Det er praktisk å vurdere et bestemt fysisk fenomen eller klasse av fenomener ved å bruke modeller med ulik grad av tilnærming. Når for eksempel oppførselen til en gass skal beskrives, brukes en fysisk modell - en ideell gass.
Enhver modell har grenser for anvendelighet, utover disse må den foredles eller mer komplekse alternativer brukes. Her tar vi for oss et enkelt tilfelle av å beskrive den indre energien til et fysisk system basert på de mest essensielle egenskapene til gasser innenfor visse grenser.
Ideell gass
Denne fysiske modellen, for enkelhets skyld å beskrive noen grunnleggende prosesser, forenkler en ekte gass som følger:
- Forsømmer størrelsen på gassmolekyler. Dette betyr at det er fenomener der denne parameteren ikke er avgjørende for en tilstrekkelig beskrivelse.
- Forsømmer intermolekylære interaksjoner, det vil si at den aksepterer at i prosessene som er av interesse for den, vises de i ubetydelige tidsintervaller og ikke påvirker systemets tilstand. I dette tilfellet har interaksjonene karakter av en absolutt elastisk påvirkning, der det ikke er noe energitap pådeformasjon.
- Forsømmer interaksjon mellom molekyler og tankvegger.
- Anta at "gass-reservoar"-systemet er preget av termodynamisk likevekt.
Denne modellen er egnet for å beskrive ekte gasser hvis trykk og temperaturer er relativt lave.
Energitilstanden til et fysisk system
Ethvert makroskopisk fysisk system (kropp, gass eller væske i et kar) har, i tillegg til sin egen kinetikk og potensial, en annen type energi - intern. Denne verdien oppnås ved å summere opp energiene til alle delsystemene som utgjør det fysiske systemet - molekyler.
Hvert molekyl i en gass har også sitt eget potensial og kinetiske energi. Sistnevnte skyldes den kontinuerlige kaotiske termiske bevegelsen til molekyler. De ulike interaksjonene mellom dem (elektrisk tiltrekning, frastøting) bestemmes av potensiell energi.
Det må huskes at hvis energitilstanden til noen deler av det fysiske systemet ikke har noen effekt på den makroskopiske tilstanden til systemet, blir det ikke tatt hensyn til. For eksempel, under normale forhold, manifesterer ikke kjernekraft seg i endringer i tilstanden til et fysisk objekt, så det trenger ikke tas i betraktning. Men ved høye temperaturer og trykk er dette allerede nødvendig.
Dermed reflekterer den indre energien til kroppen naturen til bevegelsen og samspillet mellom dens partiklene. Dette betyr at begrepet er synonymt med det ofte brukte begrepet "termisk energi".
Monatomisk ideell gass
Monatomiske gasser, det vil si de hvis atomer ikke er kombinert til molekyler, finnes i naturen – dette er inerte gasser. Gasser som oksygen, nitrogen eller hydrogen kan eksistere i en slik tilstand bare under forhold når energi brukes utenfra for å stadig fornye denne tilstanden, siden atomene deres er kjemisk aktive og har en tendens til å kombineres til et molekyl.
La oss vurdere energitilstanden til en monoatomisk ideell gass plassert i et kar med et visst volum. Dette er det enkleste tilfellet. Vi husker at den elektromagnetiske interaksjonen av atomer mellom seg og med veggene i fartøyet, og følgelig deres potensielle energi er ubetydelig. Så den indre energien til en gass inkluderer bare summen av kinetiske energier til dens atomer.
Det kan beregnes ved å multiplisere den gjennomsnittlige kinetiske energien til atomer i en gass med antallet. Gjennomsnittlig energi er E=3/2 x R / NA x T, der R er den universelle gasskonstanten, NA er Avogadros tall, T er absolutt gasstemperatur. Antall atomer beregnes ved å multiplisere mengden materie med Avogadro-konstanten. Den indre energien til en monoatomisk gass vil være lik U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Her er m massen og M er den molare massen til gassen.
Anta at den kjemiske sammensetningen av gassen og dens masse alltid forblir den samme. I dette tilfellet, som det kan sees fra formelen vi fikk, avhenger den indre energien bare av temperaturen på gassen. For ekte gass vil det være nødvendig å ta hensyn til, i tillegg tiltemperatur, endring i volum ettersom den påvirker den potensielle energien til atomer.
Molekylære gasser
I formelen ovenfor karakteriserer tallet 3 antall grader av bevegelsesfrihet til en monoatomisk partikkel - det bestemmes av antall koordinater i rommet: x, y, z. For tilstanden til en monoatomisk gass spiller det ingen rolle om atomene roterer.
Molekyler er sfærisk asymmetriske, derfor, når man bestemmer energitilstanden til molekylære gasser, er det nødvendig å ta hensyn til den kinetiske energien til deres rotasjon. Diatomiske molekyler, i tillegg til de listede frihetsgradene assosiert med translasjonsbevegelse, har ytterligere to assosiert med rotasjon rundt to innbyrdes perpendikulære akser; polyatomiske molekyler har tre slike uavhengige rotasjonsakser. Følgelig er partikler av diatomiske gasser karakterisert ved antall frihetsgrader f=5, mens polyatomiske molekyler har f=6.
På grunn av tilfeldigheten som ligger i termisk bevegelse, er alle retninger for både rotasjons- og translasjonsbevegelser absolutt like sannsynlige. Den gjennomsnittlige kinetiske energien som hver type bevegelse bidrar med er den samme. Derfor kan vi erstatte verdien av f i formelen, som lar oss beregne den indre energien til en ideell gass med en hvilken som helst molekylsammensetning: U=f / 2 x m / M x RT.
Vi ser selvfølgelig av formelen at denne verdien avhenger av stoffmengden, det vil si hvor mye og hva slags gass vi tok, samt strukturen til molekylene til denne gassen. Men siden vi ble enige om å ikke endre masse og kjemisk sammensetning, så ta hensynvi trenger bare temperatur.
La oss nå se på hvordan verdien av U er relatert til andre egenskaper ved gassen - volum, så vel som trykk.
Intern energi og termodynamisk tilstand
Temperature, som du vet, er en av parameterne for den termodynamiske tilstanden til systemet (i dette tilfellet gass). I en ideell gass er den relatert til trykk og volum ved forholdet PV=m / M x RT (den såk alte Clapeyron-Mendeleev-ligningen). Temperatur bestemmer varmeenergi. Så sistnevnte kan uttrykkes i form av et sett med andre tilstandsparametre. Den er likegyldig til den forrige tilstanden, så vel som til måten den ble endret på.
La oss se hvordan den indre energien endres når systemet går fra en termodynamisk tilstand til en annen. Dens endring i enhver slik overgang bestemmes av forskjellen mellom start- og sluttverdiene. Hvis systemet returnerte til sin opprinnelige tilstand etter en mellomtilstand, vil denne forskjellen være lik null.
Anta at vi har varmet opp gassen i tanken (det vil si at vi har tatt med ekstra energi til den). Den termodynamiske tilstanden til gassen har endret seg: dens temperatur og trykk har økt. Denne prosessen går uten å endre volumet. Den indre energien til gassen vår har økt. Etter det ga gassen vår opp den tilførte energien, og kjølte seg ned til sin opprinnelige tilstand. En slik faktor som for eksempel hastigheten på disse prosessene vil ikke ha noen betydning. Den resulterende endringen i den indre energien til gassen uansett hastighet for oppvarming og avkjøling er null.
Det viktige poenget er at den samme verdien av termisk energi kan tilsvare ikke én, men flere termodynamiske tilstander.
Typen av endringen i termisk energi
For å endre energi må det jobbes. Arbeidet kan utføres av selve gassen eller av en ekstern kraft.
I det første tilfellet skyldes energiforbruket for utførelse av arbeid den indre energien til gassen. For eksempel hadde vi komprimert gass i en tank med stempel. Hvis stempelet slippes, vil den ekspanderende gassen begynne å løfte det og gjøre arbeid (for at det skal være nyttig, la stempelet løfte en slags last). Gassens indre energi vil avta med mengden brukt på arbeid mot gravitasjon og friksjonskrefter: U2=U1 – A. I denne I tilfellet er gassens arbeid positiv fordi retningen til kraften som påføres stempelet er den samme som stempelets bevegelsesretning.
La oss begynne å senke stempelet, gjøre arbeid mot kraften fra gasstrykket og igjen mot friksjonskreftene. Dermed vil vi informere gassen om en viss mengde energi. Her anses arbeidet til eksterne krefter allerede som positivt.
I tillegg til mekanisk arbeid, er det også en slik måte å ta energi fra gassen eller gi den energi, som for eksempel varmeoverføring (varmeoverføring). Vi har allerede møtt ham i eksemplet med å varme opp en gass. Energien som overføres til gassen under varmeoverføringsprosesser kalles varmemengden. Det er tre typer varmeoverføring: ledning, konveksjon og strålingsoverføring. La oss se nærmere på dem.
Vermeledningsevne
Egens evne til å utveksle varme,utføres av partiklene ved å overføre kinetisk energi til hverandre under gjensidige kollisjoner under termisk bevegelse - dette er termisk ledningsevne. Hvis et bestemt område av stoffet varmes opp, det vil si at en viss mengde varme tilføres det, vil den indre energien etter en stund, gjennom kollisjoner av atomer eller molekyler, i gjennomsnitt fordeles jevnt mellom alle partikler.
Det er klart at varmeledningsevnen er sterkt avhengig av kollisjonsfrekvensen, og det igjen av den gjennomsnittlige avstanden mellom partiklene. Derfor er en gass, spesielt en ideell gass, karakterisert ved en svært lav varmeledningsevne, og denne egenskapen brukes ofte til termisk isolasjon.
Av ekte gasser er termisk ledningsevne høyere for de hvis molekyler er de letteste og samtidig polyatomiske. Molekylært hydrogen oppfyller denne betingelsen i størst grad, og radon, som den tyngste monoatomiske gassen, i minst grad. Jo sjeldnere gassen er, jo dårligere varmeleder er den.
Generelt er overføring av energi gjennom termisk ledning for en ideell gass en svært ineffektiv prosess.
Konveksjon
Mye mer effektiv for en gass er denne typen varmeoverføring, for eksempel konveksjon, der den indre energien fordeles gjennom strømmen av materie som sirkulerer i gravitasjonsfeltet. Den oppadgående strømmen av varm gass dannes på grunn av den arkimedeiske kraften, siden den er mindre tett på grunn av termisk ekspansjon. Den varme gassen som beveger seg oppover blir stadig erstattet av kaldere gass - sirkulasjonen av gassstrømmer etableres. Derfor, for å sikre effektiv, det vil si den raskeste oppvarmingen gjennom konveksjon, er det nødvendig å varme opp gasstanken nedenfra - akkurat som en vannkoker.
Hvis det er nødvendig å ta bort litt varme fra gassen, så er det mer effektivt å plassere kjøleskapet øverst, siden gassen som ga energi til kjøleskapet vil suse ned under påvirkning av tyngdekraften.
Et eksempel på konveksjon i gass er oppvarming av inneluft ved hjelp av varmesystemer (de plasseres i rommet så lavt som mulig) eller kjøling ved hjelp av et klimaanlegg, og under naturlige forhold forårsaker fenomenet termisk konveksjon bevegelsen av luftmasser og påvirker vær og klima.
I fravær av tyngdekraft (med vektløshet i et romskip) etableres ikke konveksjon, det vil si sirkulasjonen av luftstrømmer. Så det gir ingen mening å tenne gassbrennere eller fyrstikker om bord i romfartøyet: varme forbrenningsprodukter vil ikke slippes ut oppover, og oksygen vil bli tilført brannkilden, og flammen vil dø ut.
Radiant transfer
Et stoff kan også varmes opp under påvirkning av termisk stråling, når atomer og molekyler tilegner seg energi ved å absorbere elektromagnetiske kvanter - fotoner. Ved lave fotonfrekvenser er denne prosessen lite effektiv. Husk at når vi åpner en mikrobølgeovn, finner vi varm mat inni, men ikke varm luft. Med en økning i frekvensen av stråling øker effekten av strålingsoppvarming, for eksempel i den øvre atmosfæren på jorden, blir en svært foreldet gass intensivt oppvarmet ogionisert av ultrafiolett solenergi.
Ulike gasser absorberer termisk stråling i varierende grad. Så vann, metan, karbondioksid absorberer det ganske sterkt. Fenomenet drivhuseffekt er basert på denne egenskapen.
Den første loven for termodynamikk
Generelt sett kommer endringen i intern energi gjennom gassoppvarming (varmeoverføring) også ned på å utføre arbeid enten på gassmolekyler eller på dem gjennom en ytre kraft (som er betegnet på samme måte, men med det motsatte skilt). Hvilket arbeid gjøres på denne måten for overgang fra en stat til en annen? Loven om bevaring av energi vil hjelpe oss å svare på dette spørsmålet, mer presist, dets konkretisering i forhold til oppførselen til termodynamiske systemer - termodynamikkens første lov.
Loven, eller det universelle prinsippet om bevaring av energi, i sin mest generaliserte form sier at energi ikke er født fra ingenting og ikke forsvinner sporløst, men bare går fra en form til en annen. I forhold til et termodynamisk system skal dette forstås slik at arbeidet som gjøres av systemet uttrykkes i form av forskjellen mellom mengden varme som tilføres systemet (idealgass) og endringen i dets indre energi. Med andre ord, mengden varme som kommuniseres til gassen brukes på denne endringen og på driften av systemet.
Dette skrives i form av formler mye enklere: dA=dQ – dU, og følgelig dQ=dU + dA.
Vi vet allerede at disse mengdene ikke avhenger av måten overgangen mellom stater gjøres på. Hastigheten på denne overgangen og som et resultat av effektiviteten avhenger av metoden.
Når det gjelder den andrebegynnelsen av termodynamikk, så setter den retningen for endringen: varme kan ikke overføres fra en kaldere (og derfor mindre energisk) gass til en varmere uten ekstra energitilførsel fra utsiden. Den andre loven indikerer også at en del av energien som brukes av systemet for å utføre arbeid, uunngåelig forsvinner, går tapt (forsvinner ikke, men blir til en ubrukelig form).
Termodynamiske prosesser
Overganger mellom energitilstandene til en ideell gass kan ha forskjellige endringsmønstre i en eller annen av dens parametere. Den indre energien i prosessene med overganger av forskjellige typer vil også oppføre seg annerledes. La oss kort vurdere flere typer slike prosesser.
- Den isokoriske prosessen fortsetter uten endring i volumet, derfor virker ikke gassen. Den indre energien til gassen endres som en funksjon av forskjellen mellom slutt- og starttemperaturen.
- Isobarisk prosess skjer ved konstant trykk. Gassen virker, og dens termiske energi beregnes på samme måte som i forrige tilfelle.
- Isoterm prosess er preget av en konstant temperatur, og derfor endres ikke den termiske energien. Mengden varme som mottas av gassen, brukes i sin helhet på å utføre arbeid.
- Adiabatisk, eller adiabatisk prosess foregår i en gass uten varmeoverføring, i en termisk isolert tank. Arbeid utføres kun på bekostning av termisk energi: dA=- dU. Ved adiabatisk kompresjon øker den termiske energien, henholdsvis med ekspansjonavtagende.
Ulike isoprosesser ligger til grunn for funksjonen til termiske motorer. Dermed foregår den isokoriske prosessen i en bensinmotor i ytterposisjonene til stempelet i sylinderen, og motorens andre og tredje slag er eksempler på en adiabatisk prosess. Når du oppnår flytende gasser, spiller adiabatisk ekspansjon en viktig rolle - takket være det blir gasskondensasjon mulig. Isoprosesser i gasser, i studiet av hvilke man ikke kan klare seg uten konseptet om den indre energien til en ideell gass, er karakteristiske for mange naturfenomener og brukes i ulike grener av teknologi.
