Молекулярная физика
Термодинамика

Внутренняя энергия идеального газа

Мякишев «Физика 10», термодинамика
◆

Что нужно помнить из 7–9 класса

база 7–9 класса
Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия молекул. Изменить её можно теплопередачей или совершением работы.
Короткое напоминание2

Потряс песок в пробирке — механическая энергия не изменилась, а температура выросла: работа перешла во внутреннюю энергию.

Теплота — это способ передачи энергии, а не запас в теле.

Подробно — в уроке ОГЭ
1

Что такое внутренняя энергия

Суммарная кинетическая энергия хаотического движения молекул плюс энергия их взаимодействия. У идеального газа взаимодействия нет — остаётся только кинетическая часть.
U=32νRT=32pVU = \dfrac{3}{2}\nu R T = \dfrac{3}{2} p Vдля одноатомного идеального газа
Главное следствие3

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и количества газа.

Ни объём, ни давление по отдельности в неё не входят — входит их произведение, а оно через уравнение состояния сводится к температуре.

Знак ΔU\Delta U всегда совпадает со знаком ΔT\Delta T.

Коэффициент 3/2 — для одноатомного газа. У двухатомного он другой. В ЕГЭ, если сорт газа не назван, подразумевается одноатомный.
2

На изотерме внутренняя энергия не меняется

Температура постоянна — значит ΔU=0\Delta U = 0, как бы газ ни расширялся.
Частое заблуждение2

Кажется, что при расширении газ «тратит» внутреннюю энергию. Но если температуру держат постоянной, вся работа компенсируется подводимой теплотой.

Запись первого закона для изотермы: Q=AQ = A, вся подведённая теплота уходит в работу.

3

Два способа изменить внутреннюю энергию

Совершить работу над газом или передать ему теплоту.
Теплота — это не запас3

Теплота — способ передачи энергии, а не то, что в теле хранится. Хранится внутренняя энергия.

Фраза «в теле много теплоты» физического смысла не имеет; правильно — «большая внутренняя энергия».

Теплопередача идёт тремя путями: теплопроводность, конвекция, излучение.

⚗
Опыт в Физлабе
Калориметр: тепловой баланс
Передача энергии между телами и выравнивание температур.
Открыть опыт
Разобранные примеры
Найдите внутреннюю энергию 22 моль одноатомного идеального газа при 300300 К.разбор
  1. U=32νRTU=\dfrac32\nu RT, где R=8,31R=8{,}31 Дж/(моль·К).
  2. U=1,5⋅2⋅8,31⋅300≈7479U=1{,}5\cdot2\cdot8{,}31\cdot300\approx7479 Дж.
  3. ≈7,5\approx7{,}5 кДж. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры.
Ответ: ≈7,5\approx7{,}5 кДж
Газ изотермически расширяется, получив 500500 Дж теплоты. Какую работу он совершил?разбор
  1. Изотермически — температура не меняется, значит ΔU=0\Delta U=0.
  2. Первый закон термодинамики: Q=ΔU+AQ=\Delta U+A, то есть A=Q=500A=Q=500 Дж.
  3. Вся теплота ушла в работу.
Ответ: 500500 Дж
Насыщенный пар. Влажность …Количество теплоты. Фазовы…