Maginhawang isaalang-alang ang isang partikular na pisikal na phenomenon o klase ng mga phenomena gamit ang mga modelo ng iba't ibang antas ng pagtatantya. Halimbawa, kapag inilalarawan ang pag-uugali ng isang gas, ginagamit ang isang pisikal na modelo - isang perpektong gas.
Anumang modelo ay may mga limitasyon sa pagiging angkop, kung saan kailangan itong pinuhin o mas kumplikadong mga opsyon na ilapat. Dito ay isinasaalang-alang namin ang isang simpleng kaso ng paglalarawan ng panloob na enerhiya ng isang pisikal na sistema batay sa mga pinakamahalagang katangian ng mga gas sa loob ng ilang partikular na limitasyon.
Ideal na gas
Ang pisikal na modelong ito, para sa kaginhawahan ng paglalarawan ng ilang pangunahing proseso, ay pinapasimple ang isang tunay na gas gaya ng sumusunod:
- Napapabayaan ang laki ng mga molekula ng gas. Nangangahulugan ito na may mga phenomena kung saan ang parameter na ito ay hindi mahalaga para sa isang sapat na paglalarawan.
- Napapabayaan ang mga intermolecular na pakikipag-ugnayan, ibig sabihin, tinatanggap nito na sa mga proseso ng interes dito ay lumilitaw ang mga ito sa mga hindi gaanong agwat ng oras at hindi nakakaapekto sa estado ng system. Sa kasong ito, ang mga pakikipag-ugnayan ay nasa likas na katangian ng isang ganap na nababanat na epekto, kung saan walang pagkawala ng enerhiya sapagpapapangit.
- Napapabayaan ang pakikipag-ugnayan ng mga molekula na may mga pader ng tangke.
- Ipagpalagay na ang sistema ng "gas-reservoir" ay nailalarawan sa pamamagitan ng thermodynamic equilibrium.
Ang modelong ito ay angkop para sa paglalarawan ng mga tunay na gas kung medyo mababa ang mga pressure at temperatura.
Kalagayan ng enerhiya ng isang pisikal na sistema
Anumang macroscopic na pisikal na sistema (katawan, gas o likido sa isang sisidlan) ay may, bilang karagdagan sa sarili nitong kinetic at potensyal, isa pang uri ng enerhiya - panloob. Nakukuha ang halagang ito sa pamamagitan ng pagbubuod ng mga enerhiya ng lahat ng mga subsystem na bumubuo sa pisikal na sistema - mga molekula.
Ang bawat molekula sa isang gas ay mayroon ding sariling potensyal at kinetic energy. Ang huli ay dahil sa patuloy na magulong thermal motion ng mga molekula. Ang iba't ibang interaksyon sa pagitan nila (electrical attraction, repulsion) ay tinutukoy ng potensyal na enerhiya.
Dapat tandaan na kung ang estado ng enerhiya ng anumang bahagi ng pisikal na sistema ay walang epekto sa macroscopic na estado ng system, hindi ito isinasaalang-alang. Halimbawa, sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang enerhiya ng nuklear ay hindi nagpapakita ng sarili sa mga pagbabago sa estado ng isang pisikal na bagay, kaya hindi ito kailangang isaalang-alang. Ngunit sa mataas na temperatura at pressure, kailangan na ito.
Kaya, ang panloob na enerhiya ng katawan ay sumasalamin sa kalikasan ng paggalaw at pakikipag-ugnayan ng mga particle nito. Nangangahulugan ito na ang termino ay kasingkahulugan ng karaniwang ginagamit na terminong "thermal energy".
Monatomic ideal gas
Monatomic gases, iyon ay, ang mga atomo na hindi pinagsama sa mga molekula, ay umiiral sa kalikasan - ito ay mga inert gas. Ang mga gas tulad ng oxygen, nitrogen o hydrogen ay maaaring umiral sa ganoong estado lamang sa ilalim ng mga kondisyon kapag ang enerhiya ay ginugugol mula sa labas upang patuloy na i-renew ang estadong ito, dahil ang kanilang mga atomo ay aktibo sa kemikal at malamang na magsama-sama sa isang molekula.
Isaalang-alang natin ang estado ng enerhiya ng isang monatomic ideal gas na inilagay sa isang sisidlan na may kaunting volume. Ito ang pinakasimpleng kaso. Naaalala namin na ang electromagnetic na pakikipag-ugnayan ng mga atomo sa pagitan ng kanilang sarili at sa mga dingding ng sisidlan, at, dahil dito, ang kanilang potensyal na enerhiya ay bale-wala. Kaya ang panloob na enerhiya ng isang gas ay kinabibilangan lamang ng kabuuan ng mga kinetic energies ng mga atom nito.
Maaari itong kalkulahin sa pamamagitan ng pag-multiply ng average na kinetic energy ng mga atom sa isang gas sa kanilang bilang. Ang average na enerhiya ay E=3/2 x R / NA x T, kung saan ang R ay ang universal gas constant, NA ay ang numero ni Avogadro, Ang T ay ganap na temperatura ng gas. Ang bilang ng mga atom ay kinakalkula sa pamamagitan ng pagpaparami ng dami ng bagay sa Avogadro constant. Ang panloob na enerhiya ng isang monatomic gas ay magiging katumbas ng U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Narito ang m ay ang masa at ang M ay ang molar mass ng gas.
Ipagpalagay na ang kemikal na komposisyon ng gas at ang masa nito ay palaging nananatiling pareho. Sa kasong ito, tulad ng makikita mula sa formula na nakuha namin, ang panloob na enerhiya ay nakasalalay lamang sa temperatura ng gas. Para sa totoong gas, kakailanganing isaalang-alang, bilang karagdagan satemperatura, pagbabago sa volume dahil nakakaapekto ito sa potensyal na enerhiya ng mga atom.
Molecular gases
Sa formula sa itaas, ang numero 3 ay nagpapakilala sa bilang ng mga antas ng kalayaan ng paggalaw ng isang monatomic na particle - ito ay tinutukoy ng bilang ng mga coordinate sa espasyo: x, y, z. Para sa estado ng isang monatomic gas, hindi mahalaga kung umiikot ang mga atom nito.
Ang mga molekula ay spherically asymmetric, samakatuwid, kapag tinutukoy ang estado ng enerhiya ng mga molekular na gas, kinakailangang isaalang-alang ang kinetic energy ng kanilang pag-ikot. Ang mga molekula ng diatomic, bilang karagdagan sa mga nakalistang antas ng kalayaan na nauugnay sa paggalaw ng pagsasalin, ay may dalawa pang nauugnay sa pag-ikot sa paligid ng dalawang magkaparehong patayo na palakol; Ang mga polyatomic molecule ay may tatlong tulad na independiyenteng mga palakol ng pag-ikot. Dahil dito, ang mga particle ng diatomic gas ay nailalarawan sa bilang ng mga degree ng kalayaan f=5, habang ang polyatomic molecule ay may f=6.
Dahil sa randomness na likas sa thermal motion, lahat ng direksyon ng parehong rotational at translational na paggalaw ay ganap na pantay na posibilidad. Ang average na kinetic energy na iniambag ng bawat uri ng paggalaw ay pareho. Samakatuwid, maaari nating palitan ang halaga ng f sa formula, na nagpapahintulot sa amin na kalkulahin ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ng anumang molekular na komposisyon: U=f / 2 x m / M x RT.
Siyempre, nakikita natin mula sa pormula na ang halagang ito ay nakasalalay sa dami ng sangkap, iyon ay, sa kung magkano at kung anong uri ng gas ang kinuha natin, gayundin sa istraktura ng mga molekula ng gas na ito. Gayunpaman, dahil sumang-ayon kami na huwag baguhin ang masa at komposisyon ng kemikal, pagkatapos ay isaalang-alangtemperatura lang ang kailangan namin.
Ngayon tingnan natin kung paano nauugnay ang halaga ng U sa iba pang mga katangian ng gas - volume, pati na rin ang presyon.
Internal na enerhiya at thermodynamic state
Temperature, gaya ng alam mo, ay isa sa mga parameter ng thermodynamic state ng system (sa kasong ito, gas). Sa isang perpektong gas, ito ay nauugnay sa presyon at lakas ng tunog sa pamamagitan ng kaugnayan PV=m / M x RT (ang tinatawag na Clapeyron-Mendeleev equation). Tinutukoy ng temperatura ang enerhiya ng init. Kaya't ang huli ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng isang hanay ng iba pang mga parameter ng estado. Ito ay walang malasakit sa nakaraang estado, gayundin sa paraan ng pagbabago nito.
Tingnan natin kung paano nagbabago ang panloob na enerhiya kapag lumilipat ang system mula sa isang thermodynamic state patungo sa isa pa. Ang pagbabago nito sa anumang naturang paglipat ay tinutukoy ng pagkakaiba sa pagitan ng mga inisyal at panghuling halaga. Kung bumalik ang system sa orihinal nitong estado pagkatapos ng ilang intermediate na estado, ang pagkakaibang ito ay magiging katumbas ng zero.
Ipagpalagay na pinainit natin ang gas sa tangke (iyon ay, nagdala tayo ng karagdagang enerhiya dito). Ang thermodynamic na estado ng gas ay nagbago: ang temperatura at presyon nito ay tumaas. Ang prosesong ito ay nagpapatuloy nang hindi binabago ang volume. Ang panloob na enerhiya ng ating gas ay tumaas. Pagkatapos noon, binigay ng aming gas ang ibinibigay na enerhiya, lumalamig sa orihinal nitong estado. Ang isang kadahilanan tulad ng, halimbawa, ang bilis ng mga prosesong ito, ay hindi mahalaga. Ang nagresultang pagbabago sa panloob na enerhiya ng gas sa anumang bilis ng pag-init at paglamig ay zero.
Ang mahalagang punto ay ang parehong halaga ng thermal energy ay maaaring tumugma sa hindi isa, ngunit ilang thermodynamic state.
Ang katangian ng pagbabago sa thermal energy
Upang mabago ang enerhiya, kailangang gawin ang trabaho. Ang trabaho ay maaaring gawin ng gas mismo o ng isang panlabas na puwersa.
Sa unang kaso, ang paggasta ng enerhiya para sa pagganap ng trabaho ay dahil sa panloob na enerhiya ng gas. Halimbawa, mayroon kaming naka-compress na gas sa isang tangke na may piston. Kung ang piston ay pinakawalan, ang lumalawak na gas ay magsisimulang iangat ito, gumagawa ng trabaho (para ito ay maging kapaki-pakinabang, hayaan ang piston na iangat ang ilang uri ng pagkarga). Ang panloob na enerhiya ng gas ay bababa sa halagang ginastos sa trabaho laban sa gravity at friction forces: U2=U1 – A. Dito kaso, positibo ang trabaho ng gas dahil ang direksyon ng puwersang inilapat sa piston ay pareho sa direksyon ng paggalaw ng piston.
Simulan nating ibaba ang piston, gumawa ng trabaho laban sa puwersa ng presyon ng gas at muli laban sa puwersa ng friction. Kaya, ipapaalam namin sa gas ang isang tiyak na halaga ng enerhiya. Dito, itinuturing na positibo ang gawain ng mga panlabas na puwersa.
Bukod sa mekanikal na gawain, mayroon ding paraan para kumuha ng enerhiya mula sa gas o bigyan ito ng enerhiya, gaya ng paglipat ng init (heat transfer). Nakilala na natin siya sa halimbawa ng pag-init ng gas. Ang enerhiya na inilipat sa gas sa panahon ng mga proseso ng paglipat ng init ay tinatawag na dami ng init. May tatlong uri ng heat transfer: conduction, convection, at radiative transfer. Tingnan natin sila nang maigi.
Thermal conductivity
Ang kakayahan ng isang substance na makipagpalitan ng init,na isinasagawa ng mga particle nito sa pamamagitan ng paglilipat ng kinetic energy sa isa't isa sa panahon ng mutual collisions sa panahon ng thermal motion - ito ay thermal conductivity. Kung ang isang tiyak na lugar ng sangkap ay pinainit, iyon ay, ang isang tiyak na halaga ng init ay ibinibigay dito, ang panloob na enerhiya pagkatapos ng ilang sandali, sa pamamagitan ng mga banggaan ng mga atomo o molekula, ay ipapamahagi sa lahat ng mga particle sa average na pantay.
Malinaw na ang thermal conductivity ay lubos na nakadepende sa dalas ng mga banggaan, at iyon naman, sa average na distansya sa pagitan ng mga particle. Samakatuwid, ang isang gas, lalo na ang perpektong gas, ay nailalarawan sa pamamagitan ng napakababang thermal conductivity, at ang property na ito ay kadalasang ginagamit para sa thermal insulation.
Sa mga totoong gas, mas mataas ang thermal conductivity para sa mga may pinakamagagaan na molekula at kasabay nito ay polyatomic. Ang molekular na hydrogen ay nakakatugon sa kundisyong ito sa pinakamalaking lawak, at ang radon, bilang ang pinakamabigat na monatomic na gas, sa pinakamaliit na lawak. Kung mas bihira ang gas, mas masama itong conductor ng init.
Sa pangkalahatan, ang paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng thermal conduction para sa ideal na gas ay isang napaka-hindi mahusay na proseso.
Convection
Higit na mas mahusay para sa isang gas ang ganitong uri ng heat transfer, gaya ng convection, kung saan ang panloob na enerhiya ay ipinamamahagi sa pamamagitan ng daloy ng bagay na umiikot sa gravitational field. Ang pataas na daloy ng mainit na gas ay nabuo dahil sa puwersa ng Archimedean, dahil ito ay hindi gaanong siksik dahil sa thermal expansion. Ang mainit na gas na gumagalaw paitaas ay patuloy na pinapalitan ng mas malamig na gas - naitatag ang sirkulasyon ng mga daloy ng gas. Samakatuwid, upang matiyak na mahusay, iyon ay, ang pinakamabilis na pag-init sa pamamagitan ng convection, kinakailangang painitin ang tangke ng gas mula sa ibaba - tulad ng isang takure na may tubig.
Kung kinakailangang mag-alis ng kaunting init mula sa gas, mas mahusay na ilagay ang refrigerator sa itaas, dahil ang gas na nagbigay ng enerhiya sa refrigerator ay dadaloy sa ilalim ng impluwensya ng grabidad.
Ang isang halimbawa ng convection sa gas ay ang pag-init ng panloob na hangin gamit ang mga sistema ng pag-init (inilalagay sila sa silid nang mas mababa hangga't maaari) o paglamig gamit ang air conditioner, at sa mga natural na kondisyon, ang phenomenon ng thermal convection ay nagdudulot ang paggalaw ng masa ng hangin at nakakaapekto sa panahon at klima.
Sa kawalan ng gravity (na may kawalang timbang sa isang sasakyang pangalangaang), ang convection, iyon ay, ang sirkulasyon ng mga agos ng hangin, ay hindi naitatag. Kaya walang saysay na magsindi ng mga gas burner o posporo sa spacecraft: ang mga produktong mainit na pagkasunog ay hindi ilalabas pataas, at ang oxygen ay ibibigay sa pinagmumulan ng apoy, at ang apoy ay mamamatay.
Radiant transfer
Maaari ding uminit ang isang substance sa ilalim ng pagkilos ng thermal radiation, kapag ang mga atom at molekula ay nakakakuha ng enerhiya sa pamamagitan ng pagsipsip ng electromagnetic quanta - mga photon. Sa mababang mga frequency ng photon, ang prosesong ito ay hindi masyadong mahusay. Alalahanin na kapag nagbukas tayo ng microwave oven, nakakahanap tayo ng mainit na pagkain sa loob, ngunit hindi mainit na hangin. Sa pagtaas ng dalas ng radiation, ang epekto ng pag-init ng radiation ay tumataas, halimbawa, sa itaas na kapaligiran ng Earth, ang isang napakabihirang gas ay masinsinang pinainit atna-ionize ng solar ultraviolet.
Ang iba't ibang gas ay sumisipsip ng thermal radiation sa iba't ibang antas. Kaya, ang tubig, mitein, carbon dioxide ay sumisipsip nito nang malakas. Ang phenomenon ng greenhouse effect ay nakabatay sa property na ito.
Ang unang batas ng thermodynamics
Sa pangkalahatan, ang pagbabago sa panloob na enerhiya sa pamamagitan ng pag-init ng gas (paglipat ng init) ay bumababa din sa paggawa sa mga molekula ng gas o sa mga ito sa pamamagitan ng panlabas na puwersa (na tinutukoy sa parehong paraan, ngunit sa kabaligtaran tanda). Anong gawain ang ginagawa sa ganitong paraan ng paglipat mula sa isang estado patungo sa isa pa? Ang batas ng konserbasyon ng enerhiya ay tutulong sa atin na sagutin ang tanong na ito, mas tiyak, ang pagkonkreto nito kaugnay ng pag-uugali ng mga thermodynamic system - ang unang batas ng thermodynamics.
Ang batas, o ang unibersal na prinsipyo ng konserbasyon ng enerhiya, sa pinakapangkalahatang anyo nito ay nagsasabi na ang enerhiya ay hindi ipinanganak mula sa wala at hindi nawawala nang walang bakas, ngunit dumadaan lamang mula sa isang anyo patungo sa isa pa. Kaugnay ng isang thermodynamic system, dapat itong maunawaan sa paraang ang gawaing ginawa ng system ay ipinahayag sa mga tuntunin ng pagkakaiba sa pagitan ng dami ng init na ibinibigay sa system (ideal na gas) at ang pagbabago sa panloob na enerhiya nito. Sa madaling salita, ang dami ng init na ipinadala sa gas ay ginugugol sa pagbabagong ito at sa pagpapatakbo ng system.
Ito ay isinusulat sa anyo ng mga formula na mas madali: dA=dQ – dU, at ayon dito, dQ=dU + dA.
Alam na namin na ang mga dami na ito ay hindi nakadepende sa paraan kung paano ginawa ang paglipat sa pagitan ng mga estado. Ang bilis ng paglipat na ito at, bilang resulta, ang kahusayan ay nakasalalay sa pamamaraan.
Tungkol sa pangalawaang simula ng thermodynamics, pagkatapos ay itinatakda nito ang direksyon ng pagbabago: ang init ay hindi maaaring ilipat mula sa isang mas malamig (at samakatuwid ay hindi gaanong masigla) na gas sa isang mas mainit na walang karagdagang input ng enerhiya mula sa labas. Isinasaad din ng pangalawang batas na ang bahagi ng enerhiya na ginugugol ng system sa pagsasagawa ng trabaho ay hindi maiiwasang mawawala, ay mawawala (hindi nawawala, ngunit nagiging isang hindi nagagamit na anyo).
Thermodynamic na proseso
Ang mga paglipat sa pagitan ng mga estado ng enerhiya ng isang perpektong gas ay maaaring magkaroon ng iba't ibang mga pattern ng pagbabago sa isa o iba pang mga parameter nito. Ang panloob na enerhiya sa mga proseso ng mga transisyon ng iba't ibang uri ay iba rin ang kilos. Isaalang-alang natin sandali ang ilang uri ng mga naturang proseso.
- Ang isochoric na proseso ay nagpapatuloy nang walang pagbabago sa volume, samakatuwid, ang gas ay hindi gumagana. Ang panloob na enerhiya ng gas ay nagbabago bilang isang function ng pagkakaiba sa pagitan ng pangwakas at paunang temperatura.
- Isobaric na proseso ay nangyayari sa pare-parehong presyon. Gumagana ang gas, at ang thermal energy nito ay kinakalkula sa parehong paraan tulad ng sa nakaraang kaso.
- Ang Isothermal na proseso ay nailalarawan sa pamamagitan ng pare-parehong temperatura, at, samakatuwid, ang thermal energy ay hindi nagbabago. Ang dami ng init na natatanggap ng gas ay ganap na ginugugol sa paggawa.
- Adiabatic, o proseso ng adiabatic ay nagaganap sa isang gas na walang heat transfer, sa isang thermally insulated na tangke. Ang trabaho ay ginagawa lamang sa gastos ng thermal energy: dA=- dU. Sa adiabatic compression, tumataas ang thermal energy, na may expansion, ayon sa pagkakabanggitbumababa.
Ang iba't ibang isoprocess ay sumasailalim sa paggana ng mga thermal engine. Kaya, ang proseso ng isochoric ay nagaganap sa isang makina ng gasolina sa mga matinding posisyon ng piston sa silindro, at ang pangalawa at pangatlong stroke ng makina ay mga halimbawa ng isang proseso ng adiabatic. Kapag nakakuha ng mga tunaw na gas, ang pagpapalawak ng adiabatic ay gumaganap ng isang mahalagang papel - salamat dito, nagiging posible ang condensation ng gas. Ang mga isoprocess sa mga gas, sa pag-aaral kung saan hindi magagawa ng isang tao nang walang konsepto ng panloob na enerhiya ng isang perpektong gas, ay katangian ng maraming natural na phenomena at ginagamit sa iba't ibang sangay ng teknolohiya.
