Është e përshtatshme të merret në konsideratë një fenomen fizik i caktuar ose një klasë fenomenesh duke përdorur modele të shkallëve të ndryshme të përafrimit. Për shembull, kur përshkruhet sjellja e një gazi, përdoret një model fizik - një gaz ideal.
Çdo model ka kufij zbatueshmërie, përtej të cilave duhet të rafinohet ose të aplikohen opsione më komplekse. Këtu kemi parasysh një rast të thjeshtë të përshkrimit të energjisë së brendshme të një sistemi fizik bazuar në vetitë më thelbësore të gazeve brenda kufijve të caktuar.
Gaz ideal
Ky model fizik, për lehtësinë e përshkrimit të disa proceseve themelore, thjeshton një gaz të vërtetë si më poshtë:
- Neglizhon madhësinë e molekulave të gazit. Kjo do të thotë se ka dukuri për të cilat ky parametër nuk është thelbësor për një përshkrim adekuat.
- Neglizhon ndërveprimet ndërmolekulare, domethënë pranon që në proceset me interes për të ato shfaqen në intervale kohore të papërfillshme dhe nuk ndikojnë në gjendjen e sistemit. Në këtë rast, ndërveprimet janë në natyrën e një ndikimi absolutisht elastik, në të cilin nuk ka humbje energjie nëdeformim.
- Neglizhon ndërveprimin e molekulave me muret e rezervuarit.
- Supozojmë se sistemi "rezervuar i gazit" karakterizohet nga ekuilibri termodinamik.
Ky model është i përshtatshëm për të përshkruar gazet reale nëse presionet dhe temperaturat janë relativisht të ulëta.
Gjendja energjetike e një sistemi fizik
Çdo sistem fizik makroskopik (trup, gaz ose lëng në një enë) ka, përveç kinetikës dhe potencialit të tij, edhe një lloj tjetër energjie - të brendshme. Kjo vlerë fitohet duke përmbledhur energjitë e të gjitha nënsistemeve që përbëjnë sistemin fizik - molekulat.
Çdo molekulë në një gaz ka gjithashtu potencialin dhe energjinë e saj kinetike. Kjo e fundit është për shkak të lëvizjes termike të vazhdueshme kaotike të molekulave. Ndërveprimet e ndryshme ndërmjet tyre (tërheqja elektrike, zmbrapsja) përcaktohen nga energjia potenciale.
Duhet të mbahet mend se nëse gjendja energjetike e ndonjë pjese të sistemit fizik nuk ka ndonjë efekt në gjendjen makroskopike të sistemit, atëherë nuk merret parasysh. Për shembull, në kushte normale, energjia bërthamore nuk manifestohet në ndryshimet në gjendjen e një objekti fizik, kështu që nuk ka nevojë të merret parasysh. Por në temperatura dhe presione të larta, kjo tashmë është e nevojshme.
Kështu, energjia e brendshme e trupit pasqyron natyrën e lëvizjes dhe ndërveprimin e grimcave të tij. Kjo do të thotë se termi është sinonim me termin e përdorur zakonisht "energji termike".
Gaz ideal monatomik
Gazet monatomike, domethënë ato atomet e të cilëve nuk kombinohen në molekula, ekzistojnë në natyrë - këto janë gaze inerte. Gaze të tilla si oksigjeni, azoti ose hidrogjeni mund të ekzistojnë në një gjendje të tillë vetëm në kushtet kur energjia shpenzohet nga jashtë për të rinovuar vazhdimisht këtë gjendje, pasi atomet e tyre janë kimikisht aktivë dhe priren të kombinohen në një molekulë.
Le të shqyrtojmë gjendjen energjetike të një gazi ideal monatomik të vendosur në një enë me një vëllim të caktuar. Ky është rasti më i thjeshtë. Kujtojmë se bashkëveprimi elektromagnetik i atomeve ndërmjet tyre dhe me muret e enës, dhe, rrjedhimisht, energjia e tyre potenciale është e papërfillshme. Pra, energjia e brendshme e një gazi përfshin vetëm shumën e energjive kinetike të atomeve të tij.
Mund të llogaritet duke shumëzuar energjinë mesatare kinetike të atomeve në një gaz me numrin e tyre. Energjia mesatare është E=3/2 x R / NA x T, ku R është konstanta universale e gazit, NA është numri i Avogadros, T është temperatura absolute e gazit. Numri i atomeve llogaritet duke shumëzuar sasinë e materies me konstanten Avogadro. Energjia e brendshme e një gazi monatomik do të jetë e barabartë me U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Këtu m është masa dhe M është masa molare e gazit.
Supozojmë se përbërja kimike e gazit dhe masa e tij mbeten gjithmonë të njëjta. Në këtë rast, siç shihet nga formula që kemi marrë, energjia e brendshme varet vetëm nga temperatura e gazit. Për gazin e vërtetë, do të jetë e nevojshme të merret parasysh, përveçtemperatura, ndryshimi në vëllim pasi ndikon në energjinë potenciale të atomeve.
gazet molekulare
Në formulën e mësipërme, numri 3 karakterizon numrin e shkallëve të lirisë së lëvizjes së një grimce monatomike - përcaktohet nga numri i koordinatave në hapësirë: x, y, z. Për gjendjen e një gazi monatomik, nuk ka fare rëndësi nëse atomet e tij rrotullohen.
Molekulat janë sferikisht asimetrike, prandaj, gjatë përcaktimit të gjendjes energjetike të gazeve molekulare, është e nevojshme të merret parasysh energjia kinetike e rrotullimit të tyre. Molekulat diatomike, përveç shkallëve të listuara të lirisë që lidhen me lëvizjen përkthimore, kanë dy të tjera të lidhura me rrotullimin rreth dy boshteve pingul reciprokisht; molekulat poliatomike kanë tre akse të tilla të pavarura rrotullimi. Për rrjedhojë, grimcat e gazeve diatomike karakterizohen nga numri i shkallëve të lirisë f=5, ndërsa molekulat poliatomike kanë f=6.
Për shkak të rastësisë së natyrshme në lëvizjen termike, të gjitha drejtimet e lëvizjes rrotulluese dhe përkthimore janë absolutisht po aq të mundshme. Energjia mesatare kinetike e kontribuar nga çdo lloj lëvizjeje është e njëjtë. Prandaj, ne mund të zëvendësojmë vlerën e f në formulën, e cila na lejon të llogarisim energjinë e brendshme të një gazi ideal të çdo përbërje molekulare: U=f / 2 x m / M x RT.
Sigurisht, nga formula e shohim se kjo vlerë varet nga sasia e substancës, domethënë nga sa dhe çfarë lloj gazi kemi marrë, si dhe nga struktura e molekulave të këtij gazi. Megjithatë, meqenëse kemi rënë dakord të mos ndryshojmë masën dhe përbërjen kimike, atëherë merrni parasyshna duhet vetëm temperatura.
Tani le të shohim se si vlera e U është e lidhur me karakteristikat e tjera të gazit - vëllimi, si dhe presioni.
Energjia e brendshme dhe gjendja termodinamike
Temperatura, siç e dini, është një nga parametrat e gjendjes termodinamike të sistemit (në këtë rast, gazi). Në një gaz ideal, ai lidhet me presionin dhe vëllimin nga relacioni PV=m / M x RT (i ashtuquajturi ekuacion Clapeyron-Mendeleev). Temperatura përcakton energjinë e nxehtësisë. Pra, kjo e fundit mund të shprehet në terma të një grupi parametrash të tjerë të gjendjes. Është indiferent ndaj gjendjes së mëparshme, si dhe ndaj mënyrës se si është ndryshuar.
Le të shohim se si ndryshon energjia e brendshme kur sistemi kalon nga një gjendje termodinamike në tjetrën. Ndryshimi i tij në çdo tranzicion të tillë përcaktohet nga ndryshimi midis vlerave fillestare dhe përfundimtare. Nëse sistemi kthehet në gjendjen e tij origjinale pas një gjendjeje të ndërmjetme, atëherë ky ndryshim do të jetë i barabartë me zero.
Supozoni se kemi ngrohur gazin në rezervuar (d.m.th., i kemi sjellë energji shtesë). Gjendja termodinamike e gazit ka ndryshuar: temperatura dhe presioni i tij janë rritur. Ky proces shkon pa ndryshuar volumin. Energjia e brendshme e gazit tonë është rritur. Pas kësaj, gazi ynë hoqi dorë nga energjia e furnizuar, duke u ftohur në gjendjen e tij origjinale. Një faktor i tillë si, për shembull, shpejtësia e këtyre proceseve, nuk do të ketë rëndësi. Ndryshimi që rezulton në energjinë e brendshme të gazit në çdo shkallë të ngrohjes dhe ftohjes është zero.
Pika e rëndësishme është se e njëjta vlerë e energjisë termike mund t'i korrespondojë jo një, por disa gjendjeve termodinamike.
Natyra e ndryshimit të energjisë termike
Për të ndryshuar energjinë duhet bërë punë. Puna mund të bëhet nga vetë gazi ose nga një forcë e jashtme.
Në rastin e parë, shpenzimi i energjisë për kryerjen e punës është për shkak të energjisë së brendshme të gazit. Për shembull, ne kishim gaz të ngjeshur në një rezervuar me një piston. Nëse pistoni lëshohet, gazi në zgjerim do të fillojë ta ngrejë atë, duke bërë punë (që të jetë i dobishëm, lëreni pistonin të ngrejë një lloj ngarkese). Energjia e brendshme e gazit do të ulet me sasinë e shpenzuar për punën kundër forcave të gravitetit dhe fërkimit: U2=U1 - A. Në këtë Në rast, puna e gazit është pozitive sepse drejtimi i forcës së aplikuar në piston është i njëjtë me drejtimin e lëvizjes së pistonit.
Le të fillojmë të ulim pistonin, të bëjmë punë kundër forcës së presionit të gazit dhe përsëri kundër forcave të fërkimit. Kështu, ne do të informojmë gazin për një sasi të caktuar energjie. Këtu, puna e forcave të jashtme tashmë konsiderohet pozitive.
Përveç punës mekanike, ekziston edhe një mënyrë e tillë për të marrë energji nga gazi ose për t'i dhënë energji, siç është transferimi i nxehtësisë (transferimi i nxehtësisë). Ne e kemi takuar tashmë atë në shembullin e ngrohjes së një gazi. Energjia e transferuar në gaz gjatë proceseve të transferimit të nxehtësisë quhet sasia e nxehtësisë. Ekzistojnë tre lloje të transferimit të nxehtësisë: përcjellja, konvekcioni dhe transferimi rrezatues. Le t'i shohim më nga afër.
Përçueshmëri termike
Aftësia e një substance për të shkëmbyer nxehtësi,kryhet nga grimcat e tij duke transferuar energji kinetike tek njëri-tjetri gjatë përplasjeve të ndërsjella gjatë lëvizjes termike - kjo është përçueshmëri termike. Nëse një zonë e caktuar e substancës nxehet, domethënë i jepet një sasi e caktuar nxehtësie, energjia e brendshme pas një kohe, përmes përplasjeve të atomeve ose molekulave, do të shpërndahet midis të gjitha grimcave mesatarisht në mënyrë uniforme.
Është e qartë se përçueshmëria termike varet fuqishëm nga frekuenca e përplasjeve, dhe kjo, nga ana tjetër, nga distanca mesatare midis grimcave. Prandaj, një gaz, veçanërisht një gaz ideal, karakterizohet nga një përçueshmëri termike shumë e ulët dhe kjo veti përdoret shpesh për izolim termik.
Nga gazrat realë, përçueshmëria termike është më e lartë për ata molekulat e të cilëve janë më të lehta dhe në të njëjtën kohë poliatomike. Hidrogjeni molekular e plotëson këtë kusht në masën më të madhe dhe radoni, si gazi më i rëndë monoatomik, në masën më të vogël. Sa më i rrallë të jetë gazi, aq më i keq është përcjellësi i nxehtësisë.
Në përgjithësi, transferimi i energjisë nëpërmjet përcjelljes termike për një gaz ideal është një proces shumë joefikas.
Konveksion
Shumë më efikas për një gaz është ky lloj transferimi i nxehtësisë, siç është konvekcioni, në të cilin energjia e brendshme shpërndahet përmes rrjedhës së materies që qarkullon në fushën gravitacionale. Rrjedha lart e gazit të nxehtë formohet për shkak të forcës së Arkimedit, pasi është më pak e dendur për shkak të zgjerimit termik. Gazi i nxehtë që lëviz lart zëvendësohet vazhdimisht nga gazi më i ftohtë - vendoset qarkullimi i rrjedhave të gazit. Prandaj, për të siguruar ngrohjen efikase, domethënë ngrohjen më të shpejtë përmes konvekcionit, është e nevojshme të ngrohni rezervuarin e gazit nga poshtë - njësoj si një kazan me ujë.
Nëse është e nevojshme të hiqni një sasi nxehtësie nga gazi, atëherë është më efikase të vendosni frigoriferin në krye, pasi gazi që i dha energji frigoriferit do të vërshojë poshtë nën ndikimin e gravitetit..
Një shembull i konvekcionit në gaz është ngrohja e ajrit të brendshëm duke përdorur sisteme ngrohjeje (ato vendosen në dhomë sa më ulët të jetë e mundur) ose ftohja duke përdorur një kondicioner dhe në kushte natyrore fenomeni i konvekcionit termik shkakton lëvizja e masave ajrore dhe ndikon në motin dhe klimën.
Në mungesë të gravitetit (me mungesë peshe në një anije kozmike), konvekcioni, domethënë qarkullimi i rrymave të ajrit, nuk është vendosur. Pra, nuk ka kuptim të ndizni djegëset e gazit ose shkrepset në bordin e anijes kozmike: produktet e djegies së nxehtë nuk do të shkarkohen lart, dhe oksigjeni do të furnizohet në burimin e zjarrit dhe flaka do të shuhet.
Transfertë rrezatuese
Një substancë gjithashtu mund të nxehet nën veprimin e rrezatimit termik, kur atomet dhe molekulat marrin energji duke thithur kuantet elektromagnetike - fotone. Në frekuencat e ulëta të fotoneve, ky proces nuk është shumë efikas. Kujtojmë që kur hapim një furrë me mikrovalë, gjejmë ushqim të nxehtë brenda, por jo ajër të nxehtë. Me një rritje të frekuencës së rrezatimit, efekti i ngrohjes së rrezatimit rritet, për shembull, në atmosferën e sipërme të Tokës, një gaz shumë i rrallë nxehet intensivisht dhejonizuar nga rrezet ultravjollcë diellore.
Gaze të ndryshëm thithin rrezatimin termik në shkallë të ndryshme. Pra, uji, metani, dioksidi i karbonit e thithin atë mjaft fuqishëm. Fenomeni i efektit serrë bazohet në këtë veti.
Ligji i parë i termodinamikës
Në përgjithësi, ndryshimi në energjinë e brendshme nëpërmjet ngrohjes së gazit (transferimi i nxehtësisë) vjen gjithashtu në kryerjen e punës ose në molekulat e gazit ose mbi to nëpërmjet një force të jashtme (e cila shënohet në të njëjtën mënyrë, por me të kundërtën shenjë). Çfarë pune bëhet në këtë mënyrë kalimi nga një gjendje në tjetrën? Ligji i ruajtjes së energjisë do të na ndihmojë t'i përgjigjemi kësaj pyetjeje, më saktë, konkretizimi i tij në lidhje me sjelljen e sistemeve termodinamike - ligji i parë i termodinamikës.
Ligji, ose parimi universal i ruajtjes së energjisë, në formën e tij më të përgjithësuar thotë se energjia nuk lind nga asgjëja dhe nuk zhduket pa lënë gjurmë, por kalon vetëm nga një formë në tjetrën. Në lidhje me një sistem termodinamik, kjo duhet kuptuar në atë mënyrë që puna e bërë nga sistemi të shprehet në termat e diferencës midis sasisë së nxehtësisë që i jepet sistemit (gazit ideal) dhe ndryshimit të energjisë së brendshme të tij. Me fjalë të tjera, sasia e nxehtësisë që i komunikohet gazit shpenzohet në këtë ndryshim dhe në funksionimin e sistemit.
Kjo shkruhet në formën e formulave shumë më lehtë: dA=dQ – dU, dhe në përputhje me rrethanat, dQ=dU + dA.
Ne e dimë tashmë se këto sasi nuk varen nga mënyra se si bëhet kalimi ndërmjet gjendjeve. Shpejtësia e këtij tranzicioni dhe, si rezultat, efikasiteti varet nga metoda.
Sa për të dytënfillimi i termodinamikës, atëherë ai cakton drejtimin e ndryshimit: nxehtësia nuk mund të transferohet nga një gaz më i ftohtë (dhe për rrjedhojë më pak energjik) në një gaz më të nxehtë pa hyrje shtesë të energjisë nga jashtë. Ligji i dytë tregon gjithashtu se një pjesë e energjisë së shpenzuar nga sistemi për të kryer punën në mënyrë të pashmangshme shpërndahet, humbet (nuk zhduket, por kthehet në një formë të papërdorshme).
Proceset termodinamike
Tranzicionet midis gjendjeve energjetike të një gazi ideal mund të kenë modele të ndryshme ndryshimi në një ose një tjetër prej parametrave të tij. Energjia e brendshme në proceset e tranzicionit të llojeve të ndryshme gjithashtu do të sillet ndryshe. Le të shqyrtojmë shkurtimisht disa lloje të proceseve të tilla.
- Procesi izokorik vazhdon pa ndryshim në vëllim, prandaj gazi nuk funksionon. Energjia e brendshme e gazit ndryshon si funksion i diferencës ndërmjet temperaturës përfundimtare dhe fillestare.
- Procesi izobarik ndodh me presion konstant. Gazi funksionon dhe energjia e tij termike llogaritet në të njëjtën mënyrë si në rastin e mëparshëm.
- Procesi izotermik karakterizohet nga një temperaturë konstante dhe, për rrjedhojë, energjia termike nuk ndryshon. Sasia e nxehtësisë së marrë nga gazi shpenzohet tërësisht për kryerjen e punës.
- Procesi adiabatik ose adiabatik zhvillohet në një gaz pa transferim nxehtësie, në një rezervuar të izoluar termikisht. Puna kryhet vetëm në kurriz të energjisë termike: dA=- dU. Me ngjeshjen adiabatike, energjia termike rritet, përkatësisht me zgjerimnë rënie.
Izoprocese të ndryshme qëndrojnë në themel të funksionimit të motorëve termikë. Kështu, procesi izokorik zhvillohet në një motor benzine në pozicionet ekstreme të pistonit në cilindër, dhe goditjet e dyta dhe të treta të motorit janë shembuj të një procesi adiabatik. Kur merrni gazra të lëngshëm, zgjerimi adiabatik luan një rol të rëndësishëm - falë tij, kondensimi i gazit bëhet i mundur. Izoproceset në gaze, në studimin e të cilave nuk mund të bëhet pa konceptin e energjisë së brendshme të një gazi ideal, janë karakteristikë për shumë fenomene natyrore dhe përdoren në degë të ndryshme të teknologjisë.
