Jak najít vnitřní energii: 3 důležité faktory, které je třeba zvážit!

Jak najít vnitřní energii

Vnitřní energie je základní pojem ve fyzice a termodynamice, který hraje klíčovou roli v pochopení chování různých systémů. V tomto blogovém příspěvku prozkoumáme definici a důležitost vnitřní energie, jak ji vypočítat v různých scénářích a její význam v konkrétních látkách. Takže, pojďme se rovnou ponořit!

Definice a význam vnitřní energie

Vnitřní energie se týká celkové energie obsažené v systému, včetně kinetické i potenciální energie jeho částic. Představuje mikroskopickou energii spojenou s náhodnými pohyby a interakcemi částic na molekulární úrovni. Vnitřní energie systému závisí na jeho teplotě, tlaku a složení.

Pochopení vnitřní energie je nezbytné, protože nám pomáhá analyzovat a předvídat chování látek a systémů. Umožňuje nám vysvětlit jevy, jako je přenos tepla, změny skupenství hmoty a chování plynů. Přesným výpočtem vnitřní energie můžeme získat náhled na termodynamické vlastnosti a stabilitu systému.

Role vnitřní energie ve fyzice a termodynamice

Vnitřní energie je základní pojem ve fyzice a termodynamice. Slouží jako most mezi makroskopickými a mikroskopickými vlastnostmi hmoty. Studiem vnitřní energie můžeme pochopit vztah mezi teplem, prací a energií.

Vnitřní energie úzce souvisí s dalšími termodynamickými vlastnostmi, jako je teplota, tlak a objem. Změny vnitřní energie mohou být ovlivněny faktory, jako je přenos tepla, práce na systému nebo systémem a změny v okolí systému. Analýzou těchto vztahů můžeme vysvětlit a předpovědět chování látek a systémů za různých podmínek.

Hledání vnitřní energie v různých scénářích

Jak vypočítat vnitřní energii při tlaku

Jedním ze způsobů, jak vypočítat vnitřní energii, je použití rovnice:

$\Delta U = q - w$

kde $\Delta U$ představuje změnu vnitřní energie, $q$ je teplo přenášené do systému a $w$ je práce vykonaná systémem. Tato rovnice je založena na prvním termodynamickém zákonu, který říká, že změna vnitřní energie systému se rovná teplu přidanému do systému mínus práce, kterou systém vykonal.

Stanovení vnitřní energie pomocí kinetické energie

V určitých scénářích můžeme vypočítat vnitřní energii uvažováním kinetické energie částic v systému. Například v ideálním plynu je vnitřní energie přímo úměrná průměrné kinetické energii jeho částic. Rovnice pro vnitřní energii v ideálním plynu je:

Viz také Jak najít čistou energii: 5 důležitých případů k zapamatování!

$U = \frac{3}{2} nRT$

kde $U$ je vnitřní energie, $n$ je počet molů plynu, $R$ je ideální plynová konstanta a $T$ je teplota v Kelvinech.

Měření vnitřní energie pomocí tlaku a objemu

U určitých systémů můžeme vnitřní energii určit pomocí rovnice:

$\Delta U = q + w = q - P \Delta V$

kde $\Delta U$ je změna vnitřní energie, $q$ je teplo přenášené do systému, $w$ je práce vykonaná systémem, $P$ je tlak a $\Delta V$ je změna objemu. Tato rovnice bere v úvahu práci vykonanou systémem proti vnějšímu tlaku.

Vypracovaný příklad: Nalezení vnitřní energie systému

Podívejme se na příklad, který ilustruje, jak najít vnitřní energii systému. Předpokládejme, že máme plyn uzavřený ve válci s pohyblivým pístem. Plyn má zpočátku tlak 2 atmosféry a objem 3 litry. Pokud plyn expanduje proti konstantnímu vnějšímu tlaku 1 atmosféry na konečný objem 6 litrů a do systému se přidá 1000 Joulů tepla, můžeme vypočítat změnu vnitřní energie.

Pomocí rovnice $\Delta U = q - P \Delta V$ , můžeme dosadit hodnoty:

$\Delta U = 1000 J - (1 atm) (6L-3L)$

Zjednodušující, máme:

$\Delta U = 1000 J - 3 atm \cdot L$

Proto je změna vnitřní energie $997 J$ .

Vnitřní energie ve specifických látkách

Nalezení vnitřní energie páry

V případě páry lze vnitřní energii určit pomocí tabulek páry. Tabulky páry poskytují informace o měrné vnitřní energii páry při různých teplotách a tlacích.

Výpočet vnitřní energie spalování

Vnitřní energii spalování lze vypočítat s ohledem na energii uvolněnou během spalovací reakce. Tato energie je typicky vyjádřena jako spalné teplo, které představuje změnu vnitřní energie, když jeden mol látky úplně shoří.

Stanovení vnitřní energie helia

Vnitřní energii helia lze vypočítat na základě jeho atomové struktury a energetických hladin jeho elektronů. Když vezmeme v úvahu energii spojenou s přechody elektronů, můžeme určit vnitřní energii helia.

Měření vnitřní energie plynu

U plynu závisí vnitřní energie na jeho teplotě a měrné tepelné kapacitě. Rovnice pro vnitřní energii plynu je:

$U = nC_vT$

kde $U$ je vnitřní energie, $n$ je počet molů plynu, $Životopis$ je molární měrné teplo při konstantním objemu a $T$ je teplota v Kelvinech.

Vypracovaný příklad: Použití parního stolu k nalezení vnitřní energie

Podívejme se na příklad, jak použít parní stůl k nalezení vnitřní energie páry. Předpokládejme, že máme páru o teplotě 150°C a tlaku 2 atmosféry. Můžeme vyhledat konkrétní vnitřní energetickou hodnotu pro tyto podmínky v tabulce páry, která by mohla být $2500 J/g$ .

Viz také Objektiv pro dokumentární fotografii: Zachycení pravdy prostřednictvím obrázků

Vnitřní energie páry je tedy $2500 J/g$ .

Změny ve vnitřní energii

Pochopení změny vnitřní energie

Změna vnitřní energie se týká rozdílu vnitřní energie mezi dvěma stavy nebo podmínkami systému. Může k němu dojít v důsledku přenosu tepla, práce prováděné na systému nebo systémem nebo změn v okolí systému.

Faktory ovlivňující změnu vnitřní energie

Několik faktorů může ovlivnit změnu vnitřní energie systému, včetně teplotních účinků, tlakových účinků, přenosu tepla a vykonané práce. Například zvýšení teploty látky obecně zvyšuje její vnitřní energii, zatímco stlačování plynu může zvýšit její vnitřní energii.

Vypracovaný příklad: Výpočet změny vnitřní energie

Vezměme si příklad plynu, který expanduje proti konstantnímu vnějšímu tlaku. Pokud plyn vykoná 500 joulů práce a uvolní 300 joulů tepla, můžeme vypočítat změnu vnitřní energie pomocí rovnice $\Delta U = q - w$ :

$\ Delta U = 300 J - 500 J$

Proto je změna vnitřní energie $-200 J.$ .

Shrnutí klíčových bodů při hledání vnitřní energie

Vnitřní energie se vztahuje k celkové energii obsažené v systému a hraje klíčovou roli v pochopení chování látek a systémů.
Vnitřní energii lze vypočítat pomocí různých rovnic, jako je první zákon termodynamiky a specifické rovnice pro různé scénáře.
K nalezení vnitřní energie páry lze použít tabulky páry, zatímco jiné látky mohou vyžadovat různé přístupy na základě jejich vlastností a charakteristik.
Změny vnitřní energie mohou nastat v důsledku faktorů, jako je přenos tepla, vykonaná práce a změny teploty nebo tlaku.

Přesný výpočet vnitřní energie je životně důležitý v různých oblastech, včetně fyziky, chemie a inženýrství. Poskytuje cenné poznatky o chování látek a systémů a umožňuje přesné předpovědi a analýzy. Pochopením a aplikací pojmů diskutovaných v tomto blogovém příspěvku můžete zlepšit své porozumění vnitřní energii a jejím aplikacím v různých scénářích. Pokračujte ve zkoumání a učte se a svět termodynamiky se před vámi bude nadále odvíjet!

Numerické úlohy o tom, jak najít vnitřní energii

1 problém:

Obrázek by MikeRun – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 4.0.

Systém prochází procesem, ve kterém je práce vykonaná na systému 150 J a teplo přidané do systému je 100 J. Určete změnu vnitřní energie systému.

Viz také Jak navrhnout chemicky energeticky účinné metody ochrany plodin: Komplexní průvodce

Řešení:
Zadáno:
Práce na systému, W = 150 J
Teplo přidané do systému, Q = 100 J

Změnu vnitřní energie systému lze vypočítat pomocí prvního zákona termodynamiky:

$\Delta U = Q - W$

Dosazením zadaných hodnot máme:

$\Delta U = 100 \, \text{J} - 150 \, \text{J}$

$\Delta U = -50 \, \text{J}$

Změna vnitřní energie systému je tedy -50 J.

2 problém:

Během chemické reakce je systémem absorbováno 500 J tepla a systémem je vykonáno 350 J práce. Vypočítejte změnu vnitřní energie soustavy.

Řešení:
Zadáno:
Teplo absorbované systémem, Q = 500 J
Práce vykonaná systémem, W = 350 J

Ke zjištění změny vnitřní energie systému použijeme rovnici:

$\Delta U = Q - W$

Dosazením zadaných hodnot dostaneme:

$\Delta U = 500 \, \text{J} - 350 \, \text{J}$

$\Delta U = 150 \, \text{J}$

Změna vnitřní energie systému je tedy 150 J.

3 problém:

Plyn prochází procesem, při kterém se ze systému odebere 100 J tepla a na systému se vykoná 75 J práce. Vypočítejte změnu vnitřní energie soustavy.

Řešení:
Zadáno:
Teplo odebrané ze systému, Q = -100 J (záporné znaménko znamená odvod tepla)
Práce na systému, W = 75 J

Pomocí prvního zákona termodynamiky můžeme najít změnu vnitřní energie systému:

$\Delta U = Q - W$

Dosazením zadaných hodnot máme:

$\Delta U = -100 \, \text{J} - 75 \, \text{J}$

$\Delta U = -175 \, \text{J}$

Změna vnitřní energie systému je tedy -175 J.

Také čtení:

TechieScience Core SME

Základní tým TechieScience pro malé a střední podniky je skupina zkušených odborníků z různých vědeckých a technických oborů včetně fyziky, chemie, technologie, elektroniky a elektrotechniky, automobilového průmyslu a strojního inženýrství. Náš tým spolupracuje na vytváření vysoce kvalitních, dobře prozkoumaných článků o široké škále vědeckých a technologických témat pro web TechieScience.com.

Všechny naše senior SME mají více než 7 let zkušeností v příslušných oborech. Jsou to buď profesionálové z pracovního průmyslu, nebo jsou spojeni s různými univerzitami. Odkazovat Naši autoři Stránka, kde se dozvíte o našich základních malých a středních podnicích.

techiescience.com