Dit is gerieflik om 'n spesifieke fisiese verskynsel of klas van verskynsels te oorweeg deur modelle van verskillende grade van benadering te gebruik. Byvoorbeeld, wanneer die gedrag van 'n gas beskryf word, word 'n fisiese model gebruik - 'n ideale gas.
Enige model het limiete van toepaslikheid, waarby dit verfyn moet word of meer komplekse opsies toegepas moet word. Hier beskou ons 'n eenvoudige geval van die beskrywing van die interne energie van 'n fisiese sisteem gebaseer op die mees noodsaaklike eienskappe van gasse binne sekere perke.
Ideale gas
Hierdie fisiese model, vir die gerief om sommige fundamentele prosesse te beskryf, vereenvoudig 'n ware gas soos volg:
- Verwaarloos die grootte van gasmolekules. Dit beteken dat daar verskynsels is waarvoor hierdie parameter nie noodsaaklik is vir 'n voldoende beskrywing nie.
- Verwaarloos intermolekulêre interaksies, dit wil sê, dit aanvaar dat dit in die prosesse van belang vir dit verskyn in weglaatbare tydintervalle en nie die toestand van die sisteem beïnvloed nie. In hierdie geval is die interaksies in die aard van 'n absoluut elastiese impak, waarin daar geen energieverlies op is nievervorming.
- Verwaarloos interaksie van molekules met tenkwande.
- Veronderstel dat die "gas-reservoir"-stelsel deur termodinamiese ewewig gekenmerk word.
Hierdie model is geskik om werklike gasse te beskryf as druk en temperature relatief laag is.
Energietoestand van 'n fisiese stelsel
Enige makroskopiese fisiese sisteem (liggaam, gas of vloeistof in 'n vaartuig) het, benewens sy eie kinetika en potensiaal, nog een tipe energie - intern. Hierdie waarde word verkry deur die energie op te som van al die subsisteme waaruit die fisiese sisteem bestaan - molekules.
Elke molekule in 'n gas het ook sy eie potensiaal en kinetiese energie. Laasgenoemde is te wyte aan die voortdurende chaotiese termiese beweging van molekules. Die verskillende interaksies tussen hulle (elektriese aantrekking, afstoting) word deur potensiële energie bepaal.
Daar moet onthou word dat as die energietoestand van enige dele van die fisiese sisteem geen effek op die makroskopiese toestand van die sisteem het nie, dan word dit nie in ag geneem nie. Byvoorbeeld, onder normale toestande manifesteer kernenergie hom nie in veranderinge in die toestand van 'n fisiese voorwerp nie, dus hoef dit nie in ag geneem te word nie. Maar by hoë temperature en druk is dit reeds nodig.
Daarom weerspieël die interne energie van die liggaam die aard van die beweging en interaksie van sy deeltjies. Dit beteken dat die term sinoniem is met die algemeen gebruikte term "termiese energie".
Monatomiese ideale gas
Monatomiese gasse, dit wil sê dié wie se atome nie in molekules gekombineer is nie, bestaan in die natuur – dit is inerte gasse. Gasse soos suurstof, stikstof of waterstof kan slegs in so 'n toestand bestaan onder toestande wanneer energie van buite af gebruik word om hierdie toestand voortdurend te hernu, aangesien hul atome chemies aktief is en geneig is om in 'n molekule te kombineer.
Kom ons kyk na die energietoestand van 'n monatomiese ideale gas wat in 'n houer van 'n sekere volume geplaas word. Dit is die eenvoudigste geval. Ons onthou dat die elektromagnetiese interaksie van atome tussen hulself en met die wande van die vaartuig, en gevolglik hul potensiële energie weglaatbaar is. Die interne energie van 'n gas sluit dus net die som van die kinetiese energie van sy atome in.
Dit kan bereken word deur die gemiddelde kinetiese energie van atome in 'n gas met hul getal te vermenigvuldig. Die gemiddelde energie is E=3/2 x R / NA x T, waar R die universele gaskonstante is, NA is Avogadro se getal, T is absolute gastemperatuur. Die aantal atome word bereken deur die hoeveelheid materie met die Avogadro-konstante te vermenigvuldig. Die interne energie van 'n monatomiese gas sal gelyk wees aan U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Hier is m die massa en M is die molêre massa van die gas.
Veronderstel dat die chemiese samestelling van die gas en sy massa altyd dieselfde bly. In hierdie geval, soos gesien kan word uit die formule wat ons verkry het, hang die interne energie slegs af van die temperatuur van die gas. Vir regte gas, sal dit nodig wees om in ag te neem, bykomend tottemperatuur, verandering in volume aangesien dit die potensiële energie van atome beïnvloed.
Molekulêre gasse
In die formule hierbo kenmerk die getal 3 die aantal grade van bewegingsvryheid van 'n monatomiese deeltjie - dit word bepaal deur die aantal koördinate in die ruimte: x, y, z. Vir die toestand van 'n monatomiese gas maak dit glad nie saak of sy atome roteer nie.
Molekules is sferies asimmetries, dus, wanneer die energietoestand van molekulêre gasse bepaal word, is dit nodig om die kinetiese energie van hul rotasie in ag te neem. Diatomiese molekules, benewens die gelyste vryheidsgrade wat met translasiebeweging geassosieer word, het nog twee wat verband hou met rotasie om twee onderling loodregte asse; poliatomiese molekules het drie sulke onafhanklike rotasie-asse. Gevolglik word deeltjies van diatomiese gasse gekenmerk deur die aantal vryheidsgrade f=5, terwyl poliatomiese molekules f=6. het.
As gevolg van die ewekansigheid wat inherent is aan termiese beweging, is alle rigtings van beide rotasie- en translasiebeweging absoluut ewe waarskynlik. Die gemiddelde kinetiese energie wat deur elke tipe beweging bygedra word, is dieselfde. Daarom kan ons die waarde van f in die formule vervang, wat ons in staat stel om die interne energie van 'n ideale gas van enige molekulêre samestelling te bereken: U=f / 2 x m / M x RT.
Natuurlik sien ons uit die formule dat hierdie waarde afhang van die hoeveelheid stof, dit wil sê van hoeveel en watter soort gas ons geneem het, sowel as van die struktuur van die molekules van hierdie gas. Maar, aangesien ons ooreengekom het om nie die massa en chemiese samestelling te verander nie, neem dan in agons het net temperatuur nodig.
Kom ons kyk nou hoe die waarde van U verband hou met ander kenmerke van die gas - volume, sowel as druk.
Interne energie en termodinamiese toestand
Temperature, soos jy weet, is een van die parameters van die termodinamiese toestand van die stelsel (in hierdie geval, gas). In 'n ideale gas word dit verwant aan druk en volume deur die verhouding PV=m / M x RT (die sogenaamde Clapeyron-Mendeleev-vergelyking). Temperatuur bepaal hitte-energie. Dus kan laasgenoemde uitgedruk word in terme van 'n stel ander toestand parameters. Dit is onverskillig teenoor die vorige toestand, sowel as die manier waarop dit verander is.
Kom ons kyk hoe die interne energie verander wanneer die stelsel van een termodinamiese toestand na 'n ander oorgaan. Die verandering daarvan in enige sodanige oorgang word bepaal deur die verskil tussen die aanvanklike en finale waardes. As die stelsel na die een of ander tussentoestand teruggekeer het na sy oorspronklike toestand, sal hierdie verskil gelyk aan nul wees.
Sê nou ons het die gas in die tenk verhit (dit wil sê, ons het bykomende energie daarheen gebring). Die termodinamiese toestand van die gas het verander: sy temperatuur en druk het toegeneem. Hierdie proses gaan sonder om die volume te verander. Die interne energie van ons gas het toegeneem. Daarna het ons gas die verskafde energie prysgegee en afgekoel tot sy oorspronklike toestand. So 'n faktor soos byvoorbeeld die spoed van hierdie prosesse, sal nie saak maak nie. Die gevolglike verandering in die interne energie van die gas teen enige tempo van verhitting en verkoeling is nul.
Die belangrike punt is dat dieselfde waarde van termiese energie kan ooreenstem met nie een nie, maar verskeie termodinamiese toestande.
Die aard van die verandering in termiese energie
Om energie te verander, moet werk gedoen word. Werk kan deur die gas self of deur 'n eksterne krag gedoen word.
In die eerste geval is die besteding van energie vir die uitvoering van werk te danke aan die interne energie van die gas. Ons het byvoorbeeld saamgeperste gas in 'n tenk met 'n suier gehad. As die suier losgelaat word, sal die uitdyende gas dit begin lig en werk doen (laat die suier 'n soort vrag lig sodat dit nuttig kan wees). Die interne energie van die gas sal afneem met die hoeveelheid wat spandeer word op arbeid teen swaartekrag en wrywingskragte: U2=U1 – A. In hierdie geval, die werk van die gas is positief omdat die rigting van die krag wat op die suier toegepas word dieselfde is as die bewegingsrigting van die suier.
Kom ons begin die suier laat sak, werk teen die krag van gasdruk en weer teen die wrywingskragte. Dus sal ons die gas van 'n sekere hoeveelheid energie inlig. Hier word die werk van eksterne kragte reeds as positief beskou.
Benewens meganiese werk, is daar ook so 'n manier om energie uit die gas te neem of dit energie te gee, soos hitte-oordrag (hitte-oordrag). Ons het hom al ontmoet in die voorbeeld van die verhitting van 'n gas. Die energie wat tydens hitte-oordragprosesse na die gas oorgedra word, word die hoeveelheid hitte genoem. Daar is drie tipes hitte-oordrag: geleiding, konveksie en stralingsoordrag. Kom ons bekyk hulle van nader.
Termiese geleiding
Die vermoë van 'n stof om hitte uit te ruil,uitgevoer deur sy deeltjies deur kinetiese energie na mekaar oor te dra tydens onderlinge botsings tydens termiese beweging - dit is termiese geleidingsvermoë. As 'n sekere area van die stof verhit word, dit wil sê, 'n sekere hoeveelheid hitte daaraan oorgedra word, sal die interne energie na 'n rukkie, deur botsings van atome of molekules, gemiddeld eenvormig onder alle deeltjies versprei word.
Dit is duidelik dat termiese geleidingsvermoë sterk afhang van die frekwensie van botsings, en dit op sy beurt van die gemiddelde afstand tussen deeltjies. Daarom word 'n gas, veral 'n ideale gas, gekenmerk deur 'n baie lae termiese geleidingsvermoë, en hierdie eienskap word dikwels vir termiese isolasie gebruik.
Van werklike gasse is termiese geleidingsvermoë hoër vir diegene wie se molekules die ligste en terselfdertyd polyatomies is. Molekulêre waterstof voldoen in die grootste mate aan hierdie toestand, en radon, as die swaarste monoatomiese gas, in die minste mate. Hoe skaarser die gas, hoe slegter hittegeleier is dit.
In die algemeen is die oordrag van energie deur termiese geleiding vir 'n ideale gas 'n baie ondoeltreffende proses.
Konveksie
Baie meer doeltreffend vir 'n gas is hierdie tipe hitte-oordrag, soos konveksie, waarin die interne energie versprei word deur die vloei van materie wat in die gravitasieveld sirkuleer. Die opwaartse vloei van warm gas word gevorm as gevolg van die Archimediese krag, aangesien dit minder dig is as gevolg van termiese uitsetting. Die warm gas wat opwaarts beweeg, word voortdurend deur kouer gas vervang - die sirkulasie van gasvloei word gevestig. Daarom, om doeltreffende, dit wil sê die vinnigste verhitting deur konveksie te verseker, is dit nodig om die petroltenk van onder af te verhit - net soos 'n ketel met water.
As dit nodig is om 'n mate van hitte van die gas weg te neem, dan is dit meer doeltreffend om die yskas bo-op te plaas, aangesien die gas wat energie aan die yskas gegee het onder die invloed van swaartekrag sal afstorm..
'n Voorbeeld van konveksie in gas is die verhitting van binnenshuise lug deur verwarmingstelsels te gebruik (dit word so laag as moontlik in die kamer geplaas) of verkoeling met 'n lugversorger, en in natuurlike toestande veroorsaak die verskynsel van termiese konveksie die beweging van lugmassas en beïnvloed die weer en klimaat.
In die afwesigheid van swaartekrag (met gewigloosheid in 'n ruimteskip), word konveksie, dit wil sê die sirkulasie van lugstrome, nie vasgestel nie. Dit maak dus geen sin om gasbranders of vuurhoutjies aan boord van die ruimtetuig aan te steek nie: warm verbrandingsprodukte sal nie opwaarts afgevoer word nie, en suurstof sal aan die brandbron voorsien word, en die vlam sal doodgaan.
Stralende oordrag
'n Stof kan ook verhit onder die werking van termiese straling, wanneer atome en molekules energie verkry deur elektromagnetiese kwanta - fotone te absorbeer. By lae fotonfrekwensies is hierdie proses nie baie doeltreffend nie. Onthou dat wanneer ons 'n mikrogolfoond oopmaak, ons warm kos binne kry, maar nie warm lug nie. Met 'n toename in die frekwensie van straling, neem die effek van stralingsverhitting toe, byvoorbeeld in die boonste atmosfeer van die Aarde, word 'n hoogs verdroogde gas intensief verhit engeïoniseer deur sonkrag ultraviolet.
Verskillende gasse absorbeer termiese straling in verskillende grade. Dus, water, metaan, koolstofdioksied absorbeer dit redelik sterk. Die verskynsel van die kweekhuiseffek is gebaseer op hierdie eienskap.
Die eerste wet van termodinamika
Oor die algemeen kom die verandering in interne energie deur gasverhitting (hitte-oordrag) ook daarop neer dat werk óf op gasmolekules óf op hulle deur middel van 'n eksterne krag (wat op dieselfde manier aangedui word, maar met die teenoorgestelde aangedui word) teken). Watter werk word gedoen op hierdie manier van oorgang van een staat na 'n ander? Die wet van behoud van energie sal ons help om hierdie vraag te beantwoord, meer presies, die konkretisering daarvan in verhouding tot die gedrag van termodinamiese sisteme - die eerste wet van termodinamika.
Die wet, of die universele beginsel van behoud van energie, in sy mees algemene vorm sê dat energie nie uit niks gebore word nie en nie spoorloos verdwyn nie, maar net van een vorm na 'n ander oorgaan. Met betrekking tot 'n termodinamiese sisteem moet dit so verstaan word dat die werk wat deur die sisteem verrig word, uitgedruk word in terme van die verskil tussen die hoeveelheid hitte wat aan die sisteem oorgedra word (ideale gas) en die verandering in sy interne energie. Met ander woorde, die hoeveelheid hitte wat na die gas gekommunikeer word, word aan hierdie verandering en aan die werking van die stelsel bestee.
Dit word baie makliker in die vorm van formules geskryf: dA=dQ – dU, en dienooreenkomstig, dQ=dU + dA.
Ons weet reeds dat hierdie hoeveelhede nie afhang van die manier waarop die oorgang tussen state gemaak word nie. Die spoed van hierdie oorgang en, as gevolg daarvan, die doeltreffendheid hang af van die metode.
Wat die tweede betrefdie begin van termodinamika, dan bepaal dit die rigting van verandering: hitte kan nie van 'n kouer (en dus minder energieke) gas na 'n warmer een oorgedra word sonder bykomende energie-insette van buite nie. Die tweede wet dui ook aan dat 'n deel van die energie wat deur die stelsel bestee word om werk te verrig, onvermydelik verdwyn, verlore gaan (nie verdwyn nie, maar verander in 'n onbruikbare vorm).
Termodinamiese prosesse
Oorgange tussen die energietoestande van 'n ideale gas kan verskillende patrone van verandering in een of ander van sy parameters hê. Die interne energie in die prosesse van oorgange van verskillende tipes sal ook verskillend optree. Kom ons kyk kortliks na verskeie tipes sulke prosesse.
- Die isochoriese proses verloop sonder 'n verandering in volume, daarom werk die gas nie. Die interne energie van die gas verander as 'n funksie van die verskil tussen die finale en aanvanklike temperature.
- Isobariese proses vind plaas by konstante druk. Die gas werk wel, en sy termiese energie word op dieselfde manier as in die vorige geval bereken.
- Isotermiese proses word gekenmerk deur 'n konstante temperatuur, en gevolglik verander die termiese energie nie. Die hoeveelheid hitte wat deur die gas ontvang word, word geheel en al spandeer om werk te doen.
- Adiabatiese, of adiabatiese proses vind plaas in 'n gas sonder hitte-oordrag, in 'n termies-geïsoleerde tenk. Werk word slegs gedoen ten koste van termiese energie: dA=- dU. Met adiabatiese kompressie neem die termiese energie toe, met uitsetting, onderskeidelikafneem.
Verskeie isoprosesse onderlê die werking van termiese enjins. Die isochoriese proses vind dus in 'n petrolenjin by die uiterste posisies van die suier in die silinder plaas, en die tweede en derde hale van die enjin is voorbeelde van 'n adiabatiese proses. By die verkryging van vloeibare gasse speel adiabatiese uitsetting 'n belangrike rol - danksy dit word gaskondensasie moontlik. Isoprosesse in gasse, in die studie waarvan 'n mens nie sonder die konsep van die interne energie van 'n ideale gas kan klaarkom nie, is kenmerkend van baie natuurlike verskynsels en word in verskeie takke van tegnologie gebruik.
