Unutrašnja energija se može mijenjati na dva načina.
Ako se na tijelu vrši rad, povećava se njegova unutrašnja energija.
Ako tijelo samo obavlja posao, njegova unutrašnja energija se smanjuje.
Postoje tri jednostavne (elementarne) vrste prijenosa topline:
Toplotna provodljivost
Konvekcija
Konvekcija je fenomen prijenosa topline u tekućinama ili plinovima, ili zrnatim medijima putem tokova tvari. Postoji tzv prirodna konvekcija, koja se spontano javlja u supstanciji kada se ona neravnomjerno zagrije u gravitacionom polju. Takvom konvekcijom donji slojevi tvari se zagrijavaju, postaju lakši i plutaju, a gornji slojevi se, naprotiv, hlade, postaju teži i tonu, nakon čega se proces ponavlja iznova i iznova.
Toplotno zračenje ili zračenje je prijenos energije s jednog tijela na drugo u obliku elektromagnetnih valova zbog njihove toplinske energije.
Unutrašnja energija idealnog gasa
Na osnovu definicije idealnog gasa, nedostaje mu potencijalna komponenta unutrašnja energija(ne postoje sile interakcije između molekula, osim udara). Dakle, unutrašnja energija idealnog gasa predstavlja samo kinetičku energiju kretanja njegovih molekula. Prethodno je (jednačina 2.10) pokazano da je kinetička energija translacionog kretanja molekula gasa direktno proporcionalna njegovoj apsolutnoj temperaturi.
Koristeći izraz za univerzalnu plinsku konstantu (4.6), možemo odrediti vrijednost konstante α.
Dakle, kinetička energija translacionog kretanja jednog molekula idealnog gasa biće određena izrazom.
U skladu s kinetičkom teorijom, raspodjela energije po stupnjevima slobode je ujednačena. Translacijsko kretanje ima 3 stepena slobode. Prema tome, jedan stepen slobode kretanja molekula gasa će predstavljati 1/3 njegove kinetičke energije. 
Za dva, tri i poliatomske molekule gasa, pored stepena slobode translacionog kretanja, postoje i stepeni slobode rotacionog kretanja molekula. Za dvoatomske molekule plina broj stupnjeva slobode rotacijskog kretanja je 2, za tri i poliatomske molekule - 3.
Budući da je raspodjela energije gibanja molekula po svim stupnjevima slobode ujednačena, a broj molekula u jednom kilomolu plina jednak je Nμ, unutrašnja energija jednog kilomola idealnog plina može se dobiti množenjem izraza (4.11) brojem molekula u jednom kilomolu i brojem stupnjeva slobode kretanja molekula datog plina.
gdje je Uμ unutrašnja energija kilomola plina u J/kmol, i je broj stupnjeva slobode kretanja molekula plina.
Za 1 - atomski gas i = 3, za 2 - atomski gas i = 5, za 3 - atomski i poliatomski gasovi i = 6.
Struja. Uslovi za postojanje električne struje. EMF. Ohmov zakon za kompletno kolo. Rad i strujna snaga. Joule-Lenzov zakon.
Među uslovima neophodnim za postojanje električna struja razlikovati: prisutnost slobodnih električnih naboja u mediju i stvaranje električnog polja u mediju. Električno polje u mediju je neophodno za stvaranje usmerenog kretanja slobodnih naelektrisanja. Kao što je poznato, na naboj q u električnom polju intenziteta E djeluje sila F = qE, što uzrokuje kretanje slobodnih naboja u smjeru električnog polja. Znak postojanja električnog polja u provodniku je prisustvo jednaka nuli razlika potencijala između bilo koje dvije tačke na provodniku.
Međutim, električne sile ne mogu dugo vrijeme održavati električnu struju. Usmjereno kretanje električnih naboja nakon nekog vremena dovodi do izjednačavanja potencijala na krajevima vodiča i, posljedično, do nestanka električnog polja u njemu. Da bi se održala struja u električnom kolu, naelektrisanja moraju biti podložna silama neelektrične prirode (spoljnim silama) pored Kulonovih sila. Uređaj koji stvara vanjske sile, održava razliku potencijala u krugu i pretvara različite vrste energija u električnu energiju naziva se izvor struje.
Uslovi za postojanje električne struje:
prisustvo besplatnih nabojnika
· prisustvo razlike potencijala. ovo su uslovi za nastanak struje. da bi struja postojala
· zatvoreno kolo
· izvor vanjskih sila koji održava potencijalnu razliku.
Sve sile koje djeluju na električno nabijene čestice, s izuzetkom elektrostatičkih (Coulomb) sila, nazivaju se vanjskim silama.
Elektromotorna sila.
Elektromotorna sila (EMF) - skalar fizička količina, karakterizira rad trećih (nepotencijalnih) sila u izvorima konstantnih ili naizmjenična struja. U zatvorenoj provodnoj petlji, EMF je jednak radu ovih sila da pokreću jedinicu pozitivan naboj duž konture.
Jedinica za EMF, kao i napon, je volt. Možemo govoriti o elektromotornoj sili na bilo kojem dijelu kola. Elektromotorna sila galvanske ćelije je brojčano jednaka radu vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja unutar elementa s njegovog negativnog pola na njegov pozitivan. Predznak EMF-a se određuje u zavisnosti od proizvoljno odabranog smjera zaobilaženja dijela strujnog kruga gdje je uključen ovaj izvor struja
Ohmov zakon za kompletno kolo.
Razmotrimo najjednostavniji kompletan krug koji se sastoji od izvora struje i otpornika otpora R. Strujni izvor koji ima emf ε ima otpor r, naziva se unutrašnji otpor izvora struje. Da bismo dobili Ohmov zakon za kompletno kolo, koristimo zakon održanja energije.
Neka naelektrisanje q prođe kroz poprečni presek provodnika za vreme Δt. Tada je, prema formuli, rad vanjskih sila pri pomicanju naboja q jednak . Iz definicije jačine struje imamo: q = IΔt. Dakle, .
Zbog rada vanjskih sila, kada struja prolazi kroz kolo, oslobađa se količina topline na njegovim vanjskim i unutrašnjim dijelovima kola, prema Joule-Lenzovom zakonu jednako:
Prema zakonu održanja energije, A st = Q, stoga je emf izvora struje jednaka zbiru padova napona u vanjskom i unutrašnjem dijelu kola.
Unutrašnja energija tijela nije neka vrsta konstantne veličine: ona se može mijenjati za isto tijelo. Kako temperatura raste tijela, unutrašnja energija tijela raste kako se povećava prosječna brzina , a samim tim i kinetičku energiju molekula ovog tijela. Sa smanjenjem temperature, naprotiv, smanjuje se unutrašnja energija tijela. Dakle, unutrašnja energija tijela mijenja se kada se mijenja brzina kretanja njegovih molekula. Na koje načine se ova brzina može povećati ili smanjiti? Okrenimo se iskustvu.
Na postolju (sl. 181) nalazi se mesingana cijev tankih stijenki, u koju se ulije malo etra, cijev se čvrsto zatvori čepom. Uže je omotano oko cijevi i uže se brzo pomiče u jednom ili drugom smjeru. Nakon nekog vremena, eter će proključati i njegova para će istisnuti čep. Ovaj eksperiment pokazuje da se unutrašnja energija etera povećala: na kraju krajeva, zagrijao se, pa čak i proključao. Povećanje unutrašnje energije nastalo je kao rezultat rada pri trljanju cijevi užetom.
Tijela se također zagrijavaju prilikom udara, istezanja i savijanja, te općenito prilikom deformacije. U svim ovim slučajevima, zbog savršen rad Povećava se unutrašnja energija tijela.
Dakle, unutrašnja energija tijela mogu biti uvećana za radeći na telu. Ako tijelo samo obavlja posao, onda se njegova unutrašnja energija smanjuje. To se može uočiti u sljedećem eksperimentu.
Uzmite staklenu posudu debelih stijenki zatvorenu čepom. Vazduh koji sadrži vodenu paru upumpava se u posudu kroz poseban otvor. Nakon nekog vremena čep iskoči iz posude (Sl. 182). U trenutku kada čep iskoči, u posudi se pojavljuje magla. Njegov izgled znači da je vazduh u posudi postao hladniji (ne zaboravite da se magla pojavljuje i napolju tokom hladnog vremena).
Komprimirani zrak u posudi, istiskujući čep, radi. Ovaj posao obavlja na račun svoje unutrašnje energije, koja se smanjuje. Smanjenje energije procjenjujemo hlađenjem zraka u posudi.
Unutrašnja energija tijela može se promijeniti i na drugi način.
Poznato je da na šporetu stoji kotlić vode, metalna kašika umočena u čašu toplog čaja, šporet u kome se loži vatra, krov kuće obasjan suncem greje. U svim slučajevima temperatura tijela raste, što znači da se povećava i njihova unutrašnja energija. Kako objasniti njegovo povećanje?
Kako se, na primjer, zagrijava hladna metalna kašika umočena u vrući čaj? Prvo, brzina i kinetička energija molekula vruća voda veća brzina i kinetička energija hladnih metalnih čestica. Na mjestima gdje kašika dolazi u dodir s vodom, molekuli tople vode prenose dio svoje kinetičke energije na čestice hladnog metala. Stoga se brzina i energija molekula vode u prosjeku smanjuje, a brzina i energija metalnih čestica povećava: temperatura vode opada, a temperatura kašike raste - njihove temperature se postepeno izravnavaju. Sa smanjenjem kinetičke energije molekula voda se smanjuje i unutrašnja energija svega vode u čaši, a unutrašnja energija kašike se povećava.
Proces promjene unutrašnje energije, u kojem se na tijelu ne vrši rad, već se energija prenosi s jedne čestice na drugu, naziva se prijenos topline. Dakle, unutrašnja energija tijela može se mijenjati na dva načina: obavljanje mehaničkog rada ili prijenosa topline.
Kada je tijelo već zagrijano, ne možemo naznačiti na koji od dva načina je to učinjeno. Dakle, držeći u rukama zagrijanu čeličnu iglu za pletenje, ne možemo reći na koji način je zagrijana - trljanjem ili stavljanjem u plamen.
Pitanja. 1. Navedite primjere koji pokazuju da se unutarnja energija tijela povećava kada se na tijelu vrši rad. 2. Opišite eksperiment koji pokazuje da tijelo može obavljati rad zahvaljujući unutrašnjoj energiji. 3. Navedite primjere povećanja unutrašnje energije tijela prijenosom topline. 4. Objasni prijenos topline na osnovu molekularne strukture materije. 5. Koja su dva načina za promjenu unutrašnje energije tijela?
Vježbajte.
Stavite novčić od pet kopejki na list šperploče ili drvena ploča. Pritisnite novčić na ploču i brzo ga pomaknite, prvo u jednom, a zatim u drugom smjeru. Obratite pažnju koliko puta morate pomjeriti novčić tako da postane topao, vruće. Izvucite zaključak o vezi između obavljenog rada i povećanja unutrašnje energije tijela.
Svako makroskopsko tijelo ima energije, određeno njegovim mikrostanjem. Ovo energije pozvao interni(označeno U). Jednaka je energiji kretanja i interakcije mikročestica koje čine tijelo. dakle, unutrašnja energija idealan gas sastoji se od kinetičke energije svih njegovih molekula, od njihove interakcije u u ovom slučaju može se zanemariti. Stoga je unutrašnja energija zavisi samo od temperature gasa ( U~T).
Model idealnog plina pretpostavlja da se molekule nalaze na udaljenosti od nekoliko promjera jedna od druge. Stoga je energija njihove interakcije mnogo manja od energije kretanja i može se zanemariti.
U stvarnim gasovima, tečnostima i čvrstim materijama interakcija mikročestica (atoma, molekula, jona itd.) se ne može zanemariti, jer značajno utiče na njihova svojstva. Stoga oni unutrašnja energija sastoji se od kinetičke energije toplinskog kretanja mikročestica i potencijalne energije njihove interakcije. Njihova unutrašnja energija, osim temperature T, zavisiće i od jačine zvuka V, budući da promjena volumena utječe na udaljenost između atoma i molekula, a samim tim i na potencijalnu energiju njihove međusobne interakcije.
Unutrašnja energija je funkcija stanja tijela koje je određeno njegovom temperaturomTi tom V.
Unutrašnja energija je jedinstveno određen temperaturomT i volumen tijela V, koji karakterizira njegovo stanje:U =U(T, V)
To promeniti unutrašnju energiju tijela, trebate zapravo promijeniti ili kinetičku energiju toplinskog kretanja mikročestica, ili potencijalnu energiju njihove interakcije (ili oboje zajedno). Kao što znate, to se može učiniti na dva načina - izmjenom topline ili izvođenjem radova. U prvom slučaju to se događa zbog prijenosa određene količine topline Q; u drugom - zbog obavljanja posla A.
dakle, količina toplote i obavljeni rad su mjera promjene unutrašnje energije tijela:
Δ U =Q+A.
Promjena unutrašnje energije nastaje zbog određene količine topline koju tijelo daje ili prima ili zbog obavljanja rada.
Ako se odvija samo izmjena topline, onda promjena unutrašnja energija nastaje primanjem ili oslobađanjem određene količine topline: Δ U =Q. Prilikom zagrijavanja ili hlađenja tijela ono je jednako:
Δ U =Q = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.
Tokom topljenja ili kristalizacije čvrstih materija unutrašnja energija promjene zbog promjene potencijalne energije interakcije mikročestica, jer dolazi do strukturnih promjena u strukturi supstance. U ovom slučaju, promjena unutrašnje energije jednaka je toplini topljenja (kristalizacije) tijela: Δ U—Qpl =λ m, Gdje λ — specifična toplota topljenja (kristalizacije) čvrste supstance.
Isparavanje tekućine ili kondenzacija pare također uzrokuje promjene unutrašnja energija, što je jednako toplini isparavanja: Δ U =Q p =rm, Gdje r— specifična toplota isparavanja (kondenzacije) tečnosti.
Promjena unutrašnja energija telo usled izvođenja mehaničkog rada (bez razmene toplote) brojčano je jednako vrednosti ovog rada: Δ U =A.
Ako se promjena unutrašnje energije dogodi zbog izmjene topline, ondaΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),iliΔ U = Q pl = λ m,iliΔ U =Qn =rm.
Dakle, sa stanovišta molekularne fizike: Materijal sa sajta
Unutrašnja energija tela je zbir kinetičke energije toplotnog kretanja atoma, molekula ili drugih čestica od kojih se sastoji i potencijalne energije interakcije između njih; sa termodinamičke tačke gledišta, to je funkcija stanja tela (sistema tela) koje je jedinstveno određeno njegovim makroparametrima - temperaturomTi tom V.
dakle, unutrašnja energija je energija sistema, koja zavisi od njegove unutrašnje stanje. Sastoji se od energije toplotnog kretanja svih mikročestica sistema (molekula, atoma, jona, elektrona itd.) i energije njihove interakcije. Puno značenje unutrašnju energiju je gotovo nemoguće odrediti, pa se izračunava promjena unutrašnje energije Δ U, koji nastaje zbog prijenosa topline i radnog učinka.
Unutrašnja energija tijela jednaka je zbiru kinetičke energije toplinskog kretanja i potencijalne energije interakcije njegovih sastavnih mikročestica.
Na ovoj stranici nalazi se materijal o sljedećim temama:
Da li je moguće nedvosmisleno odrediti unutrašnju energiju tijela?
Tijelo ima energiju
Izvještaj fizike o unutrašnjoj energiji
Od kojih makroparametara zavisi unutrašnja energija idealnog gasa?
-
Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: unutrašnja energija, prijenos topline, vrste prijenosa topline.
Čestice bilo kojeg tijela - atoma ili molekula - obavljaju haotično kontinuirano kretanje (tzv. termičko kretanje ). Dakle, svaka čestica ima neku kinetičku energiju.
Osim toga, čestice materije međusobno djeluju kroz sile električnog privlačenja i odbijanja, kao i kroz nuklearne sile. Dakle, čitav sistem čestica dato telo Takođe ima potencijalnu energiju.
Kinetička energija toplotnog kretanja čestica i potencijalna energija njihove interakcije zajedno se formiraju nova vrsta energije, koja se ne svodi na mehaničku energiju tijela (tj. kinetičku energiju kretanja tijela kao cjeline i potencijalnu energiju njegove interakcije s drugim tijelima). Ova vrsta energije naziva se unutrašnja energija.
Unutrašnja energija tijela je ukupna kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica plus potencijalna energija njihove međusobne interakcije.
Unutrašnja energija termodinamičkog sistema je zbir unutrašnjih energija tela uključenih u sistem.
Dakle, unutrašnju energiju tijela formiraju sljedeći pojmovi.
1. Kinetička energija kontinuiranog haotičnog kretanja čestica tijela.
2. Potencijalna energija molekula (atoma), zbog sila međumolekulske interakcije.
3. Energija elektrona u atomima.
4. Intranuklearna energija.Kada najjednostavniji model supstanca - idealan gas - može se dobiti eksplicitna formula za unutrašnju energiju.
Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa
Potencijalna energija interakcije između čestica idealnog plina je nula (podsjetimo da u modelu idealnog plina zanemarujemo interakciju čestica na udaljenosti). Zbog toga se unutrašnja energija monoatomskog idealnog gasa svodi na ukupnu kinetičku energiju translacionog (za poliatomski gas treba uzeti u obzir i rotaciju molekula i vibracije atoma unutar molekula) kretanja njegovih atoma. Ova energija se može naći množenjem broja atoma gasa sa prosečnom kinetičkom energijom jednog atoma:
Vidimo da je unutrašnja energija idealnog gasa (masa i hemijski sastav koji su nepromijenjeni) je funkcija samo njegove temperature. U stvarnom gasu, tečnom ili čvrstom, unutrašnja energija će takođe zavisiti od zapremine – uostalom, kada se zapremina promeni, menja se relativni raspored čestica i, kao posledica toga, potencijalna energija njihove interakcije.
Funkcija statusa
Najvažnije svojstvo unutrašnje energije je da jeste državna funkcija termodinamički sistem. Naime, unutrašnja energija je jedinstveno određena skupom makroskopskih parametara koji karakterišu sistem, i ne zavisi od „praistorije“ sistema, tj. o tome u kakvom je stanju sistem bio prije i kako je konkretno završio u ovom stanju.
Dakle, kada sistem prelazi iz jednog stanja u drugo, promena njegove unutrašnje energije određena je samo početnim i konačnim stanjem sistema i ne zavisi sa puta prelaska iz početnog stanja u konačno stanje. Ako se sistem vrati u prvobitno stanje, tada je promjena njegove unutrašnje energije nula.
Iskustvo pokazuje da postoje samo dva načina da se promijeni unutrašnja energija tijela:
Izvođenje mehaničkih radova;
prijenos topline.Jednostavno rečeno, čajnik možete zagrijati sa samo dva Različiti putevi: utrljajte ga nečim ili zapalite :-) Razmotrimo ove metode detaljnije.
Promjena unutrašnje energije: obavljen posao
Ako je posao obavljen gore tijela, tada se povećava unutrašnja energija tijela.
Na primjer, nakon udaranja čekićem, nokat se zagrijava i postaje blago deformiran. Ali temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica u tijelu. Zagrijavanje eksera ukazuje na povećanje kinetičke energije njegovih čestica: u stvari, čestice se ubrzavaju udarom čekića i trenjem eksera o dasku.
Deformacija nije ništa drugo do pomicanje čestica jedna u odnosu na drugu; Nakon udarca nokat doživljava kompresivnu deformaciju, njegove čestice se zbližavaju, sile odbijanja između njih se povećavaju, a to dovodi do povećanja potencijalne energije čestica nokta.
Dakle, povećana je unutrašnja energija nokta. To je bio rezultat rada na njemu - rad su obavljali čekić i sila trenja na dasci.
Ako je posao obavljen sebe tijela, tada se unutrašnja energija tijela smanjuje.
Neka se, na primjer, komprimirani zrak u termoizoliranoj posudi ispod klipa širi i podiže određeno opterećenje, čime se vrši rad (proces u toplinski izoliranoj posudi se naziva adijabatski. Proučavat ćemo adijabatski proces uzimajući u obzir prvi zakon termodinamike). Tokom ovog procesa, vazduh će se ohladiti – njegovi molekuli, udarivši posle klipa u pokretu, daju mu deo svoje kinetičke energije. (Na isti način, fudbaler, zaustavljajući nogom brzoleteću loptu, njome se kreće od lopta i prigušuje njenu brzinu.) Zbog toga se unutrašnja energija vazduha smanjuje.
Zrak, dakle, radi na račun svoje unutrašnje energije: budući da je posuda toplinski izolirana, nema protoka energije u zrak iz bilo kojeg vanjskog izvora, a zrak može crpiti energiju samo za obavljanje posla iz vlastitih rezervi. .
Promjena unutrašnje energije: prijenos topline
Prijenos topline je proces prijenosa unutrašnje energije sa toplijeg tijela na hladnije, koji nije povezan s izvođenjem mehaničkog rada. Prijenos topline može se dogoditi ili putem direktnog kontakta tijela, ili kroz posredni medij (pa čak i kroz vakuum). Prijenos topline se također naziva izmjena toplote.
Postoje tri vrste prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i toplotno zračenje.
Sada ćemo ih detaljnije pogledati.
Toplotna provodljivost
Ako jedan kraj gvozdene šipke stavite u vatru, tada je, kao što znamo, nećete dugo držati u ruci. Ulazak u područje visoke temperature, atomi gvožđa počinju intenzivnije da vibriraju (tj. dobijaju dodatnu kinetičku energiju) i izazivaju jače udare na svoje susede.
Kinetička energija susjednih atoma također se povećava, a sada ti atomi daju dodatnu kinetičku energiju svojim susjedima. Dakle, od odjeljka do odjeljka, toplina se postupno širi duž štapa - od kraja stavljenog u vatru do naše ruke. Ovo je toplotna provodljivost (Slika 1) (Slika sa Educationalelectronicsusa.com).
Rice. 1. Toplotna provodljivost
Toplotna provodljivost je prijenos unutrašnje energije sa više zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane zbog toplinskog kretanja i interakcije čestica tijela..
Toplotna provodljivost različitih supstanci je različita. Metali imaju visoku toplotnu provodljivost: najbolji provodnici toplote su srebro, bakar i zlato. Toplotna provodljivost tečnosti je mnogo manja. Plinovi tako slabo provode toplinu da se smatraju toplinskim izolatorima: molekule plina, zbog velikih udaljenosti između njih, slabo međusobno djeluju. Zbog toga, na primjer, prozori imaju dvostruke okvire: sloj zraka sprječava izlazak topline).
Stoga su porozna tijela poput cigle, vate ili krzna loši provodnici topline. Sadrže zrak u svojim porama. Nije uzalud što se kuće od cigle smatraju najtoplijim, a po hladnom vremenu ljudi se nose bunde i jakne sa slojem donjeg ili punjenog poliestera.
Ali ako zrak tako slabo provodi toplinu, zašto se onda soba zagrijava od radijatora?
To se događa zbog druge vrste prijenosa topline - konvekcije.
Konvekcija
Konvekcija je prijenos unutrašnje energije u tekućinama ili plinovima kao rezultat kruženja strujanja i miješanja tvari.
Zrak u blizini baterije se zagrijava i širi. Sila gravitacije koja djeluje na ovaj zrak ostaje ista, ali se povećava sila uzgona iz okolnog zraka, tako da zagrijani zrak počinje da lebdi do stropa. Na njegovo mjesto dolazi hladan zrak (isti proces, ali u mnogo većim razmjerima, stalno se dešava u prirodi: tako nastaje vjetar), s kojim se ponavlja isto.
Kao rezultat, uspostavlja se cirkulacija zraka, što služi kao primjer konvekcije - širenje topline u prostoriji vrši se strujama zraka.
Potpuno sličan proces može se uočiti i u tekućinama. Kada stavite kotlić ili šerpu sa vodom na šporet, voda se zagreva prvenstveno zbog konvekcije (doprinos toplotnoj provodljivosti vode je vrlo neznatan).
Konvekcijske struje u zraku i tekućini prikazane su na sl. 2 (slike sa physics.arizona.edu).
Rice. 2. Konvekcija
IN čvrste materije nema konvekcije: sile interakcije čestica su velike, čestice osciliraju u blizini fiksnih prostornih tačaka (čvorova) kristalna rešetka), i nikakvi tokovi materije se ne mogu formirati u takvim uslovima.
Za cirkulaciju konvekcijskih struja prilikom grijanja prostorije potrebno je da se zagrijani zrak bilo je prostora da se pojavi. Ako je radijator ugrađen ispod stropa, neće doći do cirkulacije - topli vazduh tako će i ostati ispod plafona. Zbog toga se postavljaju uređaji za grijanje na dnu sobe. Iz istog razloga se stavlja čajnik on požara, zbog čega zagrijani slojevi vode, dižući se, ustupaju mjesto hladnijim.
Naprotiv, klima uređaj treba postaviti što je više moguće: tada će ohlađeni zrak početi da se spušta, a topliji zrak će zauzeti njegovo mjesto. Cirkulacija će ići u suprotnom smjeru u odnosu na kretanje tokova prilikom grijanja prostorije.
Toplotno zračenje
Kako Zemlja prima energiju od Sunca? Toplotna provodljivost i konvekcija su isključeni: dijeli nas 150 miliona kilometara bezzračnog prostora.
Ovdje radi treći tip prijenosa topline - termičko zračenje. Zračenje se može širiti i u materiji i u vakuumu. Kako nastaje?
Ispostavilo se da električni i magnetsko polje Oni su usko povezani jedni s drugima i imaju jedno izuzetno svojstvo. Ako se električno polje mijenja s vremenom, onda ono stvara magnetno polje, koje se, općenito govoreći, također mijenja s vremenom (o tome će se detaljnije govoriti u listu o elektromagnetnoj indukciji). Zauzvrat, naizmjenično magnetno polje stvara naizmjenično električno polje, koje opet stvara naizmjenično magnetsko polje, koje opet stvara naizmjenično električno polje...
Kao rezultat razvoja ovog procesa, elektromagnetni talas- električna i magnetna polja "zahvaćaju" jedno s drugim. Baš kao i zvuk elektromagnetnih talasa imaju brzinu i frekvenciju širenja - u ovom slučaju, to je frekvencija kojom se veličina i smjer polja fluktuiraju u valu. Vidljivo svjetlo - poseban slučaj elektromagnetnih talasa.
Brzina širenja elektromagnetnih talasa u vakuumu je ogromna: km/s. Dakle, svjetlost putuje od Zemlje do Mjeseca za nešto više od jedne sekunde.
Frekvencijski opseg elektromagnetnih talasa je veoma širok. Više o skali elektromagnetnih talasa ćemo govoriti u odgovarajućem letku. Ovdje samo napominjemo da je vidljiva svjetlost mali raspon ove skale. Ispod njega su frekvencije infracrvenog zračenja, a iznad su frekvencije ultraljubičastog zračenja.
Prisjetite se sada da atomi, iako općenito električno neutralni, sadrže pozitivno nabijene protone i negativno nabijene elektrone. Ove nabijene čestice, vršeći haotično kretanje zajedno s atomima, stvaraju naizmjenična električna polja i na taj način emituju elektromagnetne valove. Ovi talasi se zovu termičko zračenje- kao podsjetnik da je njihov izvor toplinsko kretanje čestica materije.
Izvor toplotnog zračenja je svako tijelo. U ovom slučaju, zračenje odnosi dio svoje unutrašnje energije. Susrevši se s atomima drugog tijela, zračenje ih svojim osciliranjem ubrzava električno polje, a unutrašnja energija ovog tijela se povećava. Ovako se kupamo na sunčevim zracima.
Pri normalnim temperaturama, frekvencije toplotnog zračenja leže u infracrvenom opsegu, pa ga oko ne percipira (ne vidimo kako „sjajemo“). Kada se tijelo zagrije, njegovi atomi počinju više emitovati valove visoke frekvencije. Gvozdeni ekser se može zagrijati do crvene vrućine - dovesti do takve temperature da njegovo toplotno zračenje dosegne donji (crveni) dio vidljivog opsega. I Sunce nam izgleda žuto-bijelo: temperatura na površini Sunca je toliko visoka da njegov spektar zračenja sadrži sve frekvencije vidljive svjetlosti, pa čak i ultraljubičastu, zahvaljujući kojoj tamnimo.
Pogledajmo još jednom tri tipa prenosa toplote (slika 3) (slike sa beodom.com).
Rice. 3. Tri vrste prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i zračenje
Čestice bilo kojeg tijela, atoma ili molekula, prolaze kroz haotično, kontinuirano kretanje (tzv. termalno kretanje). Dakle, svaka čestica ima neku kinetičku energiju.
Osim toga, čestice materije međusobno djeluju kroz sile električnog privlačenja i odbijanja, kao i kroz nuklearne sile. Dakle, čitav sistem čestica datog tijela ima i potencijalnu energiju.
Kinetička energija toplotnog kretanja čestica i potencijalna energija njihove interakcije zajedno tvore novu vrstu energije koja se ne svodi na mehaničku energiju tijela (tj. kinetička energija kretanja tijela kao cjeline i potencijalna energija njegove interakcije sa drugim telima). Ova vrsta energije naziva se unutrašnja energija.
Unutrašnja energija tijela je ukupna kinetička energija toplinskog kretanja njegovih čestica plus potencijalna energija njihove međusobne interakcije.
Unutrašnja energija termodinamičkog sistema je zbir unutrašnjih energija tela uključenih u sistem.
Dakle, unutrašnju energiju tijela formiraju sljedeći pojmovi.
1. Kinetička energija kontinuiranog haotičnog kretanja čestica tijela.
2. Potencijalna energija molekula (atoma) zbog sila međumolekulske interakcije.
3. Energija elektrona u atomima.
4. Intranuklearna energija.
IN U slučaju najjednostavnijeg modela idealne gasne supstance, može se dobiti eksplicitna formula za unutrašnju energiju.
8.1 Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa
Potencijalna energija interakcije između čestica idealnog plina je nula (podsjetimo da u modelu idealnog plina zanemarujemo interakciju čestica na udaljenosti). Stoga se unutrašnja energija jednoatomskog idealnog plina svodi na ukupnu kinetičku energiju translacijskog kretanja njegovih atoma. Ova energija se može naći množenjem broja atoma gasa N sa prosečnom kinetičkom energijom E jednog atoma:
U=NE=N
kT = NA
U = 3 2 m RT:
Vidimo da je unutrašnja energija idealnog gasa (čija masa i hemijski sastav su nepromenjeni) funkcija samo njegove temperature. U stvarnom gasu, tečnom ili čvrstom, unutrašnja energija će takođe zavisiti od zapremine, jer se pri promeni zapremine menja relativni raspored čestica i, kao posledica toga, potencijalna energija njihove interakcije.
8 Za poliatomski plin, također se mora uzeti u obzir rotacija molekula i vibracije atoma unutar molekula.
8.2 Funkcija statusa
Najvažnije svojstvo unutrašnje energije je da je ona funkcija stanja termodinamičkog sistema. Naime, unutrašnja energija je jedinstveno određena skupom makroskopskih parametara koji karakterišu sistem, i ne zavisi od „praistorije“ sistema, odnosno od toga u kakvom je stanju sistem bio ranije i kako se konkretno u tom stanju našao. .
Dakle, kada sistem prelazi iz jednog stanja u drugo, promena njegove unutrašnje energije određena je samo početnim i konačnim stanjem sistema i ne zavisi od putanje prelaska iz početnog stanja u konačno stanje. Ako se sistem vrati u prvobitno stanje, tada je promjena njegove unutrašnje energije nula.
Iskustvo pokazuje da postoje samo dva načina da se promijeni unutrašnja energija tijela:
obavljanje mehaničkih radova;
prijenos topline.
Jednostavno rečeno, čajnik možete zagrijati samo na dva suštinski različita načina: trljanjem nečim ili zapaljivanjem :-) Razmotrimo ove metode detaljnije.
8.3 Promjena unutrašnje energije: obavljen posao
Ako se na tijelu vrši rad, tada se povećava unutrašnja energija tijela.
Na primjer, nakon udaranja čekićem, nokat se zagrijava i postaje blago deformiran. Ali temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica u tijelu. Zagrijavanje eksera ukazuje na povećanje kinetičke energije njegovih čestica: u stvari, čestice se ubrzavaju udarom čekića i trenjem eksera o dasku.
Deformacija nije ništa drugo do pomicanje čestica jedna u odnosu na drugu; Nakon udarca nokat doživljava kompresivnu deformaciju, njegove čestice se zbližavaju, sile odbijanja između njih se povećavaju, a to dovodi do povećanja potencijalne energije čestica nokta.
Dakle, povećana je unutrašnja energija nokta. To je bio rezultat rada na njemu; rad su obavljali čekić i sila trenja na dasci.
Ako rad obavlja samo tijelo, tada se unutrašnja energija tijela smanjuje. Neka se, na primjer, komprimirani zrak u toplinski izoliranoj posudi ispod klipa proširi
i podiže određeni teret i na taj način obavlja posao9. Tokom ovog procesa, vazduh će se ohladiti, a njegovi molekuli udare posle klipa u pokretu, dajući mu deo svoje kinetičke energije. (Na isti način, fudbaler, zaustavljajući nogom brzoleteću loptu, pravi pokret nogom od lopte i prigušuje njenu brzinu.) Zbog toga se unutrašnja energija vazduha smanjuje.
Zrak, dakle, radi na račun svoje unutrašnje energije: budući da je posuda toplinski izolirana, nema protoka energije u zrak iz bilo kojeg vanjskog izvora, a zrak može crpiti energiju samo za obavljanje posla iz vlastitih rezervi. .
8.4 Promjena unutrašnje energije: prijenos topline
Prijenos topline je proces prijenosa unutrašnje energije sa toplijeg tijela na hladnije, koji nije povezan s obavljanjem mehaničkog rada. Prijenos topline može se dogoditi ili putem direktnog kontakta tijela, ili kroz posredni medij (pa čak i kroz vakuum). Prenos toplote se takođe naziva razmena toplote.
9 Proces u toplinski izoliranoj posudi naziva se adijabatskim. Proučavat ćemo adijabatski proces gledajući prvi zakon termodinamike.
Postoje tri vrste prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i toplotno zračenje. Sada ćemo ih detaljnije pogledati.
8.5 Toplotna provodljivost
Ako jedan kraj gvozdene šipke stavite u vatru, tada je, kao što znamo, nećete dugo držati u ruci. Jednom u području visoke temperature, atomi željeza počinju intenzivnije da vibriraju (tj. dobijaju dodatnu kinetičku energiju) i izazivaju jače udare na svoje susjede.
Kinetička energija susjednih atoma također se povećava, a sada ti atomi daju dodatnu kinetičku energiju svojim susjedima. Tako se od dijela do odjeljka toplina postupno širi duž štapa od kraja stavljenog u vatru do naše ruke. Ovo je toplotna provodljivost (slika 18)10.
Rice. 18. Toplotna provodljivost
Toplotna provodljivost je prijenos unutrašnje energije sa više zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane zbog toplinskog kretanja i interakcije čestica tijela.
Toplotna provodljivost različitih supstanci je različita. Metali imaju visoku toplotnu provodljivost: najbolji provodnici toplote su srebro, bakar i zlato. Toplotna provodljivost tečnosti je mnogo manja. Plinovi tako slabo provode toplinu da se smatraju toplinskim izolatorima: molekule plina, zbog velikih udaljenosti između njih, slabo međusobno djeluju. Zbog toga, na primjer, prozori imaju dvostruke okvire: sloj zraka sprječava izlazak topline).
Stoga su porozna tijela kao što su cigla, vuna ili krzno slabi provodnici topline. Sadrže zrak u svojim porama. Nije uzalud što se kuće od cigle smatraju najtoplijim, a po hladnom vremenu ljudi nose bunde i jakne sa slojem paperja ili sintetičke podloge.
Ali ako zrak tako slabo provodi toplinu, zašto se onda soba zagrijava od radijatora? To se događa zbog druge vrste prijenosa topline, konvekcije.
8.6 Konvekcija
Konvekcija je prijenos unutrašnje energije u tekućinama ili plinovima kao rezultat kruženja strujanja i miješanja tvari.
Zrak u blizini baterije se zagrijava i širi. Sila gravitacije koja djeluje na ovaj zrak ostaje ista, ali se povećava sila uzgona iz okolnog zraka, tako da zagrijani zrak počinje da lebdi do stropa. Na njegovo mjesto dolazi hladan
10 Slika sa web stranice Educationalelectronicsusa.com.
air11, sa kojim se ponavlja ista stvar.
Kao rezultat, uspostavlja se cirkulacija zraka, koja služi kao primjer konvekcije, distribucija topline u prostoriji se vrši strujama zraka.
Potpuno sličan proces može se uočiti i u tekućinama. Kada stavite kotlić ili šerpu sa vodom na šporet, voda se zagreva prvenstveno zbog konvekcije (doprinos toplotnoj provodljivosti vode je vrlo neznatan).
Konvekcijske struje u zraku i tekućini prikazane su12 na slici 19.
Rice. 19. Konvekcija
U čvrstim tijelima nema konvekcije: sile interakcije između čestica su velike, čestice osciliraju u blizini fiksnih prostornih tačaka (čvorova kristalne rešetke) i u takvim uvjetima ne mogu se formirati tokovi materije.
Za cirkulaciju konvekcijskih struja prilikom grijanja prostorije potrebno je da zagrijani zrak ima gdje da pluta. Ako je radijator postavljen ispod plafona, onda neće doći do cirkulacije, topli vazduh će ostati ispod plafona. Zbog toga se grijaći uređaji postavljaju na dno prostorije. Iz istog razloga, kotlić se stavlja na vatru, zbog čega zagrijani slojevi vode, dižući se, ustupaju mjesto hladnijim.
Naprotiv, klima uređaj treba postaviti što je više moguće: tada će ohlađeni zrak početi da se spušta, a topliji zrak će zauzeti njegovo mjesto. Cirkulacija će ići u suprotnom smjeru u odnosu na kretanje tokova prilikom grijanja prostorije.
8.7 Toplotno zračenje
Kako Zemlja prima energiju od Sunca? Toplotna provodljivost i konvekcija su isključeni: dijeli nas 150 miliona kilometara bezzračnog prostora.
Treća vrsta prenosa toplote na delu je toplotno zračenje. Zračenje se može širiti i u materiji i u vakuumu. Kako nastaje?
Ispostavilo se da su električna i magnetna polja usko povezana jedno s drugim i imaju jedno izvanredno svojstvo. Ako se električno polje mijenja s vremenom, onda ono stvara magnetno polje, koje se, općenito govoreći, također mijenja s vremenom13. Zauzvrat, naizmjenično magnetsko polje stvara naizmjenično električno polje, koje opet stvara naizmjenično magnetsko polje, koje opet stvara naizmjenično električno polje. . .
11 Isti proces, ali u mnogo većim razmjerima, stalno se događa u prirodi: tako nastaje vjetar.
12 slika sa physics.arizona.edu.
13 O tome će se detaljnije govoriti u elektrodinamici, u temi o elektromagnetnoj indukciji.
Kao rezultat razvoja ovog procesa, u svemiru se širi elektromagnetski talas sa električnim i magnetskim poljima povezanim jedno s drugim. Kao i zvuk, elektromagnetski valovi imaju brzinu širenja i frekvenciju; u ovom slučaju, to je frekvencija kojom se veličina i smjer polja fluktuiraju u valu. Vidljiva svjetlost je poseban slučaj elektromagnetnih valova.
Brzina širenja elektromagnetnih talasa u vakuumu je ogromna: 300.000 km/s. Dakle, svjetlost putuje od Zemlje do Mjeseca za nešto više od jedne sekunde.
Frekvencijski opseg elektromagnetnih talasa je veoma širok. Više o skali elektromagnetnih talasa ćemo govoriti u odgovarajućem letku. Ovdje samo napominjemo da je vidljiva svjetlost mali raspon ove skale. Ispod njega leže frekvencije infracrvenog zračenja, iznad frekvencije ultraljubičastog zračenja.
Prisjetite se sada da atomi, iako općenito električno neutralni, sadrže pozitivno nabijene protone i negativno nabijene elektrone. Ove nabijene čestice, vršeći haotično kretanje zajedno s atomima, stvaraju naizmjenična električna polja i na taj način emituju elektromagnetne valove. Ovi talasi se nazivaju toplotno zračenje kao podsetnik da je njihov izvor toplotno kretanje čestica materije.
Izvor toplotnog zračenja je svako tijelo. U ovom slučaju, zračenje odnosi dio svoje unutrašnje energije. Susrevši atome drugog tijela, zračenje ih ubrzava svojim oscilirajućim električnim poljem, a unutarnja energija ovog tijela se povećava. Ovako se kupamo na sunčevim zracima.
Pri normalnim temperaturama, frekvencije toplotnog zračenja leže u infracrvenom opsegu, pa ga oko ne percipira (ne vidimo kako „sjajemo“). Kada se tijelo zagrije, njegovi atomi počinju emitovati valove viših frekvencija. Gvozdeni ekser se može zagrijati do takve temperature da njegovo toplotno zračenje dosegne donji (crveni) dio vidljivog opsega. A Sunce nam izgleda žuto-bijelo: temperatura na površini Sunca je toliko visoka (6000 C) da njegov spektar zračenja sadrži sve frekvencije vidljive svjetlosti, pa čak i ultraljubičastu, zahvaljujući kojoj tamnimo.
Pogledajmo još jednom tri tipa prenosa toplote (slika 20)14.
Rice. 20. Tri vrste prenosa toplote: toplotna provodljivost, konvekcija, zračenje
14 slika sa beodom.com.