Номер 2, страница 119 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 17. Основы химической термодинамики. Понятие об энтальпии - номер 2, страница 119.

Условие.

2. Как вы понимаете, что такое внутренняя энергия термодинамической системы? Какими способами её можно изменить?

Решение.

Решение 2.

Как вы понимаете, что такое внутренняя энергия термодинамической системы?

Внутренняя энергия термодинамической системы (обозначается как $\text{U}$) — это фундаментальная физическая величина, представляющая собой полную энергию этой системы за вычетом кинетической энергии её движения как целого и потенциальной энергии её положения во внешних полях (например, гравитационном или электромагнитном).

Таким образом, внутренняя энергия складывается из двух основных компонентов:

1. Суммарная кинетическая энергия хаотического (теплового) движения всех частиц системы (атомов, молекул, ионов). Это движение включает в себя поступательное, вращательное и колебательное движение частиц. Эта часть внутренней энергии напрямую связана с температурой системы: чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия частиц и, следовательно, больше внутренняя энергия.

2. Суммарная потенциальная энергия взаимодействия всех частиц системы друг с другом. Эта энергия обусловлена силами межмолекулярного и внутримолекулярного притяжения и отталкивания. В идеальных газах, где взаимодействием между молекулами пренебрегают, потенциальная энергия считается равной нулю, и внутренняя энергия сводится только к кинетической энергии их движения. В жидкостях и твердых телах вклад потенциальной энергии очень существенен.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что она однозначно определяется макроскопическими параметрами системы (такими как температура, давление, объем) и не зависит от того, каким путем система пришла в это состояние.

Например, для идеального одноатомного газа внутренняя энергия выражается формулой: $U = \frac{3}{2}\nu RT$, где $\nu$ - количество вещества, $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная, а $\text{T}$ — абсолютная температура.

Ответ: Внутренняя энергия термодинамической системы — это сумма кинетических энергий хаотического движения всех её частиц (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом.

Какими способами её можно изменить?

Согласно первому началу (закону) термодинамики, изменить внутреннюю энергию термодинамической системы можно двумя способами: совершением работы и теплопередачей.

1. Совершение работы ($\text{A}$). Это макроскопический способ передачи энергии, связанный с изменением объема системы или действием других внешних сил.

   • Если внешние силы совершают работу над системой (например, при сжатии газа поршнем), её внутренняя энергия увеличивается. В этом случае работа внешних сил $\text{A}$ положительна ($A > 0$).
   • Если система сама совершает работу над внешними телами (например, газ расширяется и толкает поршень), её внутренняя энергия уменьшается. В этом случае работа, совершаемая системой $A'$, положительна ($A' > 0$), а работа внешних сил над системой — отрицательна ($A = -A'$).

2. Теплопередача (или теплообмен, $\text{Q}$). Это микроскопический способ передачи энергии от более нагретых тел к менее нагретым без совершения механической работы. Энергия передается при хаотических столкновениях частиц.

   • Если система получает некоторое количество теплоты от окружающих тел (её нагревают), её внутренняя энергия увеличивается ($Q > 0$).
   • Если система отдает некоторое количество теплоты окружающим телам (её охлаждают), её внутренняя энергия уменьшается ($Q < 0$).
   Теплопередача может осуществляться тремя механизмами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Эти два способа изменения внутренней энергии объединены в математической формулировке первого начала термодинамики. Изменение внутренней энергии системы $\Delta U$ равно сумме количества теплоты $\text{Q}$, переданного системе, и работы $\text{A}$, совершенной над системой внешними силами:

$ \Delta U = Q + A $

Часто используется форма, где $A'$ — работа, совершаемая самой системой: $A' = -A$. Тогда закон выглядит так:

$ Q = \Delta U + A' $

Ответ: Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами: путем совершения механической работы над системой (или самой системой) и путем теплопередачи (теплообмена с окружающей средой).