Patogu nagrinėti konkretų fizikinį reiškinį ar reiškinių klasę naudojant įvairaus aproksimavimo modelius. Pavyzdžiui, aprašant dujų elgseną, naudojamas fizikinis modelis – idealios dujos.
Bet kuris modelis turi pritaikomumo ribas, kurias peržengus jį reikia patobulinti arba taikyti sudėtingesnes parinktis. Čia nagrinėjame paprastą fizinės sistemos vidinės energijos apibūdinimo atvejį, pagrįstą svarbiausiomis dujų savybėmis tam tikrose ribose.
Idealios dujos
Šis fizinis modelis, kad būtų patogiau aprašyti kai kuriuos pagrindinius procesus, supaprastina tikras dujas taip:
- Neatsižvelgiama į dujų molekulių dydį. Tai reiškia, kad yra reiškinių, kuriems šis parametras nėra būtinas tinkamam aprašymui.
- Neatsižvelgiama į tarpmolekulines sąveikas, tai yra, pripažįsta, kad jį dominančiuose procesuose jos atsiranda nereikšmingais laiko intervalais ir neturi įtakos sistemos būklei. Šiuo atveju sąveika yra absoliučiai tamprus smūgis, kurio metu nėra energijos nuostoliųdeformacija.
- Neatsižvelgiama į molekulių sąveiką su rezervuaro sienelėmis.
- Tarkime, kad „dujų rezervuaro“sistemai būdinga termodinaminė pusiausvyra.
Šis modelis tinka tikroms dujoms apibūdinti, jei slėgis ir temperatūra yra palyginti žemi.
Fizinės sistemos energetinė būsena
Bet kuri makroskopinė fizinė sistema (kūnas, dujos ar skystis inde) turi, be savo kinetikos ir potencialo, dar vieną energijos rūšį – vidinę. Ši reikšmė gaunama susumavus visų fizinę sistemą sudarančių posistemių – molekulių – energijas.
Kiekviena dujų molekulė taip pat turi savo potencialą ir kinetinę energiją. Pastarasis yra dėl nuolatinio chaotiško terminio molekulių judėjimo. Įvairią jų tarpusavio sąveiką (elektrinę trauką, atstūmimą) lemia potenciali energija.
Reikia atsiminti, kad jei kurios nors fizinės sistemos dalių energetinė būsena neturi jokios įtakos sistemos makroskopinei būklei, tada į ją neatsižvelgiama. Pavyzdžiui, normaliomis sąlygomis branduolinė energija nepasireiškia fizinio objekto būsenos pokyčiais, todėl į tai atsižvelgti nereikia. Tačiau esant aukštai temperatūrai ir slėgiui tai jau būtina.
Taigi, vidinė kūno energija atspindi jo dalelių judėjimo ir sąveikos pobūdį. Tai reiškia, kad terminas yra sinonimas dažniausiai vartojamam terminui „šilumos energija“.
Monatominės idealios dujos
Monatominės dujos, tai yra tos, kurių atomai nesusijungę į molekules, egzistuoja gamtoje – tai inertinės dujos. Dujos, tokios kaip deguonis, azotas ar vandenilis, gali egzistuoti tokioje būsenoje tik tokiomis sąlygomis, kai energija išleidžiama iš išorės, kad ši būsena nuolat atsinaujintų, nes jų atomai yra chemiškai aktyvūs ir linkę susijungti į molekulę.
Panagrinėkime monatominių idealių dujų, dedamų į tam tikro tūrio indą, energetinę būseną. Tai pats paprasčiausias atvejis. Mes prisimename, kad elektromagnetinė atomų sąveika tarpusavyje ir su indo sienelėmis, taigi ir jų potenciali energija, yra nereikšminga. Taigi vidinė dujų energija apima tik jų atomų kinetinių energijų sumą.
Jį galima apskaičiuoti vidutinę dujose esančių atomų kinetinę energiją padauginus iš jų skaičiaus. Vidutinė energija yra E=3/2 x R / NA x T, kur R yra universali dujų konstanta, NA yra Avogadro skaičius, T yra absoliuti dujų temperatūra. Atomų skaičius apskaičiuojamas medžiagos kiekį padauginus iš Avogadro konstantos. Monatominių dujų vidinė energija bus lygi U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / m x RT. Čia m yra masė, o M yra molinė dujų masė.
Tarkime, kad cheminė dujų sudėtis ir jų masė visada išlieka ta pati. Šiuo atveju, kaip matyti iš gautos formulės, vidinė energija priklauso tik nuo dujų temperatūros. Dėl tikrų dujų, be to, reikės atsižvelgti įtemperatūra, tūrio pokytis, nes tai turi įtakos potencialiai atomų energijai.
Molekulinės dujos
Aukščiau pateiktoje formulėje skaičius 3 apibūdina monatominės dalelės judėjimo laisvės laipsnių skaičių – jis nustatomas pagal koordinačių skaičių erdvėje: x, y, z. Monatominių dujų būsenai visiškai nesvarbu, ar jų atomai sukasi.
Molekulės yra sferiškai asimetriškos, todėl, nustatant molekulinių dujų energetinę būseną, būtina atsižvelgti į jų sukimosi kinetinę energiją. Dviatominės molekulės, be išvardytų laisvės laipsnių, susijusių su transliaciniu judėjimu, turi dar dvi, susijusias su sukimu aplink dvi viena kitai statmenas ašis; poliatominės molekulės turi tris tokias nepriklausomas sukimosi ašis. Vadinasi, dviatomių dujų dalelės apibūdinamos laisvės laipsnių skaičiumi f=5, o daugiaatomės molekulės turi f=6.
Dėl šiluminiam judėjimui būdingo atsitiktinumo visos sukimosi ir transliacijos judėjimo kryptys yra absoliučiai vienodai tikėtinos. Vidutinė kinetinė energija, kurią suteikia kiekvieno tipo judesiai, yra vienoda. Todėl formulėje, kuri leidžia apskaičiuoti bet kokios molekulinės sudėties idealių dujų vidinę energiją, galime pakeisti f reikšmę: U=f / 2 x m / M x RT.
Žinoma, iš formulės matome, kad ši reikšmė priklauso nuo medžiagos kiekio, tai yra nuo to, kiek ir kokių dujų paėmėme, taip pat nuo šių dujų molekulių struktūros. Tačiau kadangi susitarėme nekeisti masės ir cheminės sudėties, atsižvelkite į taimums reikia tik temperatūros.
Dabar pažiūrėkime, kaip U reikšmė yra susijusi su kitomis dujų charakteristikomis – tūriu, taip pat slėgiu.
Vidinė energija ir termodinaminė būsena
Temperatūra, kaip žinote, yra vienas iš sistemos (šiuo atveju dujų) termodinaminės būsenos parametrų. Idealiose dujose jis susietas su slėgiu ir tūriu santykiu PV=m / M x RT (vadinamoji Clapeyrono-Mendelejevo lygtis). Temperatūra lemia šilumos energiją. Taigi pastarąjį galima išreikšti kitų būsenos parametrų rinkiniu. Ji neabejinga ankstesnei būsenai, taip pat jos pakeitimo būdui.
Pažiūrėkime, kaip keičiasi vidinė energija, kai sistema pereina iš vienos termodinaminės būsenos į kitą. Jo pokytis bet kokio tokio perėjimo metu nustatomas pagal skirtumą tarp pradinės ir galutinės reikšmių. Jei sistema grįžo į pradinę būseną po tam tikros tarpinės būsenos, šis skirtumas bus lygus nuliui.
Tarkime, kad bake pakaitinome dujas (tai yra, įnešėme į ją papildomos energijos). Pakito termodinaminė dujų būsena: padidėjo jų temperatūra ir slėgis. Šis procesas vyksta nekeičiant garsumo. Mūsų dujų vidinė energija padidėjo. Po to mūsų dujos atsisakė tiekiamos energijos, atvėsusios iki pradinės būsenos. Toks veiksnys, kaip, pavyzdžiui, šių procesų greitis, neturės reikšmės. Gautas dujų vidinės energijos pokytis esant bet kokiam šildymo ir vėsinimo greičiui yra lygus nuliui.
Svarbu tai, kad ta pati šiluminės energijos vertė gali atitikti ne vieną, o kelias termodinamines būsenas.
Šiluminės energijos pokyčio pobūdis
Norint pakeisti energiją, reikia dirbti. Darbą gali atlikti pačios dujos arba išorinė jėga.
Pirmuoju atveju energijos sąnaudos darbui atlikti atsiranda dėl vidinės dujų energijos. Pavyzdžiui, bake su stūmokliu turėjome suslėgtas dujas. Jei stūmoklis atleidžiamas, besiplečiančios dujos pradės jį kelti, dirbdamos (kad tai būtų naudinga, leiskite stūmokliui pakelti kokį nors krovinį). Vidinė dujų energija sumažės tiek, kiek išleidžiama darbui prieš gravitacijos ir trinties jėgas: U2=U1 – A. Šiuo atveju dujų darbas yra teigiamas, nes stūmoklį veikiančios jėgos kryptis yra tokia pati kaip stūmoklio judėjimo kryptis.
Pradėkime nuleisti stūmoklį, dirbdami prieš dujų slėgio jėgą ir vėl prieš trinties jėgas. Taigi mes informuosime dujas apie tam tikrą energijos kiekį. Čia išorinių jėgų darbas jau laikomas teigiamu.
Be mechaninio darbo, yra ir toks būdas paimti energiją iš dujų arba suteikti joms energijos, pavyzdžiui, šilumos perdavimas (šilumos perdavimas). Su juo jau susipažinome šildymo dujomis pavyzdyje. Šilumos perdavimo procesų metu dujoms perduodama energija vadinama šilumos kiekiu. Yra trys šilumos perdavimo tipai: laidumas, konvekcija ir spinduliuotė. Pažvelkime į juos atidžiau.
Šiluminis laidumas
Medžiagos gebėjimas keistis šiluma,atlieka jo dalelės perduodamos kinetinę energiją viena kitai tarpusavio susidūrimų metu šiluminio judėjimo metu – tai šilumos laidumas. Įkaitinus tam tikrą medžiagos plotą, tai yra, jai perduodamas tam tikras šilumos kiekis, vidinė energija po kurio laiko, susidūrus atomams ar molekulėms, pasiskirstys tarp visų dalelių vidutiniškai tolygiai.
Akivaizdu, kad šilumos laidumas labai priklauso nuo susidūrimų dažnio, o tai, savo ruožtu, nuo vidutinio atstumo tarp dalelių. Todėl dujos, ypač idealios dujos, pasižymi labai mažu šilumos laidumu, todėl ši savybė dažnai naudojama šilumos izoliacijai.
Iš tikrų dujų šilumos laidumas yra didesnis tų, kurių molekulės yra lengviausios ir tuo pačiu poliatominės. Šią sąlygą labiausiai atitinka molekulinis vandenilis, o mažiausiai – radonas, kaip sunkiausios monoatominės dujos. Kuo retesnės dujos, tuo jos blogesnis šilumos laidininkas.
Apskritai idealių dujų energijos perdavimas šilumos laidumu yra labai neefektyvus procesas.
Konvekcija
Dujoms daug efektyvesnis yra toks šilumos perdavimas, pvz., konvekcija, kai vidinė energija paskirstoma per gravitaciniame lauke cirkuliuojančią materijos srautą. Karštų dujų srautas aukštyn susidaro dėl Archimedo jėgos, nes dėl šiluminio plėtimosi jos yra mažiau tankios. Į viršų judančios karštos dujos nuolat pakeičiamos š altesnėmis dujomis – nusistovi dujų srautų cirkuliacija. Todėl norint užtikrinti efektyvų, tai yra greičiausią šildymą per konvekciją, dujų baką reikia šildyti iš apačios – kaip ir virdulį su vandeniu.
Jei reikia iš dujų atimti šiek tiek šilumos, tuomet šaldytuvą efektyviau statyti viršuje, nes dujos, kurios suteikė energijos šaldytuvui, veikiamos gravitacijos, lėks žemyn..
Konvekcijos dujose pavyzdys yra patalpų oro šildymas naudojant šildymo sistemas (jos patalpoje dedamos kuo žemiau) arba vėsinimas naudojant oro kondicionierių, o natūraliomis sąlygomis šiluminės konvekcijos reiškinys sukelia oro masių judėjimas ir veikia orą bei klimatą.
Nesant gravitacijos (esant nesvarumui erdvėlaivyje), konvekcija, tai yra, oro srovių cirkuliacija nenustatyta. Taigi nėra prasmės erdvėlaivyje kūrenti dujų degiklius ar degtukus: karšti degimo produktai nebus išleidžiami į viršų, o deguonis bus tiekiamas į ugnies š altinį, o liepsna užges.
Spindintis perkėlimas
Medžiaga taip pat gali įkaisti veikiant šiluminei spinduliuotei, kai atomai ir molekulės įgauna energiją sugerdami elektromagnetinius kvantus – fotonus. Esant žemiems fotonų dažniams, šis procesas nėra labai efektyvus. Prisiminkite, kad atidarę mikrobangų krosnelę viduje randame karšto maisto, bet ne karšto oro. Didėjant radiacijos dažniui, didėja radiacinio šildymo efektas, pavyzdžiui, viršutinėje Žemės atmosferoje intensyviai kaitinamos labai išretintos dujos irjonizuojamas saulės ultravioletinių spindulių.
Įvairios dujos įvairiu laipsniu sugeria šiluminę spinduliuotę. Taigi, vanduo, metanas, anglies dioksidas jį gana stipriai sugeria. Šiltnamio efekto reiškinys pagrįstas šia savybe.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Bendrai kalbant, vidinės energijos pokytis dėl dujų šildymo (šilumos perdavimo) taip pat susijęs su dujų molekulėmis arba jas veikiant išorinei jėgai (kuri žymima taip pat, bet atvirkščiai). ženklas). Koks darbas atliekamas tokiu būdu pereinant iš vienos būsenos į kitą? Energijos tvermės dėsnis padės atsakyti į šį klausimą, tiksliau, jo sukonkretinimas termodinaminių sistemų elgsenos atžvilgiu – pirmasis termodinamikos dėsnis.
Įstatymas, arba universalus energijos tvermės principas, labiausiai apibendrinta forma sako, kad energija negimsta iš nieko ir neišnyksta be pėdsakų, o tik pereina iš vienos formos į kitą. Kalbant apie termodinaminę sistemą, tai turėtų būti suprantama taip, kad sistemos atliktas darbas būtų išreikštas sistemai perduodamos šilumos kiekio (idealiųjų dujų) ir jos vidinės energijos pokyčio skirtumu. Kitaip tariant, dujoms perduodamas šilumos kiekis išleidžiamas šiam pakeitimui ir sistemos veikimui.
Tai daug lengviau parašyta formulių pavidalu: dA=dQ – dU ir atitinkamai dQ=dU + dA.
Jau žinome, kad šie dydžiai nepriklauso nuo perėjimo tarp būsenų būdo. Šio perėjimo greitis ir dėl to efektyvumas priklauso nuo metodo.
Kalbant apie antrąjįtermodinamikos pradžią, tuomet ji nustato kaitos kryptį: šiluma iš š altesnių (taigi ir mažiau energingų) dujų negali būti perduota į karštesnes be papildomo energijos įvedimo iš išorės. Antrasis dėsnis taip pat nurodo, kad dalis energijos, kurią sistema sunaudoja darbui atlikti, neišvengiamai išsisklaido, prarandama (neišnyksta, o virsta netinkama forma).
Termodinaminiai procesai
Perėjimai tarp idealių dujų energijos būsenų gali turėti skirtingus vienų ar kitų parametrų kitimo modelius. Vidinė energija skirtingų tipų perėjimų procesuose taip pat elgsis skirtingai. Trumpai apsvarstykime keletą tokių procesų tipų.
- Izochorinis procesas vyksta nekeičiant tūrio, todėl dujos neveikia. Vidinė dujų energija kinta priklausomai nuo skirtumo tarp galutinės ir pradinės temperatūros.
- Izobarinis procesas vyksta esant pastoviam slėgiui. Dujos veikia, o jų šiluminė energija apskaičiuojama taip pat, kaip ir ankstesniu atveju.
- Izoterminiam procesui būdinga pastovi temperatūra, todėl šiluminė energija nekinta. Dujų gaunamas šilumos kiekis išleidžiamas darbui.
- Adiabatinis arba adiabatinis procesas vyksta dujose be šilumos perdavimo, termiškai izoliuotoje talpykloje. Darbai atliekami tik šiluminės energijos sąskaita: dA=- dU. Esant adiabatiniam suspaudimui, šiluminė energija atitinkamai didėja, plečiantismažėja.
Šiluminių variklių veikimo pagrindas yra įvairūs izoprocesai. Taigi izochorinis procesas vyksta benzininiame variklyje kraštutinėse stūmoklio padėtyse cilindre, o antrasis ir trečiasis variklio taktai yra adiabatinio proceso pavyzdžiai. Gaunant suskystintas dujas svarbų vaidmenį atlieka adiabatinis plėtimasis - jo dėka tampa įmanoma dujų kondensacija. Izoprocesai dujose, kuriuos tiriant neapsieinama be idealių dujų vidinės energijos sampratos, būdingi daugeliui gamtos reiškinių ir naudojami įvairiose technologijos srityse.
