Adalah mudah untuk mempertimbangkan fenomena fizikal atau kelas fenomena tertentu menggunakan model pelbagai peringkat penghampiran. Contohnya, apabila menerangkan kelakuan gas, model fizikal digunakan - gas ideal.
Mana-mana model mempunyai had kebolehgunaan, di luar model itu perlu diperhalusi atau pilihan yang lebih kompleks digunakan. Di sini kita mempertimbangkan satu kes mudah untuk menerangkan tenaga dalaman sistem fizikal berdasarkan sifat paling penting bagi gas dalam had tertentu.
Gas ideal
Model fizikal ini, untuk kemudahan menerangkan beberapa proses asas, memudahkan gas sebenar seperti berikut:
- Mengabaikan saiz molekul gas. Ini bermakna terdapat fenomena yang parameter ini tidak penting untuk penerangan yang mencukupi.
- Mengabaikan interaksi antara molekul, iaitu, ia menerima bahawa dalam proses yang menarik perhatiannya, ia muncul dalam selang masa yang boleh diabaikan dan tidak menjejaskan keadaan sistem. Dalam kes ini, interaksi adalah dalam sifat impak yang benar-benar anjal, di mana tiada kehilangan tenagaubah bentuk.
- Mengabaikan interaksi molekul dengan dinding tangki.
- Anggapkan bahawa sistem "takungan gas" dicirikan oleh keseimbangan termodinamik.
Model ini sesuai untuk menerangkan gas sebenar jika tekanan dan suhu agak rendah.
Keadaan tenaga sistem fizikal
Mana-mana sistem fizikal makroskopik (badan, gas atau cecair dalam kapal) mempunyai, sebagai tambahan kepada kinetik dan potensinya sendiri, satu lagi jenis tenaga - dalaman. Nilai ini diperoleh dengan menjumlahkan tenaga semua subsistem yang membentuk sistem fizikal - molekul.
Setiap molekul dalam gas juga mempunyai potensi dan tenaga kinetiknya sendiri. Yang terakhir ini adalah disebabkan oleh pergerakan terma huru-hara berterusan molekul. Pelbagai interaksi antara mereka (tarikan elektrik, tolakan) ditentukan oleh tenaga berpotensi.
Perlu diingat bahawa jika keadaan tenaga mana-mana bahagian sistem fizikal tidak mempunyai sebarang kesan ke atas keadaan makroskopik sistem, maka ia tidak diambil kira. Sebagai contoh, dalam keadaan biasa, tenaga nuklear tidak menunjukkan dirinya dalam perubahan keadaan objek fizikal, jadi ia tidak perlu diambil kira. Tetapi pada suhu dan tekanan tinggi, ini sudah pun diperlukan.
Oleh itu, tenaga dalaman badan mencerminkan sifat pergerakan dan interaksi zarahnya. Ini bermakna istilah itu sinonim dengan istilah "tenaga haba" yang biasa digunakan.
Gas ideal monatomik
Gas monatomik, iaitu, mereka yang atomnya tidak digabungkan menjadi molekul, wujud di alam semula jadi - ini adalah gas lengai. Gas seperti oksigen, nitrogen atau hidrogen boleh wujud dalam keadaan sedemikian hanya dalam keadaan apabila tenaga dibelanjakan dari luar untuk sentiasa memperbaharui keadaan ini, kerana atomnya aktif secara kimia dan cenderung untuk bergabung menjadi molekul.
Mari kita pertimbangkan keadaan tenaga bagi gas ideal monatomik yang diletakkan di dalam bekas dengan isipadu tertentu. Ini adalah kes paling mudah. Kami ingat bahawa interaksi elektromagnet atom antara mereka dan dengan dinding kapal, dan, akibatnya, tenaga potensi mereka diabaikan. Jadi tenaga dalaman gas hanya merangkumi jumlah tenaga kinetik atomnya.
Ia boleh dikira dengan mendarabkan purata tenaga kinetik atom dalam gas dengan bilangannya. Purata tenaga ialah E=3/2 x R / NA x T, dengan R ialah pemalar gas universal, NA ialah nombor Avogadro, T ialah suhu gas mutlak. Bilangan atom dikira dengan mendarabkan jumlah jirim dengan pemalar Avogadro. Tenaga dalaman gas monatomik akan sama dengan U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Di sini m ialah jisim dan M ialah jisim molar gas.
Anggapkan bahawa komposisi kimia gas dan jisimnya sentiasa kekal sama. Dalam kes ini, seperti yang dapat dilihat dari formula yang kami perolehi, tenaga dalaman hanya bergantung pada suhu gas. Untuk gas sebenar, adalah perlu untuk mengambil kira, sebagai tambahan kepadasuhu, perubahan dalam isipadu kerana ia menjejaskan tenaga potensi atom.
Gas molekul
Dalam formula di atas, nombor 3 mencirikan bilangan darjah kebebasan pergerakan zarah monatomik - ia ditentukan oleh bilangan koordinat dalam ruang: x, y, z. Untuk keadaan gas monatomik, tidak kira sama ada atomnya berputar.
Molekul adalah sfera tidak simetri, oleh itu, apabila menentukan keadaan tenaga gas molekul, adalah perlu untuk mengambil kira tenaga kinetik putarannya. Molekul diatomik, sebagai tambahan kepada darjah kebebasan yang disenaraikan yang dikaitkan dengan gerakan translasi, mempunyai dua lagi dikaitkan dengan putaran di sekitar dua paksi saling berserenjang; molekul poliatomik mempunyai tiga paksi bebas putaran. Akibatnya, zarah gas diatomik dicirikan oleh bilangan darjah kebebasan f=5, manakala molekul poliatomik mempunyai f=6.
Disebabkan oleh rawak yang wujud dalam gerakan terma, semua arah kedua-dua pergerakan putaran dan translasi adalah berkemungkinan sama rata. Purata tenaga kinetik yang disumbangkan oleh setiap jenis gerakan adalah sama. Oleh itu, kita boleh menggantikan nilai f ke dalam formula, yang membolehkan kita mengira tenaga dalaman gas ideal bagi sebarang komposisi molekul: U=f / 2 x m / M x RT.
Sudah tentu, kita melihat dari formula bahawa nilai ini bergantung pada jumlah bahan, iaitu, pada berapa banyak dan jenis gas yang kita ambil, serta pada struktur molekul gas ini. Walau bagaimanapun, oleh kerana kami bersetuju untuk tidak mengubah jisim dan komposisi kimia, maka ambil kirakita hanya perlukan suhu.
Sekarang mari kita lihat bagaimana nilai U dikaitkan dengan ciri lain gas - isipadu, serta tekanan.
Tenaga dalaman dan keadaan termodinamik
Suhu, seperti yang anda ketahui, ialah salah satu parameter keadaan termodinamik sistem (dalam kes ini, gas). Dalam gas ideal, ia berkaitan dengan tekanan dan isipadu dengan hubungan PV=m / M x RT (yang dipanggil persamaan Clapeyron-Mendeleev). Suhu menentukan tenaga haba. Jadi yang terakhir boleh dinyatakan dalam bentuk set parameter keadaan lain. Ia tidak menghiraukan keadaan sebelumnya, serta cara ia diubah.
Mari kita lihat bagaimana tenaga dalaman berubah apabila sistem berpindah dari satu keadaan termodinamik ke keadaan termodinamik yang lain. Perubahannya dalam mana-mana peralihan sedemikian ditentukan oleh perbezaan antara nilai awal dan akhir. Jika sistem kembali kepada keadaan asalnya selepas beberapa keadaan pertengahan, maka perbezaan ini akan sama dengan sifar.
Andaikan kita telah memanaskan gas di dalam tangki (iaitu, kita telah membawa tenaga tambahan kepadanya). Keadaan termodinamik gas telah berubah: suhu dan tekanannya telah meningkat. Proses ini berjalan tanpa mengubah kelantangan. Tenaga dalaman gas kita telah meningkat. Selepas itu, gas kami melepaskan tenaga yang dibekalkan, menyejukkan ke keadaan asalnya. Faktor seperti, sebagai contoh, kelajuan proses ini, tidak akan penting. Perubahan yang terhasil dalam tenaga dalaman gas pada sebarang kadar pemanasan dan penyejukan ialah sifar.
Perkara penting ialah nilai tenaga haba yang sama boleh sepadan dengan bukan satu, tetapi beberapa keadaan termodinamik.
Sifat perubahan dalam tenaga haba
Untuk menukar tenaga, kerja mesti dilakukan. Kerja boleh dilakukan oleh gas itu sendiri atau oleh kuasa luar.
Dalam kes pertama, perbelanjaan tenaga untuk prestasi kerja adalah disebabkan oleh tenaga dalaman gas. Sebagai contoh, kami mempunyai gas mampat dalam tangki dengan omboh. Jika omboh dilepaskan, gas yang mengembang akan mula mengangkatnya, melakukan kerja (untuk ia berguna, biarkan omboh mengangkat beberapa jenis beban). Tenaga dalaman gas akan berkurangan dengan jumlah yang dibelanjakan untuk kerja melawan daya graviti dan geseran: U2=U1 – A. Dalam ini kes, kerja gas adalah positif kerana arah daya yang dikenakan pada omboh adalah sama dengan arah pergerakan omboh.
Mari kita mula menurunkan omboh, melakukan kerja melawan daya tekanan gas dan sekali lagi melawan daya geseran. Oleh itu, kami akan memaklumkan gas jumlah tenaga tertentu. Di sini, kerja kuasa luar sudah dianggap positif.
Selain kerja mekanikal, terdapat juga cara sedemikian untuk mengambil tenaga daripada gas atau memberikannya tenaga, seperti pemindahan haba (pemindahan haba). Kami telah pun bertemu dengannya dalam contoh memanaskan gas. Tenaga yang dipindahkan ke gas semasa proses pemindahan haba dipanggil jumlah haba. Terdapat tiga jenis pemindahan haba: pengaliran, perolakan, dan pemindahan sinaran. Mari kita lihat mereka dengan lebih dekat.
Kekonduksian terma
Keupayaan sesuatu bahan untuk menukar haba,dijalankan oleh zarahnya dengan memindahkan tenaga kinetik antara satu sama lain semasa perlanggaran bersama semasa gerakan terma - ini adalah kekonduksian terma. Jika kawasan tertentu bahan itu dipanaskan, iaitu, sejumlah haba tertentu diberikan kepadanya, tenaga dalaman selepas beberapa ketika, melalui perlanggaran atom atau molekul, akan diedarkan di antara semua zarah secara purata secara seragam.
Adalah jelas bahawa kekonduksian terma sangat bergantung pada kekerapan perlanggaran, dan seterusnya, pada jarak purata antara zarah. Oleh itu, gas, terutamanya gas ideal, dicirikan oleh kekonduksian terma yang sangat rendah, dan sifat ini sering digunakan untuk penebat haba.
Daripada gas sebenar, kekonduksian terma adalah lebih tinggi bagi mereka yang molekulnya paling ringan dan pada masa yang sama poliatomik. Hidrogen molekul memenuhi keadaan ini pada tahap yang paling besar, dan radon, sebagai gas monatomik terberat, pada tahap yang paling sedikit. Semakin jarang gas, semakin buruk konduktor habanya.
Secara umumnya, pemindahan tenaga melalui pengaliran terma untuk gas ideal adalah proses yang sangat tidak cekap.
Perolakan
Lebih cekap bagi gas ialah jenis pemindahan haba ini, seperti perolakan, di mana tenaga dalaman diagihkan melalui aliran jirim yang beredar dalam medan graviti. Aliran ke atas gas panas terbentuk disebabkan oleh daya Archimedean, kerana ia kurang tumpat akibat pengembangan haba. Gas panas yang bergerak ke atas sentiasa digantikan dengan gas yang lebih sejuk - peredaran aliran gas ditubuhkan. Oleh itu, untuk memastikan cekap, iaitu, pemanasan terpantas melalui perolakan, tangki gas perlu dipanaskan dari bawah - sama seperti cerek dengan air.
Sekiranya perlu mengambil sedikit haba daripada gas, maka adalah lebih cekap untuk meletakkan peti sejuk di bahagian atas, kerana gas yang memberi tenaga kepada peti sejuk akan bergegas turun di bawah pengaruh graviti.
Contoh perolakan dalam gas ialah pemanasan udara dalaman menggunakan sistem pemanas (ia diletakkan di dalam bilik serendah mungkin) atau penyejukan menggunakan penghawa dingin, dan dalam keadaan semula jadi, fenomena perolakan haba menyebabkan pergerakan jisim udara dan menjejaskan cuaca dan iklim.
Dengan ketiadaan graviti (dengan tanpa berat dalam kapal angkasa), perolakan, iaitu, peredaran arus udara, tidak ditetapkan. Jadi tidak masuk akal untuk menyalakan penunu gas atau mancis di atas kapal angkasa: produk pembakaran panas tidak akan dilepaskan ke atas, dan oksigen akan dibekalkan ke sumber api, dan nyalaan akan padam.
Pemindahan berseri
Bahan juga boleh menjadi panas di bawah tindakan sinaran haba, apabila atom dan molekul memperoleh tenaga dengan menyerap kuanta elektromagnet - foton. Pada frekuensi foton rendah, proses ini tidak begitu cekap. Ingat bahawa apabila kita membuka ketuhar gelombang mikro, kita mendapati makanan panas di dalamnya, tetapi bukan udara panas. Dengan peningkatan dalam kekerapan sinaran, kesan pemanasan sinaran meningkat, sebagai contoh, di atmosfera atas Bumi, gas yang sangat jarang dipanaskan secara intensif danterion oleh ultraungu suria.
Gas yang berbeza menyerap sinaran haba ke tahap yang berbeza-beza. Jadi, air, metana, karbon dioksida menyerapnya dengan kuat. Fenomena kesan rumah hijau adalah berdasarkan harta ini.
Hukum pertama termodinamik
Secara amnya, perubahan tenaga dalaman melalui pemanasan gas (pemindahan haba) juga berpunca daripada melakukan kerja sama ada pada molekul gas atau ke atasnya melalui daya luaran (yang dilambangkan dengan cara yang sama, tetapi sebaliknya. tanda). Apakah kerja yang dilakukan dengan cara peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain? Undang-undang pemuliharaan tenaga akan membantu kita menjawab soalan ini, lebih tepat lagi, pembekritannya berhubung dengan kelakuan sistem termodinamik - undang-undang pertama termodinamik.
Undang-undang, atau prinsip universal pemuliharaan tenaga, dalam bentuk yang paling umum mengatakan bahawa tenaga tidak dilahirkan dari ketiadaan dan tidak hilang tanpa jejak, tetapi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Berhubung dengan sistem termodinamik, ini harus difahami dengan cara yang kerja yang dilakukan oleh sistem dinyatakan dari segi perbezaan antara jumlah haba yang diberikan kepada sistem (gas ideal) dan perubahan tenaga dalamannya. Dalam erti kata lain, jumlah haba yang disampaikan kepada gas dibelanjakan untuk perubahan ini dan untuk pengendalian sistem.
Ini ditulis dalam bentuk formula dengan lebih mudah: dA=dQ – dU, dan sewajarnya, dQ=dU + dA.
Kita sudah tahu bahawa kuantiti ini tidak bergantung pada cara peralihan antara negeri dibuat. Kelajuan peralihan ini dan, akibatnya, kecekapan bergantung pada kaedah.
Bagi yang keduapermulaan termodinamik, kemudian ia menetapkan arah perubahan: haba tidak boleh dipindahkan daripada gas yang lebih sejuk (dan oleh itu kurang bertenaga) kepada yang lebih panas tanpa input tenaga tambahan dari luar. Undang-undang kedua juga menunjukkan bahawa sebahagian daripada tenaga yang dibelanjakan oleh sistem untuk melakukan kerja tidak dapat dielakkan hilang, hilang (tidak hilang, tetapi bertukar menjadi bentuk yang tidak boleh digunakan).
Proses termodinamik
Peralihan antara keadaan tenaga gas ideal boleh mempunyai corak perubahan yang berbeza dalam satu atau satu lagi parameternya. Tenaga dalaman dalam proses peralihan pelbagai jenis juga akan berkelakuan berbeza. Mari kita pertimbangkan secara ringkas beberapa jenis proses sedemikian.
- Proses isochorik berjalan tanpa perubahan isipadu, oleh itu, gas tidak berfungsi. Tenaga dalaman gas berubah sebagai fungsi perbezaan antara suhu akhir dan awal.
- Proses isobarik berlaku pada tekanan malar. Gas berfungsi dan tenaga habanya dikira dengan cara yang sama seperti dalam kes sebelumnya.
- Proses isoterma dicirikan oleh suhu malar, dan, oleh itu, tenaga haba tidak berubah. Jumlah haba yang diterima oleh gas dibelanjakan sepenuhnya untuk melakukan kerja.
- Adiabatik, atau proses adiabatik berlaku dalam gas tanpa pemindahan haba, dalam tangki berpenebat haba. Kerja dilakukan hanya dengan mengorbankan tenaga haba: dA=- dU. Dengan pemampatan adiabatik, tenaga haba meningkat, dengan pengembangan, masing-masingberkurangan.
Pelbagai isoproses mendasari fungsi enjin terma. Oleh itu, proses isochorik berlaku dalam enjin petrol pada kedudukan melampau omboh dalam silinder, dan lejang kedua dan ketiga enjin adalah contoh proses adiabatik. Apabila mendapatkan gas cecair, pengembangan adiabatik memainkan peranan penting - terima kasih kepadanya, pemeluwapan gas menjadi mungkin. Isoproses dalam gas, dalam kajian yang mana seseorang tidak boleh melakukannya tanpa konsep tenaga dalaman gas ideal, adalah ciri-ciri banyak fenomena semula jadi dan digunakan dalam pelbagai cabang teknologi.
