Внутренняя энергия газа — тренажёр для 10 класса

Внутренняя энергия газа — это сумма кинетических энергий его молекул и потенциальных энергий их взаимодействия. Для идеального одноатомного газа она зависит только от температуры и количества вещества: U = 3/2·νRT. При нагревании молекулы движутся быстрее, и внутренняя энергия растёт. Важно не путать её с теплотой и работой.

🚀 Попробовать без регистрации 📝 Задачи с решениями ⚔️ Вызвать на дуэль

Что проверяет эта тема

  • Применять формулу U = 3/2·νRT.
  • Связывать внутреннюю энергию с температурой.
  • Использовать уравнение pV = νRT.
  • Различать внутреннюю энергию, теплоту и работу.

Формулы и правила

Что ищем Формула Обозначения
Внутренняя энергия $U = 3/2\cdot νRT$ Для одноатомного идеального газа.
Через давление $U = 3/2\cdot pV$ Из уравнения Менделеева — Клапейрона.
Уравнение состояния $pV = νRT$ R = 8,31 Дж/(моль·К).
Двухатомный газ $U = 5/2\cdot νRT$ Больше степеней свободы.

Разбор задачи по шагам

Задача: ν = 2 моль, T = 300 К. Найдите внутреннюю энергию одноатомного газа.

Шаг 1. Записываем формулу. U = 3/2·νRT. Почему: у одноатомного газа три степени свободы, поэтому коэффициент 3/2.

Шаг 2. Подставляем значения. ν = 2 моль, R = 8,31 Дж/(моль·К), T = 300 К.

Шаг 3. Считаем. U = 1,5 · 2 · 8,31 · 300 = 7479 Дж.

Шаг 4. Записываем ответ. Внутренняя энергия примерно равна 7,5 кДж.

Количество теплоты и теплоёмкость

При нагревании тело получает энергию, которая идёт на увеличение внутренней энергии. Количество теплоты считают по формуле Q = c·m·ΔT, где c — удельная теплоёмкость вещества, m — масса, ΔT — изменение температуры.

Удельная теплоёмкость показывает, сколько джоулей нужно, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 °C. У воды c ≈ 4200 Дж/(кг·°C), поэтому вода нагревается медленнее многих металлов.

  • ΔT — это разность температур, а не конечная температура.
  • При охлаждении Q отрицательно: тело отдаёт энергию.
  • В уравнении теплового баланса сумма Q полученной и отданной энергии равна нулю.

Ещё один разбор

Задача. Сколько теплоты нужно, чтобы нагреть 0.5 кг воды на 20 °C? Удельная теплоёмкость воды — 4200 Дж/(кг·°C).

1
Формула: $Q = c m \Delta T$.
2
$Q = 4200 \cdot 0.5 \cdot 20 = 42000$ Дж.
$Q = 42000$ Дж

Ответ: 42000

Типичные ошибки

Ошибка: Подставляют температуру в градусах Цельсия
Почему: В быту привычнее Цельсий
Как проверить: В формулу подставляется абсолютная температура: T = t + 273.
Ошибка: Забывают коэффициент 3/2
Почему: Путают с pV
Как проверить: Для одноатомного газа U = 3/2·νRT, а не νRT.
Ошибка: Считают, что внутренняя энергия зависит от объёма
Почему: Путают с давлением
Как проверить: У идеального газа U определяется температурой и количеством вещества.
Ошибка: Путают внутреннюю энергию и теплоту
Почему: Обе в джоулях
Как проверить: Внутренняя энергия — состояние газа, теплота — процесс передачи энергии.

Типы задач в тренажёре

В тренажёре:

  • Внутренняя энергия по ν и T.
  • Через давление и объём.
  • Сравнение одноатомного и двухатомного газа.
  • Связь с уравнением состояния.

Ответ проверяется сразу.

Кому и когда это нужно

Тема изучается в 10 классе (молекулярная физика) и проверяется на ЕГЭ по физике.

Родителям: объясните, что температура — это мера средней кинетической энергии молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура и внутренняя энергия.

Частые вопросы

Почему внутренняя энергия зависит от температуры?

Температура определяет среднюю кинетическую энергию молекул. Чем она выше, тем больше суммарная энергия движения.

Что такое идеальный газ?

Модель газа, в которой молекулы не взаимодействуют друг с другом, а занимают пренебрежимо малый объём. Для неё работает уравнение pV = νRT.

Чем внутренняя энергия отличается от теплоты?

Внутренняя энергия — характеристика состояния газа, а теплота — количество энергии, переданной при нагревании или охлаждении.

Почему для двухатомного газа коэффициент 5/2?

У двухатомной молекулы больше степеней свободы: три поступательные и две вращательные, поэтому U = 5/2·νRT.

Примеры задач

$\nu=1.1$ моль, $T=232$ К одноатомного газа. Внутренняя энергия (Дж)?
Ответ: 3181.07
$\nu=4.8$ моль, $T=228$ К одноатомного газа. Внутренняя энергия (Дж)?
Ответ: 13641.7
$\nu=1.57$ моль, $T=478$ К одноатомного газа. Внутренняя энергия (Дж)?
Ответ: 9354.48

Готовы попробовать свои силы?

В тренажёре задачи проверяются автоматически, а после ошибки показывается пошаговое решение.

Перейти к задачам

Смежные темы

Уравнение Менделеева-Клапейрона Количество теплоты Кинетическая энергия Уравнение теплового баланса