Физика / Молекулярная физика

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа U = 3νRT/2 определяется количеством вещества и абсолютной температурой. Объём сам по себе её не меняет в этой модели.

Опубликовано: Обновлено:

Формула

$$U=\frac{3}{2}\nu RT$$
График U, кДж и T, К
U, кДж в зависимости от T, КU, кДж01002,022254,043506,064758,08600T, К

Один моль одноатомного идеального газа: внутренняя энергия пропорциональна абсолютной температуре.

Обозначения

$U$
внутренняя энергия поступательного движения газа, Дж
$ν$
количество вещества, моль
$R$
универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К)
$T$
абсолютная температура, К

Условия применения

Газ одноатомный, идеальный и находится в равновесии. Учитывается только поступательная энергия трёх степеней свободы; температура задана в кельвинах, а ν — в молях.

Ограничения

Для двухатомных и многоатомных газов при доступных вращательных и колебательных движениях коэффициент меняется. Реальный газ может иметь энергию взаимодействия, а при низких температурах классическая модель степеней свободы требует квантовой проверки.

Подробное объяснение

У одноатомного идеального газа молекулы не имеют вращательной и колебательной структуры в школьной модели, поэтому внутренняя энергия равна сумме поступательных кинетических энергий. Средняя энергия одной частицы равна 3kT/2; умножение на число частиц N = νNₐ и использование R = Nₐk даёт U = 3νRT/2.

Формула показывает, что внутренняя энергия зависит только от температуры и количества вещества, но не напрямую от объёма или давления. При изохорном нагреве вся теплота увеличивает U; при изотермическом изменении состояния идеального газа U не меняется, хотя работа и тепло могут быть ненулевыми.

Коэффициент 3/2 нельзя переносить на любой газ без проверки. У сложной молекулы появляются вращательные степени свободы, а при достаточно высокой температуре могут возбуждаться колебания. Поэтому сначала определяют модель газа, затем выбирают молярную теплоёмкость и только после этого считают энергию.

Единицы νRT дают джоули: моль · Дж/(моль · К) · К = Дж. Температуру 27 °C нужно заменить на 300,15 К. Удвоение ν при том же T удваивает энергию, а удвоение T при том же ν тоже удваивает её.

Связь с первым законом отделяет внутреннюю энергию от работы. В процессе Q = ΔU+A газ может получить тепло, но часть отдать в работу; U изменится только на разность между теплотой и работой по принятому знаку. Это позволяет проверять энергетический баланс любой задачи.

Как пользоваться формулой

  1. Опишите процесс и назовите постоянные величины.
  2. Переведите данные в СИ и Кельвины.
  3. Выразите неизвестную величину символически.
  4. Подставьте числа и сохраните промежуточные единицы.
  5. Проверьте знак, предел и размерность результата.

Историческая справка

Понятие внутренней энергии сформировалось в XIX веке, когда механическую теорию теплоты заменили количественным представлением о сохранении энергии. Клаузиус развивал кинетическое объяснение давления, Максвелл описал распределение скоростей, а Больцман придал молекулярной картине статистический смысл. Для одноатомного идеального газа равнораспределение по трём поступательным координатам приводит к коэффициенту 3/2. Первый закон термодинамики затем связал изменение U с теплотой и работой независимо от конкретного пути. Развитие спектроскопии и квантовой физики показало, что вращательные и колебательные степени свободы включаются не всегда, поэтому теплоёмкость зависит от температуры. Современная формула сохраняет классический предел и используется как эталонная модель для понимания более сложных газов.

Историческая линия формулы

Формула выросла из кинетической теории и первого закона, а не из одного открытия. Коэффициент 3/2 связан с тремя поступательными степенями свободы в классическом равновесии; Клаузиус, Максвелл и Больцман внесли вклад в физическое обоснование, но автором всей записи их по отдельности не называют.

Пример

Найдём внутреннюю энергию 0,500 моль гелия при T = 300 К. Гелий одноатомный, поэтому U = 3νRT/2 = 1,5 · 0,500 · 8,314 · 300 = 1870,65 Дж. Ответ: U≈1,87 кДж. Если нагреть тот же газ до 600 К, U₂ = 3741,3 Дж, то есть энергия удвоится. Проверка размерности: νRT — джоули, коэффициент 3/2 безразмерен. Масса гелия в эту формулу не входит: она влияет на скорости молекул, но при одинаковой температуре средняя поступательная энергия одной частицы задаётся kT. При той же температуре и другом объёме энергия этой порции идеального газа останется прежней. Однако если заменить гелий молекулярным газом с активными вращательными степенями свободы, множителя 3/2 уже недостаточно для полной внутренней энергии.

Частая ошибка

Частые ошибки: подстановка температуры в °C; смешение литров и м³; неверный знак работы газа; использование Cᵥ вместо Cₚ; трактовка статистического среднего как значения каждой молекулы. Исправление всегда начинается с рисунка процесса и таблицы единиц.

Практика

Задачи с решением

Неон при 400 К

Условие. ν = 2,00 моль одноатомного неона, T = 400 К. Найдите U.

Решение. U = 1,5 · 2,00 · 8,314 · 400 = 9977 Дж.

Ответ. U≈9,98 кДж

Изменение энергии

Условие. 0,250 моль аргона нагрели от 280 К до 350 К. Найдите ΔU.

Решение. ΔU = 1,5 · 0,250 · 8,314 · (350−280) = 218,26 Дж.

Ответ. ΔU≈218 Дж

Дополнительные источники

  • https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/2-2-pressure-temperature-and-rms-speed
  • https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/3-5-heat-capacities-of-an-ideal-gas

Связанные формулы

Физика

Уравнение Менделеева - Клапейрона

$pV=\nu RT$

Уравнение Менделеева–Клапейрона связывает давление, объём, температуру и количество вещества идеального газа: pV = νRT. Оно переводит между макроскопическими параметрами одного состояния.

Физика

Средняя квадратичная скорость молекул

$v_{\text{с.кв.}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}}$

Средняя квадратичная скорость vᵣₘₛ = √(3RT/M) характеризует корень из среднего квадрата скоростей молекул идеального газа. Это статистическая скорость в м/с, а не скорость потока газа.