พลังงานภายใน
| English | ไทย |
|---|---|
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | พลังงานภายใน |
| translational/trænˈsleɪʃənl/ | การเคลื่อนที่เชิงเส้น |
| rotational/rəʊˈteɪʃənl/ | การหมุน |
| vibrational/vaɪˈbreɪʃənl/ | การสั่น |
| ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ | แก๊สอุดมคติ |
| intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ | ระหว่างโมเลกุล |
ถ้วยชาที่อยู่นิ่งแต่เคลื่อนที่เร็ว
- ถ้วยชานั่งนิ่งอยู่บนโต๊ะ strlen ปรากฏการณ์ใด ๆ ที่เห็นไม่ได้เคลื่อนที่ แต่โมเลกุลภายในกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหลายร้อยเมตรต่อวินาที ในทุกทิศทางพร้อมกัน
- ความเร็วหักล้างกัน ซึ่งนี่คือเหตุผลที่แก้วไม่เคลื่อนที่ พลังงาน ไม่หักล้างกัน เพราะพลังงานจลน์ไม่มีทิศทางเพื่อมาหักล้างกับอย่างอื่น
- พลังงานนั้นซึ่งมองไม่เห็นจากภายนอก คือสิ่งที่ทำให้ชากินร้อน และสิ่งที่หม้อต้มต้องจ่ายไป
- บทเรียนนี้เกี่ยวกับ พลังงานภายใน: สิ่งที่มันประกอบด้วย สิ่ง它所ขึ้นอยู่กับ และสิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
พลังงานภายในประกอบด้วยอะไร
- พลังงานภายใน $U$ ของระบบคือผลรวมของการกระจายแบบ สุ่ม ของ พลังงานจลน์ และ พลังงานศักย์ ของโมเลกุล
- ส่วนของพลังงานจลน์: โมเลกุลบินผ่านพื้นที่ (การเคลื่อนที่), และเว้นแต่จะเป็นอะตอมเดี่ยว พวกมันยังหมุน (การหมุน) และสั่น (การสั่น)
- ส่วนของพลังงานศักย์: พลังงานที่สะสมอยู่ใน แรงระหว่างโมเลกุล ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าพวกมันห่างกันเท่าใด
- ทั้งสองส่วนของการนิยามแบบ 2 คะแนน ต้องมี "ผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์" และ คำว่า สุ่ม การละทิ้งคำว่า "สุ่ม" จะอธิบายถึงพลังงานของวัตถุที่เคลื่อนที่แทน
ช่วงกระจายตัวของพลังงานโมเลกุล
พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์ + พลังงานศักย์แบบสุ่มของโมเลกุล若ให้ความร้อนแก๊ส การกระจายตัวของความเร็วทั้งหมดจะเลื่อนไปด้านพลังงานที่สูงขึ้น
พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานชนิดใด?
พลังงานภายใน = พลังงานจลน์แบบสุ่มของโมเลกุล + พลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุล การเคลื่อนที่รวมของวัตถุ (พลังงานจลน์รวม) แยกต่างหาก
ข้อใดคือคำนิยามเต็ม 2 คะแนนของพลังงานภายใน?
คะแนนทั้งสองต้องใช้คำว่า "จลน์และศักย์" และคำว่า "สุ่ม" หากไม่มีคำว่า "สุ่ม" คำนี้จะอธิบายพลังงานของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่แทน
แบบสุ่ม ไม่ใช่แบบรวม
- $U$ เป็นผลรวมเหนือ โมเลกุล ไม่ใช่พลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่ทั้งชิ้น
- รถ-tanker น้ำมันกำลังวิ่งบนทางหลวง มีพลังงานจลน์แบบรวมมหาศาล พลังงานภายในของมันเท่ากับตอนจอดสนิทเป๊ะ เพราะการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลไม่ได้เปลี่ยนไป
- เมื่อหยุดรถ-tanker พลังงานจลน์แบบรวมจะกลายเป็นความร้อน ซึ่งในกรณีนี้ จะ ทำให้ $U$ สูงขึ้น ทั้งสองเป็นปริมาณแยกต่างหากที่สามารถแปลงเป็นกันได้
อย่างใดอย่างหนึ่งมีพลังงานภายใน; ทั้งสองมีพลังงาน
พลังงานจลน์รวมของรถไฟที่กำลังวิ่งถือเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานภายใน
ไม่ใช่ — พลังงานภายในคือพลังงานของการเคลื่อนที่ แบบสุ่ม ของโมเลกุล ไม่ใช่การเคลื่อนที่ของวัตถุทั้งชิ้น
รถ-tanker GAS กำลังขับบนทางด่วนจะมีพลังงานภายในมากกว่ารถ-tanker停放ที่เดิม ที่อุณหภูมิเดียวกัน
การเคลื่อนที่รวมไม่ใช่พลังงานภายใน การเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น U เหมือนเดิม; รถบรรทุกเพียงแต่มีพลังงานจลน์เพิ่มเติมเท่านั้น
ฟังก์ชันสถานะ
- $U$ ถูกกำหนดโดย สถานะ ของระบบ: อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร และปริมาณสาร
- มัน ไม่ ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ใช้ไปสู่สถานะนั้น บีบแก๊สแล้วค่อยๆ ให้ความร้อน หรือให้ความร้อนแล้วค่อยๆ บีบ: หากสถานะสุดท้ายเหมือนกัน $U$ ก็เหมือนกัน
- นั่นคือสิ่งที่ทำให้กฎข้อแรกมีประโยชน์ในบทเรียนถัดไป: $\Delta U$ สามารถหาได้จากจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดเพียงอย่างเดียว ไม่ว่าการเดินทางจะซับซ้อนแค่ไหน
พลังงานภายในขึ้นอยู่กับสถานะของระบบเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ใช้เพื่อไปถึงสถานะนั้น
ใช่ — $U$ เป็นฟังก์ชันของสถานะ (T, p, V, ปริมาณ); เส้นทางสองเส้นทางสู่สถานะเดียวกันจะให้ $U$ เดียวกัน
อุณหภูมิและพลังงานภายใน
- การเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุจะเพิ่ม พลังงานจลน์แบบสุ่ม ของโมเลกุล และดังนั้นจะเพิ่มพลังงานภายใน
- สำหรับ แก๊สอุดมคติ แรงระหว่างโมเลกุลถูกละเลย ดังนั้นพลังงานศักย์ของโมเลกุลจึงเป็น ศูนย์ และพลังงานภายในเป็นเพียงพลังงานจลน์เท่านั้น ด้วย $\tfrac32 kT$ ต่อโมเลกุล:
- ดังนั้นสำหรับแก๊สในอุดมคติ $U$ จะแปรผันโดยตรงกับ อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิก หากเพิ่ม $T$ เป็นสองเท่า $U$ ก็จะเป็นสองเท่าด้วย สิ่งนี้ถูกต้อง เฉพาะ สำหรับแก๊สในอุดมคติเท่านั้น
สำหรับแก๊สอุดมคติ, พลังงานภายในคือ:
ไม่มีพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุล, ดังนั้น $U$ เป็นพลังงานจลน์ทั้งหมด: $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}nRT$
สำหรับแก๊สอุดมคติ, หากอุณหภูมิสัมบูรณ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า, พลังงานภายในจะเพิ่มเป็น:
$U = \tfrac{3}{2}nRT \propto T$, ดังนั้นการเพิ่ม $T$ เป็นสองเท่าจะทำให้เพิ่ม $U$ เป็นสองเท่า
ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมคำอธิบาย: แก๊สถูกให้ความร้อนที่ความดันคงที่
- วาดแผนภาพแสดง how พลังงานภายในของแก๊สอุดมคติที่มีมวลคงที่แปรผันตามปริมาตรเมื่อถูกให้ความร้อนที่ความดันคงที่
- ที่ความดันคงที่ กฎของชาร์ลส์ให้ $V \propto T$ สำหรับแก๊สอุดมคติ, $U \propto T$
- ดังนั้น $U \propto V$: เส้นตรงผ่านจุดกำเนิด
- จุดกำเนิดอยู่บนเส้นเพราะที่ศูนย์สัมบูรณ์ ทั้งปริมาตรที่ต่อเส้นกลับและพลังงานภายในเป็นศูนย์ บอกว่าทำไมเส้นถึงผ่านจุดกำเนิด; นี่มักจะเป็นคะแนนที่สอง
แก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ได้รับความร้อนที่ความดันคงที่ กราฟของพลังงานภายในเทียบกับปริมาตรจะเป็นอย่างไร?
ที่ความดันคงที่ V แปรผันกับ T, และสำหรับแก๊สอุดมคติ U แปรผันกับ T, ดังนั้น U แปรผันกับ V กราฟผ่านจุดกำเนิดเพราะทั้งสอง extrapolate ไปที่ศูนย์ที่อุณหภูมิสัมบูรณ์
การเปลี่ยนเฟส
- เมื่อน้ำแข็งละลายหรือเดือด อุณหภูมิ ไม่เปลี่ยน แต่ยังมีการจ่ายพลังงานเข้าไป
- พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยน เพราะอุณหภูมิไม่เปลี่ยน พลังงานศักย์ เพิ่มขึ้น เนื่องจากพันธะระหว่างโมเลกุลแตกออกและระยะห่างระหว่าง нихเพิ่มขึ้น
- ดังนั้น $U$ เพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ โดยความร้อนแฝงที่ถูกจ่ายเข้ามา นี่คือกรณีที่ชัดเจนที่สุดที่พลังงานภายในและอุณหภูมิแยกออกจากกัน
ขณะที่น้ำเดือดที่อุณหภูมิคงที่, พลังงานภายในของน้ำ:
อุณหภูมิ (และดังนั้น KE) ไม่เปลี่ยนแปลง แต่พลังงานถูกนำไปทำลายพันธะ — เพิ่มพลังงานศักย์ของโมเลกุล, ดังนั้น $U$ เพิ่มขึ้น
ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมคำอธิบาย: ชื่อพลังงานทั้งสองทุกครั้งที่
- คำตอบ "อธิบายและอธิบายด้วยreference到พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล" แบบ 3 คะแนน จะบอก会发生กับ แต่ละ อย่าง:
- แก๊สถูกให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่: พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น เพราะอุณหภูมิมิวัดค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ของโมเลกุล; พลังงานศักย์ไม่เปลี่ยน เนื่องจากระยะห่างระหว่างโมเลกุลไม่เปลี่ยน; ดังนั้น $U$ เพิ่มขึ้น
- ลวดถูกยืดภายในขีดจำกัดยืดหยุ่นที่อุณหภูมิคงที่: พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยน因为同一อุณหภูมิ; พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น เพราะอะตอมถูกดึงออกจากกันไกลกว่าปกติต้านแรงระหว่างอะตอม; ดังนั้น $U$ เพิ่มขึ้น
- น้ำแข็งละลายที่ $0\ ^\circ\text{C}$: พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยน; พลังงานศักย์เพิ่มขึ้นเนื่องจากพันธะแตกและระยะห่างเพิ่มขึ้น; ดังนั้น $U$ เพิ่มขึ้นด้วยความร้อนแฝงที่ถูกจ่ายเข้ามา
จับคู่การเปลี่ยนแปลงแต่ละข้อกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล
อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงส่วนพลังงานจลน์; การเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลเปลี่ยนแปลงส่วนพลังงานศักย์. ต้องระบุทั้งสองอย่างในทุกคำตอบ
คะแนนที่หลุดหายไป
- นิยามต้องการ สุ่ม และ ทั้งสอง พลังงาน "พลังงานของโมเลกุล" เพียงอย่างเดียวไม่พอ
- การเคลื่อนที่แบบรวม ไม่ใช่ พลังงานภายใน พลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นสิ่งแยกต่างหากจาก $U$
- $U = \tfrac32 nRT$ ใช้ได้กับ แก๊สอุดมคติ เท่านั้น เพราะที่นั่นพลังงานศักย์ของโมเลกุลเป็นศูนย์เท่านั้น
- ที่การเปลี่ยนเฟสอุณหภูมิคงที่แต่ $U$ เพิ่มขึ้น, ผ่านพจน์พลังงานศักย์ บอกว่าพลังงานอะไรเปลี่ยนและไม่เปลี่ยน
คุณเข้าใจแล้ว
- พลังงานภายใน คือผลรวมของการกระจายแบบ สุ่ม ของ พลังงานจลน์และศักย์ ของโมเลกุลของระบบ
- มันเป็นคุณสมบัติของ สถานะ ไม่ใช่ของเส้นทาง และเป็นสิ่งแยกต่างหากจากพลังงานจลน์แบบรวมของวัตถุที่เคลื่อนที่
- สำหรับ แก๊สอุดมคติ พจน์ศักย์เป็นศูนย์ ดังนั้น $U = \tfrac32 nRT$ และ $U \propto T$ ตรงกันเป๊ะ
- การเปลี่ยนเฟส ทำให้ $U$ เพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิคงที่โดยการเพิ่ม พลังงานศักย์ เมื่อพันธะแตก