Ir ērti aplūkot noteiktu fizisku parādību vai parādību klasi, izmantojot dažādas tuvināšanas pakāpes modeļus. Piemēram, aprakstot gāzes uzvedību, tiek izmantots fiziskais modelis - ideāla gāze.
Jebkuram modelim ir piemērojamības robežas, pēc kurām tas ir jāpilnveido vai jāpiemēro sarežģītākas iespējas. Šeit mēs aplūkojam vienkāršu fiziskas sistēmas iekšējās enerģijas aprakstu, pamatojoties uz gāzu svarīgākajām īpašībām noteiktās robežās.
Ideāla gāze
Šis fiziskais modelis dažu pamatprocesu apraksta ērtībai vienkāršo īstu gāzi šādi:
- Neņem vērā gāzes molekulu izmēru. Tas nozīmē, ka ir parādības, kurām šis parametrs nav būtisks atbilstošam aprakstam.
- Neņem vērā starpmolekulāro mijiedarbību, tas ir, pieņem, ka to interesējošos procesos tās parādās niecīgos laika intervālos un neietekmē sistēmas stāvokli. Šajā gadījumā mijiedarbība ir absolūti elastīga trieciena raksturs, kurā nav enerģijas zudumudeformācija.
- Neņem vērā molekulu mijiedarbību ar tvertnes sienām.
- Pieņemsim, ka "gāzes rezervuāra" sistēmu raksturo termodinamiskais līdzsvars.
Šis modelis ir piemērots īstu gāzu aprakstīšanai, ja spiediens un temperatūra ir salīdzinoši zema.
Fiziskās sistēmas enerģētiskais stāvoklis
Jebkurai makroskopiskai fiziskai sistēmai (ķermenis, gāze vai šķidrums traukā) papildus savai kinētikai un potenciālam ir vēl viens enerģijas veids – iekšējā. Šo vērtību iegūst, summējot visu fizisko sistēmu veidojošo apakšsistēmu – molekulu – enerģijas.
Katrai gāzes molekulai ir arī savs potenciāls un kinētiskā enerģija. Pēdējais ir saistīts ar nepārtrauktu haotisku molekulu termisko kustību. Dažādās mijiedarbības starp tām (elektriskā pievilkšanās, atgrūšanās) nosaka potenciālā enerģija.
Jāatceras, ja kādu fiziskās sistēmas daļu enerģētiskais stāvoklis nekādi neietekmē sistēmas makroskopisko stāvokli, tad tas netiek ņemts vērā. Piemēram, normālos apstākļos kodolenerģija neizpaužas fiziska objekta stāvokļa izmaiņās, tāpēc ar to nav jārēķinās. Bet augstā temperatūrā un spiedienā tas jau ir nepieciešams.
Tādējādi ķermeņa iekšējā enerģija atspoguļo tā daļiņu kustības un mijiedarbības raksturu. Tas nozīmē, ka šis termins ir sinonīms bieži lietotajam terminam "siltuma enerģija".
Monatomiskā ideālā gāze
Monatomiskas gāzes, tas ir, tās, kuru atomi nav apvienoti molekulās, pastāv dabā - tās ir inertas gāzes. Gāzes, piemēram, skābeklis, slāpeklis vai ūdeņradis, var pastāvēt šādā stāvoklī tikai apstākļos, kad enerģija tiek tērēta no ārpuses, lai pastāvīgi atjaunotu šo stāvokli, jo to atomi ir ķīmiski aktīvi un mēdz apvienoties molekulā.
Apskatīsim monatomiskas ideālās gāzes enerģētisko stāvokli, kas ievietota noteikta tilpuma traukā. Šis ir vienkāršākais gadījums. Mēs atceramies, ka atomu elektromagnētiskā mijiedarbība savā starpā un ar trauka sienām, un līdz ar to arī to potenciālā enerģija ir niecīga. Tātad gāzes iekšējā enerģija ietver tikai tās atomu kinētisko enerģiju summu.
To var aprēķināt, reizinot gāzē esošo atomu vidējo kinētisko enerģiju ar to skaitu. Vidējā enerģija ir E=3/2 x R / NA x T, kur R ir universālā gāzes konstante, NA ir Avogadro skaitlis, T ir absolūtā gāzes temperatūra. Atomu skaitu aprēķina, vielas daudzumu reizinot ar Avogadro konstanti. Monatomiskās gāzes iekšējā enerģija būs vienāda ar U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m/M x RT. Šeit m ir gāzes masa un M ir gāzes molārā masa.
Pieņemsim, ka gāzes ķīmiskais sastāvs un tās masa vienmēr paliek nemainīgi. Šajā gadījumā, kā redzams no iegūtās formulas, iekšējā enerģija ir atkarīga tikai no gāzes temperatūras. Reālai gāzei papildus būs jāņem vērātemperatūra, tilpuma izmaiņas, jo tas ietekmē atomu potenciālo enerģiju.
Molekulārās gāzes
Iepriekšminētajā formulā skaitlis 3 raksturo monatomiskas daļiņas kustības brīvības pakāpju skaitu - to nosaka koordinātu skaits telpā: x, y, z. Monatomiskas gāzes stāvoklim nav nozīmes tam, vai tās atomi griežas.
Molekulas ir sfēriski asimetriskas, tādēļ, nosakot molekulāro gāzu enerģētisko stāvokli, jāņem vērā to rotācijas kinētisko enerģiju. Divatomu molekulām papildus uzskaitītajām brīvības pakāpēm, kas saistītas ar translācijas kustību, ir vēl divas, kas saistītas ar rotāciju ap divām savstarpēji perpendikulārām asīm; poliatomiskām molekulām ir trīs šādas neatkarīgas rotācijas asis. Līdz ar to divatomisko gāzu daļiņas raksturo brīvības pakāpju skaits f=5, savukārt daudzatomu molekulām f=6.
Termiskajai kustībai raksturīgās nejaušības dēļ visi rotācijas un translācijas kustības virzieni ir absolūti vienādi iespējami. Katra kustības veida vidējā kinētiskā enerģija ir vienāda. Tāpēc mēs varam aizstāt f vērtību formulā, kas ļauj aprēķināt jebkura molekulārā sastāva ideālas gāzes iekšējo enerģiju: U=f / 2 x m / M x RT.
Protams, no formulas redzam, ka šī vērtība ir atkarīga no vielas daudzuma, tas ir, no tā, cik daudz un kādu gāzi paņēmām, kā arī no šīs gāzes molekulu struktūras. Taču, tā kā vienojāmies nemainīt masu un ķīmisko sastāvu, tad ņem vērāmums vajag tikai temperatūru.
Tagad apskatīsim, kā U vērtība ir saistīta ar citām gāzes īpašībām – tilpumu, kā arī spiedienu.
Iekšējā enerģija un termodinamiskais stāvoklis
Temperatūra, kā zināms, ir viens no sistēmas (šajā gadījumā gāzes) termodinamiskā stāvokļa parametriem. Ideālā gāzē tas ir saistīts ar spiedienu un tilpumu ar attiecību PV=m / M x RT (tā sauktais Klapeirona-Mendeļejeva vienādojums). Temperatūra nosaka siltumenerģiju. Tātad pēdējo var izteikt kā citu stāvokļa parametru kopu. Tam ir vienaldzīgs iepriekšējais stāvoklis, kā arī veids, kā tas tika mainīts.
Redzēsim, kā mainās iekšējā enerģija, sistēmai pārejot no viena termodinamiskā stāvokļa citā. Tās izmaiņas jebkurā šādā pārejā nosaka sākotnējās un galīgās vērtības atšķirība. Ja sistēma atgriezās sākotnējā stāvoklī pēc kāda starpstāvokļa, šī atšķirība būs vienāda ar nulli.
Pieņemsim, ka esam uzsildījuši gāzi tvertnē (tas ir, esam ienesuši tai papildu enerģiju). Gāzes termodinamiskais stāvoklis ir mainījies: ir palielinājusies tās temperatūra un spiediens. Šis process notiek, nemainot skaļumu. Mūsu gāzes iekšējā enerģija ir palielinājusies. Pēc tam mūsu gāze atteicās no piegādātās enerģijas, atdziestot līdz sākotnējam stāvoklim. Tāds faktors kā, piemēram, šo procesu ātrums, nebūs svarīgs. Rezultātā gāzes iekšējās enerģijas izmaiņas jebkurā apkures un dzesēšanas ātrumā ir nulle.
Svarīgi ir tas, ka viena un tā pati siltumenerģijas vērtība var atbilst nevis vienam, bet vairākiem termodinamiskajiem stāvokļiem.
Siltumenerģijas izmaiņu raksturs
Lai mainītu enerģiju, ir jādara darbs. Darbu var veikt pati gāze vai ārējs spēks.
Pirmajā gadījumā enerģijas patēriņš darba veikšanai ir saistīts ar gāzes iekšējo enerģiju. Piemēram, mums bija saspiesta gāze tvertnē ar virzuli. Ja virzulis tiek atbrīvots, izplešanās gāze sāks to celt, veicot darbu (lai tas būtu noderīgi, ļaujiet virzulim pacelt kādu slodzi). Gāzes iekšējā enerģija samazināsies par summu, kas iztērēta darbam pret gravitācijas un berzes spēkiem: U2=U1 – A. gadījumā gāzes darbs ir pozitīvs, jo virzulim pieliktā spēka virziens ir tāds pats kā virzuļa kustības virziens.
Sāksim nolaist virzuli, veicot darbu pret gāzes spiediena spēku un atkal pret berzes spēkiem. Tādējādi mēs informēsim gāzi par noteiktu enerģijas daudzumu. Šeit ārējo spēku darbs jau tiek uzskatīts par pozitīvu.
Papildus mehāniskajam darbam ir arī tāds veids, kā ņemt enerģiju no gāzes vai dot tai enerģiju, piemēram, siltuma pārnese (siltuma pārnese). Mēs jau esam viņu satikuši gāzes sildīšanas piemērā. Siltuma pārneses procesu laikā gāzei nodoto enerģiju sauc par siltuma daudzumu. Ir trīs siltuma pārneses veidi: vadīšana, konvekcija un starojuma pārnese. Apskatīsim tos tuvāk.
Siltumvadītspēja
Vielas spēja apmainīties ar siltumu,ko veic tās daļiņas, pārnesot kinētisko enerģiju viena otrai savstarpējo sadursmju laikā termiskās kustības laikā - tā ir siltumvadītspēja. Ja tiek uzkarsēts noteikts vielas laukums, tas ir, tai tiek nodots noteikts siltuma daudzums, iekšējā enerģija pēc kāda laika, atomu vai molekulu sadursmes ceļā, tiks sadalīta vidēji vienmērīgi starp visām daļiņām.
Ir skaidrs, ka siltumvadītspēja ir ļoti atkarīga no sadursmju biežuma un tas, savukārt, no vidējā attāluma starp daļiņām. Tāpēc gāzei, īpaši ideālajai gāzei, ir raksturīga ļoti zema siltumvadītspēja, un šo īpašību bieži izmanto siltumizolācijai.
No īstām gāzēm siltumvadītspēja ir augstāka tām, kuru molekulas ir vieglākās un tajā pašā laikā poliatomiskas. Šim nosacījumam vislielākajā mērā atbilst molekulārais ūdeņradis, bet vismazāk radons kā smagākā monatomiskā gāze. Jo retāka gāze, jo sliktāka tā ir siltuma vadītāja.
Kopumā enerģijas pārnešana caur siltumvadītspēju ideālai gāzei ir ļoti neefektīvs process.
Konvekcija
Daudz efektīvāka gāzei ir šāda veida siltuma pārnese, piemēram, konvekcija, kurā iekšējā enerģija tiek sadalīta caur vielas plūsmu, kas cirkulē gravitācijas laukā. Karstās gāzes plūsma uz augšu veidojas Arhimēda spēka ietekmē, jo tā ir mazāk blīva termiskās izplešanās dēļ. Karstā gāze, kas virzās uz augšu, pastāvīgi tiek aizstāta ar aukstāku gāzi - tiek izveidota gāzes plūsmu cirkulācija. Tāpēc, lai nodrošinātu efektīvu, tas ir, ātrāko apkuri caur konvekciju, ir nepieciešams sildīt gāzes tvertni no apakšas - gluži kā tējkannu ar ūdeni.
Ja nepieciešams gāzei atņemt kādu siltuma daudzumu, tad ledusskapi ir efektīvāk novietot augšā, jo gāze, kas devusi enerģiju ledusskapim, gravitācijas ietekmē gāzīsies lejup..
Konvekcijas piemērs gāzē ir iekštelpu gaisa sildīšana, izmantojot apkures sistēmas (tās ir novietotas telpā pēc iespējas zemāk) vai dzesēšana, izmantojot gaisa kondicionētāju, un dabiskos apstākļos termiskās konvekcijas parādība izraisa gaisa masu kustība un ietekmē laikapstākļus un klimatu.
Ja nav gravitācijas (ar bezsvara stāvokli kosmosa kuģī), konvekcija, tas ir, gaisa plūsmu cirkulācija, netiek noteikta. Tāpēc nav jēgas aizdedzināt gāzes degļus vai sērkociņus uz kosmosa kuģa: karstie sadegšanas produkti netiks izvadīti uz augšu, un skābeklis tiks piegādāts uguns avotam, un liesma izdzisīs.
Radiant transfer
Viela var uzkarst arī termiskā starojuma iedarbībā, kad atomi un molekulas iegūst enerģiju, absorbējot elektromagnētiskos kvantus – fotonus. Pie zemām fotonu frekvencēm šis process nav īpaši efektīvs. Atgādinām, ka atverot mikroviļņu krāsni, tajā atrodam karstu ēdienu, bet ne karstu gaisu. Palielinoties starojuma biežumam, pastiprinās radiācijas sildīšanas efekts, piemēram, Zemes augšējos atmosfēras slāņos intensīvi karsējas ļoti reta gāze unjonizē ar saules ultravioleto starojumu.
Dažādas gāzes absorbē termisko starojumu dažādās pakāpēs. Tātad ūdens, metāns, oglekļa dioksīds to absorbē diezgan spēcīgi. Siltumnīcas efekta fenomena pamatā ir šī īpašība.
Pirmais termodinamikas likums
Vispārīgi runājot, iekšējās enerģijas izmaiņas, ko izraisa gāzes apkure (siltuma padeve), arī izpaužas kā darbs pie gāzes molekulām vai uz tām, iedarbojoties ārējam spēkam (kas tiek apzīmēts tāpat, bet ar pretējo). zīme). Kāds darbs tiek veikts, pārejot no viena stāvokļa uz otru? Uz šo jautājumu mums palīdzēs atbildēt enerģijas nezūdamības likums, precīzāk, tā konkretizācija saistībā ar termodinamisko sistēmu uzvedību – pirmais termodinamikas likums.
Likums jeb universālais enerģijas nezūdamības princips visvispārīgākajā formā saka, ka enerģija nedzimst no nekā un nepazūd bez pēdām, bet tikai pāriet no vienas formas uz otru. Attiecībā uz termodinamisko sistēmu tas ir jāsaprot tā, lai sistēmas paveiktais darbs tiktu izteikts kā starpība starp sistēmai nodotā siltuma daudzumu (ideālā gāze) un tās iekšējās enerģijas izmaiņām. Citiem vārdiem sakot, gāzei nodotais siltuma daudzums tiek tērēts šīm izmaiņām un sistēmas darbībai.
Tas ir daudz vienkāršāk uzrakstīts formulu veidā: dA=dQ – dU un attiecīgi dQ=dU + dA.
Mēs jau zinām, ka šie daudzumi nav atkarīgi no veida, kādā notiek pāreja starp stāvokļiem. Šīs pārejas ātrums un līdz ar to arī efektivitāte ir atkarīga no metodes.
Kas attiecas uz otrotermodinamikas sākumu, tad tas nosaka izmaiņu virzienu: siltumu nevar pārnest no aukstākas (un līdz ar to mazāk enerģētiskas) gāzes uz karstāku bez papildu enerģijas ievades no ārpuses. Otrais likums arī norāda, ka daļa enerģijas, ko sistēma tērē darbu veikšanai, neizbēgami izkliedējas, tiek zaudēta (nepazūd, bet pārvēršas nederīgā formā).
Termodinamiskie procesi
Ideālās gāzes enerģijas stāvokļiem pārejām var būt dažādi viena vai otra parametra izmaiņu modeļi. Arī iekšējā enerģija dažāda veida pāreju procesos uzvedīsies atšķirīgi. Īsi apskatīsim vairākus šādu procesu veidus.
- Izohoriskais process norit bez tilpuma izmaiņām, tāpēc gāze nedarbojas. Gāzes iekšējā enerģija mainās atkarībā no starpības starp galīgo un sākotnējo temperatūru.
- Izobāriskais process notiek pie nemainīga spiediena. Gāze darbojas, un tās siltumenerģija tiek aprēķināta tāpat kā iepriekšējā gadījumā.
- Izotermiskajam procesam raksturīga nemainīga temperatūra, un līdz ar to siltumenerģija nemainās. Gāzes saņemtais siltuma daudzums pilnībā tiek iztērēts darba veikšanai.
- Adiabātiskais jeb adiabātiskais process notiek gāzē bez siltuma pārneses, termiski izolētā tvertnē. Darbs tiek veikts tikai uz siltumenerģijas rēķina: dA=- dU. Ar adiabātisko saspiešanu siltumenerģija attiecīgi palielinās, attiecīgi izplešotiessamazinās.
Termodzinēju darbības pamatā ir dažādi izoprocesi. Tādējādi izohoriskais process notiek benzīna dzinējā cilindra virzuļa galējās pozīcijās, un dzinēja otrais un trešais gājiens ir adiabātiskā procesa piemēri. Iegūstot sašķidrinātās gāzes, svarīga loma ir adiabātiskajai izplešanāsi - pateicoties tai, kļūst iespējama gāzes kondensācija. Izoprocesi gāzēs, kuru izpētē nevar iztikt bez ideālās gāzes iekšējās enerģijas jēdziena, ir raksturīgi daudzām dabas parādībām un tiek izmantoti dažādās tehnikas nozarēs.
