вы точно нащупали разницу между классической теорией тяготения и Общей Теорией относительности. Действительно, само представление о черной дыре появилось еще в конце 18 века, как об объекте, где скорость убегания столь высока, что «свет улететь не сможет». Но корректно описать это удается только в Теории Относительности.
1 0 3 · Хороший ответ
Почему по представлениям астрофизиков сразу после Большого Взрыва фотоны могли двигаться со сверх световой скоростью?
Нету таких представлений у астрофизиков. Свет в вакууме всегда распространяется с одной и той же скоростью c=299 792 458 м/с. Если свет распространяется в какой-то среде, то его скорость будет меньше.
Возможно, Вы путаете с так называемым сверхсветовым расширением Вселенной, при котором расстояния между достаточно удалёнными объектами могут увеличиваться со скоростью, большей скорости света. Но при таком расширении никакие объекты не движутся быстрее света. «Просто» пространство между ними «растягивается». Это трудно себе представить, но расширение Вселенной происходит не потому, что вокруг неё есть пустое пространство, в которое разлетаются все космические объекты, а потому, что «растягивается» пространство между объектами. При этом пространство между связанными объектами (например, между Солнцем и планетами) не «растягивается».
Вообще, «Большой Взрыв» — это совсем не взрыв. При взрыве происходит быстрое выделение энергии в ограниченном объёме пространства, температура и давление в этом объёме резко возрастают, и из-за разницы давлений внутри и снаружи вещество начинает разлетаться. При «Большом Взрыве» нет ни выделения энергии, ни разницы давлений, ни самого «окружающего» пространства. Вещество «разлетается» по инерции, постепенно тормозясь взаимным притяжением.
Как показывают наблюдения, существует также неизвестная причина, вызывающая отталкивание объектов, которое начинает преобладать над притяжением, когда плотность вещества во Вселенной становится достаточно малой. На притяжение достаточно близких объектов (например, тел Солнечной системы или звёзд в Галактике) эта причина сколько-нибудь заметного влияния не оказывает.
Источник
Как изменяется внутренняя энергия газа при увеличении его давления
При изотермическом увеличении давления одного моля идеального одноатомного газа, его внутренняя энергия
3) увеличивается или уменьшается в зависимости от исходного объема
Внутренняя энергия одного моля идеального газа зависит только от температуры. При изотермическом увеличении давления температура не изменяется, а значит, не изменяется и внутренняя энергия.
Как изменяется внутренняя энергия тела при увеличении температуры и сохранении объема?
3) у газообразных тел увеличивается, у жидких и твердых тел не изменяется
4) у газообразных тел не изменяется, у жидких и твердых тел увеличивается
Опыт показывает, что при неизменном объеме увеличение температуры тела приводит к увеличению его внутренней энергии.
Внутренняя энергия монеты увеличивается, если ее
1) заставить вращаться
2) заставить двигаться с большей скоростью
3) подбросить вверх
Внутренняя энергия — это сумма энергий взаимодействий и тепловых движений молекул. В нее не входят кинетическая энергия тела как целого и его энергия во внешних поля, таких как гравитационное. Таким образом, единственный способ увеличить внутреннюю энергию монеты из перечисленных — это нагреть ее.
Я бы не стал задавать такие вопросы. Дело все в том, что определение кинетической части внутренней энергии тела (системы материальных точек) в школьных учебниках (да и в большинстве вузовских) дается крайне расплывчато и не основано на законах физики.
Только у Ландау мне удалось найти вразумительное определение. Оно основано на теореме Кенига. Согласно этой теореме в инерциальной системе отсчета кинетическая энергия системы материальных точек (физического тела) может быть представлена как сумма энергии центра масс, как если бы в нем была сосредоточена вся масса системы, и энергии всех точек в системе отсчета, связанной с центром масс системы. Первую часть Ландау называет внешней, вторую — внутренней. С этой точки зрения энергия вращательного движения твердого тела относительно оси проходящей через центр масс является внутренней.
С этой точки зрения вариант «1) заставить вращаться» тоже является верным.
Cпасибо за интересный и полный комментарий.
Согласен с Вами, с определением кинетической энергией в школе не все ладно. Но тут ничего не поделаешь. Что касается данной задачи, она мне представляется вполне корректной, а приведенный ответ — осмысленным. Не вижу причин включать энергию вращения тела во внутреннюю энергию. На то она и внутренняя, чтобы не зависеть от макроскопических движений. В качестве подтверждения этого тезиса могу привести ссылку на того же Ландау (том 5, «Статистическая физика, часть 1», § 26, текст около формулы 26.10).
По моему мнению, школьники должны осознавать, что вращение системы как целого не вносит изменения в тепловое движения частиц, а потому не приводит к изменению внутренней энергии.
Если мы под кинетической частью внутренней энергии будем понимать только энергию теплового движения молекул, мы придем к противоречию с первым началом термодинамики.
Возьмем два диска одинаковых размеров и массы. Пусть они вращаются с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях. Один из них вращаясь лежит на гладкой поверхности. Трение между дисками есть.
Если на первый диск положить второй, то за счет трения они остановят свое вращения и нагреются.
Внешние силы работу не совершали, теплообмена с внешними телами не было. Следовательно внутренняя энергия не должна измениться. Вот Вам и парадокс!
Если же энергию вращательного движения дисков считать внутренней, парадокс исчезает, так как внутренняя энергия вращения дисков переходит во внутреннюю тепловую энергию. В целом же внутренняя энергия действительно не меняется.
Речь вообще-то идет о том, что взрослые дяди по этому вопросу могут спорить (обмениваться противоположными мнениями). Стоит ли в этот процесс привлекать школьников на этапе проверки их знаний? В тесте, на мой взгляд, должно быть все логически формализовано. Это сделать необыкновенно трудно.
Поэтому я бы просто исключил эту задачу из КИМов.
Два вращающихся в разные стороны диска, согласно доводам нашего уважаемого Ландау, не являются замкнутой системой, находящейся в термодинамическом равновесии, а потом внутреннюю энергию всей системы так сразу и не определить. Приходится разбивать системы на два куска, два диска, и считать их внутренние энергии по отдельности.
Впрочем, согласен в том, что можно сломать много копий в ходе дискуссии. Может быть, изменить вариант 1) на «опустить в глубокую шахту» и оставить данную ветку сообщений с соотвествующим комментарием как раз для тех, кто любит покопаться в чем-нибудь?
Вполне с Вами согласен.
Представляется, что цитаты Ландау взяты из неподходящего контекста. Что считать внутренней энергией, а что внешней зависит от уровня рассмотрения. Естественное разделение состоит в том, что внутренней энергией обычно занимается термодинамика, а не механика.
В механике, рассматривая вращающийся объект внутри некоторой виртуальной коробки, мы считаем, что коробка вращается, а ее содержимое относительно нее покоится. А тем, что происходит внутри этой «коробки» занимается термодинамика.
Если этого не учитывать, то появится много «парадоксов». Например, рассмотрим поршень, движущийся по трубе, который от трения останаваливается и нагревается. Это точно такой же пример, только вращательного движения нет. И что, кинетическая энергия линейного движения, она тоже внутренняя?
Или еще: энергии могут переходить друг в друга, значит ли это, что вся энергия — это внутренняя энергия?
Мои цитаты как раз из правильного контекста 🙂 Ландау обсуждает в соотвествующем параграфе именно данный вопрос.
Энергии макродвижений тела не следует включать в понятие внутренней энегрии. Я обеими руками за это утверждение. Если части системы двигаются друг относительно друга, то вся система не находится в состоянии равновесия. Внутренняя энергия, будучи функцией состояния, характеризует только равновесные состояния. Поэтому в данном случае можно говорить только о внутренних энергиях отдельных кусков, а потом пользоваться приближенной аддитивностью внутренний энергии.
Петр, Вы очень правильно пишете про то, что энергия имеет свойство переходить из одного вида в другой, и не стоит смешивать сферы интересов механики и термодинамики. У Вас очень хороший пример про поршень. В этом же ключе: две двигающиеся на встречу друг другу доски, которые останавливаются за счет работы сил трения. При этом энергия поступательного (упорядоченного) движения досок переходит в энергию теплового (хаотического) движения молекул. Мы всегда можем перевести одну энергия в другую, но важно понимать, что понятие «внутренней энергии» неразрывно связана с понятием «хаоса» в движении молекул. Если вновь обратится к школьному определению внутренней энергии, даваемому в 10 классе, мы увидим, что в эту энергию включаются только кинетическая энергия теплового (хаотического) движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия (что и отмечается в решении данной задачи). А потому упорядоченную компоненту движения при определении данной величины необходимо исключать.
Таким образом, мне кажется, что у обычного школьника не должно возникать проблем с ответом на вопрос, изменится ли внутренняя энергия монетки, если ее начать вращать, на что я и указывал в своем первом сообщении. Так что я склонен к тому, чтобы все-таки возвратить исходную версию данной задачи. А данную ветку сообщений сохранить, как интересную и полезную для всех интересующихся.
Служба поддержки предлагает условие не менять. Ветку сохраняем.
Источник
ИНФОФИЗ — мой мир.
Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь
Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь
Как сказал.
В мире нет ничего особенного. Никакого волшебства. Только физика.
Чак Паланик
Тестирование
Урок 16. Лекция 16. Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики
Наука о тепловых явлениях называется термодинамика. Термодинамика исходит из наиболее общих закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем.
При изучении основ термодинамики необходимо помнить следующие определения. Физическая система, состоящая из большого числа частиц — атомов или молекул, которые совершают тепловое движение и, взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями, называется термодинамической системой.
Состояние термодинамической системы определяется макроскопическими параметрами, например удельным объемом, давлением, температурой.
Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах прекратились все наблюдаемые макроскопические процессы. Важным свойством термодинамически равновесной системы является выравнивание температуры всех ее частей.
Термодинамика рассматривает только равновесные состояния, т.е. состояния, в которых параметры термодинамической системы не меняются со временем.
Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом.
Термодинамическим процессом называется переход системы из начального состояния в конечное через последовательность промежуточных состояний.
Процессы бывают обратимыми и необратимыми.
Обратимым называется такой процесс, при котором возможен обратный переход системы из конечного состояния в начальное через те же промежуточные состояния, чтобы в окружающих телах не произошло никаких изменений. Обратимый процесс является физической абстракцией. Примером процесса, приближающегося к обратимому, является колебание тяжелого маятника на длинном подвесе. В этом случае кинетическая энергия практически полностью превращается в потенциальную, и наоборот. Колебания происходят долго без заметного уменьшения амплитуды ввиду малости сопротивления среды и сил трения.
Любой процесс, сопровождаемый трением или теплопередачей от нагретого тела к холодному, является необратимым. Примером необратимого процесса является расширение газа, даже идеального, в пустоту. Расширяясь, газ не преодолевает сопротивления среды, не совершает работы, но, для того чтобы вновь собрать все молекулы газа в прежний объем, т. е. привести газ в начальное состояние, необходимо затратить работу. Таким образом, все реальные процессы являются необратимыми.
Изменение внутренней энергии газа в процессе теплообмена и совершаемой работы.
Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Внутренняя энергия – это сумма энергий молекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул.
В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема (закон Джоуля).
Молекулярно-кинетическая теория приводит к следующему выражению для внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только поступательное движение:
Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними, в общем случае внутренняя энергия 
U тела зависит наряду с температурой T также и от объема V: U = U(T, V).
Таким образом, внутренняя энергия системы зависит только от её состояния и является однозначной функцией состояния, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние.
Внутреннюю энергию тела можно изменить разными способами:
Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу (положительную или отрицательную).
Например, газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем площадью S. Поршень, сжимая газ, движется с некоторой скоростью v. Молекулы газа, беспорядочно двигаясь, ударяются о поршень. После упругого удара молекулы о поршень скорость молекулы возрастает, а значит возрастает и её кинетическая энергия, что приводит к увеличению внутренней энергии газа.
При сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается за счет совершения поршнем механической работы. При расширении газа его внутренняя энергия уменьшается, превращаясь в механическую энергию поршня.
При сжатии газа внешние силы совершают над газом некоторую положительную работу A’.
В то же время силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу
Если объем газа изменился на малую величину ΔV, то газ совершает работу pSΔx = pΔV, где p – давление газа, S – площадь поршня, Δx – его перемещение.
При расширении работа, совершаемая газом, положительна, при сжатии – отрицательна.
В общем случае при переходе из некоторого начального состояния (1) в конечное состояние (2) работа газа выражается формулой:
или в пределе при ΔVi → 0: 
Работа численно равна площади под графиком процесса на диаграмме (p, V):
Величина работы зависит от того, каким путем совершался переход из начального состояния в конечное. На рис. 2 изображены три различных процесса, переводящих газ из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает различную работу.
Рисунок 2.
Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2).
Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.
Процессы, изображенные на рис. 2, можно провести и в обратном направлении; тогда работа A просто изменит знак на противоположный.
Процессы которые можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми.
В отличие от газа, жидкости и твердые тела мало изменяют свой объем, так что во многих случаях работой, совершаемой при расширении или сжатии, можно пренебречь. Однако, внутренняя энергия жидких и твердых тел также может изменяться в результате совершения работы. При механической обработке деталей (например, при сверлении) они нагреваются. Это означает, что изменяется их внутренняя энергия.
Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие теплообмена.
При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а внутренняя энергия другого – уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Передача энергии от одного тела другому в форме тепла может происходить только при наличии разности температур между ними.
Приведем в соприкосновение два тела с разными температурами. Пусть температура первого тела выше, чем второго. В результате обмена энергиями температура первого тела уменьшается, а второго — увеличивается. В рассматриваемом примере кинетическая энергия хаотического движения молекул первого тела переходит в кинетическую энергию хаотического движения молекул второго тела.
Тепловой поток всегда направлен от горячего тела к холодному.
Процесс передачи внутренней энергии без совершения механической работы называется теплообменом.
Мерой энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплообмена, служит физическая величина, называемая количеством теплоты.
Количеством теплоты Q, полученной телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.
Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).
До введения СИ количество теплоты выражали в калориях.
Калория — это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г дистиллированной воды на 1°С, от 19,5°С до 20,5°С.
Единица, в 1000 раз большая калории, называется килокалорией (1 ккал = 1000 кал). Соотношение между единицами: 1 кал =4,19 Дж.
Если в результате теплообмена телу передается некоторое количество теплоты, то внутренняя энергия тела и его температура изменяются.
Чтобы нагреть тело массой m от температуры t1 до температуры t2 ему необходимо сообщить количество теплоты
Количество теплоты Q, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К называют удельной теплоемкостью вещества c.
Во многих случаях удобно использовать молярную теплоемкость C:
C = M · c, где M – молярная масса вещества.
При передаче тепла от одного тела к другому всегда выполняется уравнение теплового баланса, по которому количество теплоты Q1, отданное первым телом, равно количеству теплоты Q2, полученному вторым телом.
Теплота и работа являются не видом энергии, а формой ее передачи, они существуют лишь в процессе передачи энергии.
В реальных условиях оба способа передачи энергии системе в форме работы и форме теплоты обычно сопутствуют друг другу.
Первое начало термодинамики.
На рисунке изображены энергетические потоки между термодинамической системой и окружающими телами. в результате теплообмена и совершаемой работы:
Величина Q > 0, если тепловой поток нправлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).
Процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.
Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).
При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.
Задачи для самостоятельного решения ( Дмитриева В.Ф. Задачи по физике)
Источник