Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους.
Αν γίνει δουλειά σε ένα σώμα, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται.
Εάν η εργασία γίνεται από το ίδιο το σώμα, η εσωτερική του ενέργεια μειώνεται.
Συνολικά, υπάρχουν τρεις απλοί (στοιχειώδεις) τύποι μεταφοράς θερμότητας:
Θερμική αγωγιμότητα
· Συναγωγή
Συναγωγή είναι το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας σε υγρά ή αέρια ή κοκκώδη μέσα από ροές ύλης. Υπάρχει ένα λεγόμενο. φυσική συναγωγή, η οποία συμβαίνει αυθόρμητα σε μια ουσία όταν θερμαίνεται άνισα σε ένα βαρυτικό πεδίο. Με μια τέτοια μεταφορά, τα κατώτερα στρώματα της ύλης θερμαίνονται, γίνονται ελαφρύτερα και επιπλέουν, ενώ τα ανώτερα στρώματα, αντίθετα, κρυώνουν, γίνονται βαρύτερα και βυθίζονται, μετά την οποία η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά.
Η θερμική ακτινοβολία ή ακτινοβολία είναι η μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων λόγω της θερμικής τους ενέργειας.
Εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου
Με βάση τον ορισμό του ιδανικού αερίου, του λείπει ένα πιθανό συστατικό εσωτερική ενέργεια(δεν υπάρχουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης μορίων, εκτός από το σοκ). Έτσι, η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου είναι μόνο η κινητική ενέργεια της κίνησης των μορίων του. Προηγουμένως (Εξίσωση 2.10) είχε φανεί ότι η κινητική ενέργεια της μεταφορικής κίνησης των μορίων αερίου είναι ευθέως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία του.
Χρησιμοποιώντας την έκφραση για την καθολική σταθερά αερίου (4.6), μπορεί κανείς να προσδιορίσει την τιμή της σταθεράς α.
Έτσι, η κινητική ενέργεια της μεταγραφικής κίνησης ενός μορίου ενός ιδανικού αερίου θα προσδιοριστεί από την έκφραση.
Σύμφωνα με την κινητική θεωρία, η κατανομή της ενέργειας σε βαθμούς ελευθερίας είναι ομοιόμορφη. Η μεταφραστική κίνηση έχει 3 βαθμούς ελευθερίας. Επομένως, ένας βαθμός ελευθερίας κίνησης ενός μορίου αερίου θα αντιστοιχεί στο 1/3 της κινητικής του ενέργειας. 
Για δύο, τρία και πολυατομικά μόρια αερίου, εκτός από τους βαθμούς ελευθερίας της μεταφορικής κίνησης, υπάρχουν και βαθμοί ελευθερίας περιστροφικής κίνησης του μορίου. Για μόρια διατομικών αερίων, ο αριθμός βαθμών ελευθερίας περιστροφικής κίνησης είναι 2, για τρία και πολυατομικά μόρια - 3.
Δεδομένου ότι η κατανομή της ενέργειας κίνησης ενός μορίου σε όλους τους βαθμούς ελευθερίας είναι ομοιόμορφη και ο αριθμός των μορίων σε ένα kilomol ενός αερίου είναι Nμ, η εσωτερική ενέργεια ενός kilomol ενός ιδανικού αερίου μπορεί να ληφθεί πολλαπλασιάζοντας την έκφραση ( 4.11) από τον αριθμό των μορίων σε ένα kilomol και από τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας κίνησης ενός μορίου ενός δεδομένου αερίου.
όπου Uμ είναι η εσωτερική ενέργεια ενός kilomole αερίου σε J/kmol, i είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας κίνησης ενός μορίου αερίου.
Για 1 - ατομικό αέριο i = 3, για 2 - ατομικό αέριο i = 5, για 3 - ατομικά και πολυατομικά αέρια i = 6.
Ηλεκτρική ενέργεια. Προϋποθέσεις ύπαρξης ηλεκτρικού ρεύματος. EMF. Ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα. Εργασία και τρέχουσα ισχύς. Νόμος Joule-Lenz.
Ανάμεσα στις απαραίτητες προϋποθέσεις για την ύπαρξη ηλεκτρικό ρεύμαδιάκριση μεταξύ: της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων στο περιβάλλον και της δημιουργίας ηλεκτρικού πεδίου στο περιβάλλον. Το ηλεκτρικό πεδίο στο μέσο είναι απαραίτητο για τη δημιουργία μιας κατευθυνόμενης κίνησης ελεύθερων φορτίων. Όπως είναι γνωστό, ένα φορτίο q σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ισχύος Ε επηρεάζεται από μια δύναμη F = qE, η οποία αναγκάζει τα ελεύθερα φορτία να κινηθούν προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Ένα σημάδι της ύπαρξης ηλεκτρικού πεδίου σε έναν αγωγό είναι η παρουσία του μηδένδιαφορά δυναμικού μεταξύ οποιωνδήποτε δύο σημείων του αγωγού.
Ωστόσο, οι ηλεκτρικές δυνάμεις δεν μπορούν πολύς καιρόςδιατήρηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων μετά από κάποιο χρονικό διάστημα οδηγεί σε εξίσωση των δυναμικών στα άκρα του αγωγού και, κατά συνέπεια, στην εξαφάνιση του ηλεκτρικού πεδίου σε αυτόν. Για να διατηρηθεί το ρεύμα στο ηλεκτρικό κύκλωμα, τα φορτία, εκτός από τις δυνάμεις Coulomb, πρέπει να επηρεάζονται από μη ηλεκτρικές δυνάμεις (εξωτερικές δυνάμεις). Μια συσκευή που δημιουργεί εξωτερικές δυνάμεις, διατηρεί διαφορά δυναμικού στο κύκλωμα και μετατρέπει διαφορετικά είδηενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζεται πηγή ρεύματος.
Προϋποθέσεις για την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος:
Η παρουσία φορέων δωρεάν χρέωσης
την παρουσία διαφοράς δυναμικού. αυτές είναι οι προϋποθέσεις για την εμφάνιση ρεύματος. για να υπάρχει το ρεύμα
ένα κλειστό κύκλωμα
μια πηγή εξωτερικών δυνάμεων που διατηρεί μια διαφορά δυναμικού.
Οποιεσδήποτε δυνάμεις ασκούνται σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, με εξαίρεση τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις (Coulomb), ονομάζονται εξωτερικές δυνάμεις.
Ηλεκτροκινητική δύναμη.
Ηλεκτροκινητική Δύναμη (EMF) - Scalar φυσική ποσότηταπου χαρακτηρίζει το έργο των εξωτερικών (μη δυνητικών) δυνάμεων σε πηγές σταθερών ή εναλλασσόμενο ρεύμα. Σε ένα κλειστό αγώγιμο κύκλωμα, το EMF είναι ίσο με το έργο αυτών των δυνάμεων κατά την κίνηση μιας μονάδας θετικό φορτίοκατά μήκος του περιγράμματος.
Η μονάδα EMF, όπως και η τάση, είναι το βολτ. Μπορούμε να μιλήσουμε για την ηλεκτροκινητική δύναμη σε οποιοδήποτε μέρος του κυκλώματος. Η ηλεκτροκινητική δύναμη ενός γαλβανικού στοιχείου είναι αριθμητικά ίση με το έργο των εξωτερικών δυνάμεων όταν μετακινείται ένα μόνο θετικό φορτίο μέσα στο στοιχείο από τον αρνητικό του πόλο στον θετικό. Το πρόσημο του EMF καθορίζεται ανάλογα με την αυθαίρετα επιλεγμένη κατεύθυνση παράκαμψης αυτού του τμήματος του κυκλώματος στο οποίο δεδομένη πηγήρεύμα.
Ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα.
Θεωρήστε το απλούστερο πλήρες κύκλωμα, που αποτελείται από μια πηγή ρεύματος και μια αντίσταση με αντίσταση R. Μια πηγή ρεύματος που έχει EMF ε έχει αντίσταση r, ονομάζεται εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος. Για να λάβουμε τον νόμο του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα, χρησιμοποιούμε το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.
Αφήστε ένα φορτίο q να περάσει από τη διατομή του αγωγού σε χρόνο Δt. Τότε, σύμφωνα με τον τύπο, το έργο των εξωτερικών δυνάμεων κατά τη μετακίνηση του φορτίου q είναι ίσο με . Από τον ορισμό της ισχύος ρεύματος, έχουμε: q = IΔt. Ως εκ τούτου, .
Λόγω του έργου των εξωτερικών δυνάμεων κατά τη διέλευση του ρεύματος στο κύκλωμα, μια ποσότητα θερμότητας απελευθερώνεται στα εξωτερικά και εσωτερικά του τμήματα του κυκλώματος, σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz. ίσο με:
Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας A st \u003d Q, επομένως Επομένως, το EMF της πηγής ρεύματος είναι ίσο με το άθροισμα των πτώσεων τάσης στο εξωτερικό και το εσωτερικό τμήμα του κυκλώματος.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος δεν είναι κάποιου είδους σταθερή τιμή: για το ίδιο σώμα μπορεί να αλλάξει. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει σώμα, η εσωτερική ενέργεια του σώματος αυξάνεται, καθώς αυξάνεται μέση ταχύτητα , και ως εκ τούτου η κινητική ενέργεια, των μορίων αυτού του σώματος. Όσο μειώνεται η θερμοκρασία, αντίθετα μειώνεται και η εσωτερική ενέργεια του σώματος. Έτσι, η εσωτερική ενέργεια του σώματος αλλάζει με την αλλαγή της ταχύτητας κίνησης των μορίων του. Ποιοι είναι οι τρόποι αύξησης ή μείωσης αυτής της ταχύτητας; Ας στραφούμε στην εμπειρία.
Ένας ορειχάλκινος σωλήνας με λεπτά τοιχώματα στερεώνεται σε μια βάση (Εικ. 181), μέσα στην οποία χύνεται λίγος αιθέρας, ο σωλήνας κλείνει καλά με φελλό. Ο σωλήνας τυλίγεται με ένα σχοινί και το σχοινί μετακινείται γρήγορα προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Μετά από λίγο, ο αιθέρας θα βράσει και οι ατμοί του θα σπρώξουν τον φελλό προς τα έξω.Αυτή η εμπειρία δείχνει ότι η εσωτερική ενέργεια του αιθέρα έχει αυξηθεί: στο κάτω-κάτω, έχει θερμανθεί και μάλιστα έχει βράσει. Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας προέκυψε ως αποτέλεσμα της εργασίας που έγινε κατά το τρίψιμο του σωλήνα με ένα σχοινί.
Τα σώματα θερμαίνονται επίσης κατά την κρούση, την επέκταση και την κάμψη, γενικά κατά την παραμόρφωση. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, λόγω τέλεια δουλειάαυξάνεται η εσωτερική ενέργεια του σώματος.
Η εσωτερική ενέργεια λοιπόν τα σώματα μπορούν να μεγεθυνθούν μεκάνοντας εργασίες στο σώμα. Εάν η εργασία γίνεται από το ίδιο το σώμα, τότε η εσωτερική του ενέργεια μειώνεται. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στο ακόλουθο πείραμα.
Πάρτε ένα γυάλινο δοχείο με παχύ τοίχωμα, κλειστό με φελλό. Μέσα από μια ειδική οπή, ο αέρας διοχετεύεται στο δοχείο, το οποίο περιέχει υδρατμούς. Μετά από λίγο, ο φελλός ξεπροβάλλει από το δοχείο (Εικ. 182).Τη στιγμή που ο φελλός σκάει έξω, εμφανίζεται ομίχλη στο δοχείο. Η εμφάνισή του σημαίνει ότι ο αέρας στο σκάφος έχει γίνει πιο κρύος (θυμηθείτε ότι η ομίχλη εμφανίζεται επίσης στο δρόμο κατά τη διάρκεια ενός κρυολογήματος).
Ο πεπιεσμένος αέρας στο δοχείο σπρώχνει τον φελλό και λειτουργεί. Κάνει αυτή τη δουλειά σε βάρος της εσωτερικής του ενέργειας, η οποία ταυτόχρονα μειώνεται. Κρίνουμε τη μείωση της ενέργειας από την ψύξη του αέρα στο δοχείο.
Η εσωτερική ενέργεια του σώματος μπορεί να αλλάξει με άλλο τρόπο.
Είναι γνωστό ότι ένα μπρίκι με νερό που στέκεται πάνω στη σόμπα, ένα μεταλλικό κουτάλι βουτηγμένο σε ένα ποτήρι ζεστό τσάι, μια σόμπα στην οποία ανάβει φωτιά, η οροφή ενός σπιτιού που φωτίζεται από τον ήλιο θερμαίνονται. Σε όλες τις περιπτώσεις, η θερμοκρασία των σωμάτων ανεβαίνει, πράγμα που σημαίνει ότι αυξάνεται και η εσωτερική τους ενέργεια. Πώς εξηγείται η αύξησή του;
Πώς, για παράδειγμα, θερμαίνεται ένα κρύο μεταλλικό κουτάλι βουτηγμένο σε ζεστό τσάι; Πρώτον, η ταχύτητα και η κινητική ενέργεια των μορίων ζεστό νερόπερισσότερη ταχύτητα και κινητική ενέργεια σωματιδίων ψυχρού μετάλλου. Σε εκείνα τα μέρη όπου το κουτάλι έρχεται σε επαφή με το νερό, τα μόρια του ζεστού νερού μεταφέρουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας σε ψυχρά σωματίδια μετάλλου.Επομένως, η ταχύτητα και η ενέργεια των μορίων του νερού μειώνονται κατά μέσο όρο και η ταχύτητα και η ενέργεια των μεταλλικών σωματιδίων αυξάνεται: η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και η θερμοκρασία του κουταλιού αυξάνεται - οι θερμοκρασίες τους σταδιακά εξισώνονται. Με μείωση της κινητικής ενέργειας των μορίων το νερό μειώνεται και η εσωτερική ενέργεια του συνόλουνερό στο ποτήρι, και η εσωτερική ενέργεια του κουταλιού αυξάνεται.
Η διαδικασία αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας, κατά την οποία δεν γίνεται καμία εργασία στο σώμα, και η ενέργεια μεταφέρεται από το ένα σωματίδιο στο άλλο, ονομάζεται μεταφορά θερμότητας. Έτσι, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους: μηχανική εργασία ή μεταφορά θερμότητας.
Όταν το σώμα έχει ήδη θερμανθεί, δεν μπορούμε να υποδείξουμε με ποιον από τους δύο τρόπους έγινε αυτό. Έτσι, κρατώντας στα χέρια μας μια θερμαινόμενη ατσάλινη βελόνα, δεν μπορούμε να πούμε με ποιον τρόπο θερμάνθηκε - τρίβοντάς την ή βάζοντάς την σε φλόγα.
Ερωτήσεις. 1.Δώστε παραδείγματα που δείχνουν ότι η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος αυξάνεται όταν γίνεται εργασία στο σώμα. 2. Περιγράψτε ένα πείραμα που δείχνει ότι ένα σώμα μπορεί να κάνει δουλειά λόγω εσωτερικής ενέργειας. 3. Δώστε παραδείγματα αύξησης της εσωτερικής ενέργειας του σώματος με μεταφορά θερμότητας. 4. Εξηγήστε τη μεταφορά θερμότητας με βάση τη μοριακή δομή της ύλης. 5. Με ποιους δύο τρόπους μπορεί να αλλάξει η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος;
Ασκηση.
Τοποθετήστε ένα νόμισμα πέντε καπίκων σε ένα φύλλο κόντρα πλακέ ή ξύλινη σανίδα. Πιέστε το κέρμα στον πίνακα και μετακινήστε το γρήγορα, πρώτα προς τη μία κατεύθυνση και μετά προς την άλλη. Παρατηρήστε πόσες φορές πρέπει να μετακινήσετε το κέρμα έτσι ώστε να γίνει ζεστό, ζεστό. Βγάλτε ένα συμπέρασμα σχετικά με τη σύνδεση μεταξύ της εργασίας που γίνεται και της αύξησης της εσωτερικής ενέργειας του σώματος.
Οποιοδήποτε μακροσκοπικό σώμα έχει ενέργειαλόγω της μικροκατάστασής του. Αυτό ενέργειαπου ονομάζεται εσωτερικός(σημειώνεται U). Είναι ίση με την ενέργεια της κίνησης και της αλληλεπίδρασης των μικροσωματιδίων που αποτελούν το σώμα. Ετσι, εσωτερική ενέργεια ιδανικό αέριοαποτελείται από την κινητική ενέργεια όλων των μορίων του, αφού η αλληλεπίδρασή τους σε αυτή η υπόθεσημπορεί να παραμεληθεί. Ως εκ τούτου εσωτερική ενέργειαεξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του αερίου ( u~Τ).
Το μοντέλο ιδανικού αερίου υποθέτει ότι τα μόρια βρίσκονται σε απόσταση πολλών διαμέτρων μεταξύ τους. Επομένως, η ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια της κίνησης και μπορεί να αγνοηθεί.
Στα πραγματικά αέρια, υγρά και στερεά, η αλληλεπίδραση μικροσωματιδίων (άτομα, μόρια, ιόντα κ.λπ.) δεν μπορεί να παραμεληθεί, αφού επηρεάζει σημαντικά τις ιδιότητές τους. Ως εκ τούτου, τους εσωτερική ενέργειααποτελείται από την κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των μικροσωματιδίων και τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους. Η εσωτερική τους ενέργεια, εκτός από τη θερμοκρασία Τ,θα εξαρτηθεί επίσης από την ένταση V,δεδομένου ότι μια αλλαγή στον όγκο επηρεάζει την απόσταση μεταξύ των ατόμων και των μορίων και, κατά συνέπεια, τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους.
Εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση της κατάστασης του σώματος, η οποία καθορίζεται από τη θερμοκρασία τουΤκαι τόμος V.
Εσωτερική ενέργεια καθορίζεται μοναδικά από τη θερμοκρασίαT και όγκος σώματος V που χαρακτηρίζει την κατάστασή του:U=U(T, V)
Προς την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειαςσώματα, είναι απαραίτητο να αλλάξει πραγματικά είτε η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των μικροσωματιδίων, είτε η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους (ή και τα δύο). Όπως γνωρίζετε, αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους - με μεταφορά θερμότητας ή ως αποτέλεσμα της εκτέλεσης εργασίας. Στην πρώτη περίπτωση, αυτό συμβαίνει λόγω της μεταφοράς ορισμένης ποσότητας θερμότητας Q;στο δεύτερο - λόγω της απόδοσης της εργασίας ΕΝΑ.
Ετσι, η ποσότητα της θερμότητας και η εργασία που γίνεται είναι ένα μέτρο αλλαγής στην εσωτερική ενέργεια του σώματος:
Δ U=Q+ΕΝΑ.
Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια συμβαίνει λόγω μιας ορισμένης ποσότητας θερμότητας που δίνεται ή λαμβάνεται από το σώμα ή λόγω της εκτέλεσης της εργασίας.
Εάν γίνεται μόνο μεταφορά θερμότητας, τότε η αλλαγή εσωτερική ενέργειασυμβαίνει με τη λήψη ή την εκπομπή ορισμένης ποσότητας θερμότητας: Δ U=Q.Όταν θερμαίνεται ή ψύχεται ένα σώμα, ισούται με:
Δ U=Q = εκ(Τ 2 - Τ 1) =εκΔT.
Κατά την τήξη ή την κρυστάλλωση στερεών εσωτερική ενέργειααλλαγές λόγω αλλαγής της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασης των μικροσωματιδίων, επειδή υπάρχουν δομικές αλλαγές στη δομή της ύλης. Στην περίπτωση αυτή, η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι ίση με τη θερμότητα της σύντηξης (κρυστάλλωσης) του σώματος: Δ U-Q pl \u003dλ Μ,Οπου λ - ειδική θερμότητα σύντηξης (κρυστάλλωσης) στερεού σώματος.
Η εξάτμιση υγρών ή η συμπύκνωση ατμών προκαλεί επίσης αλλαγή εσωτερική ενέργεια, που ισούται με τη θερμότητα της εξάτμισης: Δ U=Q p =rm,Οπου r- ειδική θερμότητα εξάτμισης (συμπύκνωσης) του υγρού.
Αλλαγή εσωτερική ενέργειαΤο σώμα λόγω της εκτέλεσης μηχανικής εργασίας (χωρίς μεταφορά θερμότητας) είναι αριθμητικά ίσο με την τιμή αυτής της εργασίας: Δ U=ΕΝΑ.
Εάν μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια συμβεί ως αποτέλεσμα της μεταφοράς θερμότητας, τότεΔ U=Q=εκ(T2 —T1),ήΔ U= Q pl = λ Μ,ήΔ U=Qn =rm.
Επομένως, από την άποψη της μοριακής φυσικής: υλικό από τον ιστότοπο
Εσωτερική ενέργεια του σώματος είναι το άθροισμα της κινητικής ενέργειας της θερμικής κίνησης ατόμων, μορίων ή άλλων σωματιδίων από τα οποία αποτελείται και η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ τους· από θερμοδυναμική άποψη, είναι συνάρτηση της κατάστασης του σώματος (σύστημα σωμάτων), η οποία καθορίζεται μοναδικά από τις μακροπαραμέτρους του - θερμοκρασίαΤκαι τόμος V.
Ετσι, εσωτερική ενέργειαείναι η ενέργεια του συστήματος, η οποία εξαρτάται από αυτό εσωτερική κατάσταση. Αποτελείται από την ενέργεια της θερμικής κίνησης όλων των μικροσωματιδίων του συστήματος (μόρια, άτομα, ιόντα, ηλεκτρόνια κ.λπ.) και την ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους. Πλήρης αξίαείναι σχεδόν αδύνατο να προσδιοριστεί η εσωτερική ενέργεια, επομένως, υπολογίζεται η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας Δ εσύ,που συμβαίνει λόγω μεταφοράς θερμότητας και απόδοσης της εργασίας.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος είναι ίση με το άθροισμα της κινητικής ενέργειας της θερμικής κίνησης και της δυναμικής ενέργειας αλληλεπίδρασης των μικροσωματιδίων που το αποτελούν.
Σε αυτή τη σελίδα, υλικό για τα θέματα:
Είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μοναδικά η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος
Το σώμα έχει ενέργεια
Έκθεση φυσικής για την εσωτερική ενέργεια
Από ποιες μακροπαραμέτρους εξαρτάται η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου
-
Θέματα του κωδικοποιητή USEΛέξεις κλειδιά: εσωτερική ενέργεια, μεταφορά θερμότητας, τύποι μεταφοράς θερμότητας.
Τα σωματίδια οποιουδήποτε σώματος -άτομα ή μόρια- εκτελούν μια χαοτική αδιάκοπη κίνηση (το λεγόμενο θερμική κίνηση ). Επομένως, κάθε σωματίδιο έχει κάποια κινητική ενέργεια.
Επιπλέον, τα σωματίδια της ύλης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τις δυνάμεις ηλεκτρικής έλξης και απώθησης, καθώς και μέσω πυρηνικών δυνάμεων. Επομένως, ολόκληρο το σύστημα των σωματιδίων δεδομένο σώμαέχει επίσης δυναμική ενέργεια.
Η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων και η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μαζί σχηματίζονται το νέο είδοςενέργεια, η οποία δεν ανάγεται στη μηχανική ενέργεια του σώματος (δηλαδή, την κινητική ενέργεια της κίνησης του σώματος στο σύνολό του και τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής του με άλλα σώματα). Αυτό το είδος ενέργειας ονομάζεται εσωτερική ενέργεια.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος είναι η συνολική κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων του συν τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους.
Η εσωτερική ενέργεια ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι το άθροισμα των εσωτερικών ενεργειών των σωμάτων που περιλαμβάνονται στο σύστημα.
Έτσι, η εσωτερική ενέργεια του σώματος σχηματίζεται από τους παρακάτω όρους.
1. Κινητική ενέργεια συνεχούς χαοτικής κίνησης σωματιδίων του σώματος.
2. Δυνητική ενέργεια μορίων (ατόμων), λόγω των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης.
3. Ενέργεια ηλεκτρονίων στα άτομα.
4. Ενδομυρηνική ενέργεια.Οταν το απλούστερο μοντέλοουσία - ένα ιδανικό αέριο - για την εσωτερική ενέργεια, μπορείτε να πάρετε έναν σαφή τύπο.
Εσωτερική ενέργεια ενός μονοατομικού ιδανικού αερίου
Η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων ενός ιδανικού αερίου είναι μηδέν (υπενθυμίζουμε ότι στο μοντέλο ιδανικού αερίου παραβλέπουμε την αλληλεπίδραση των σωματιδίων σε απόσταση). Επομένως, η εσωτερική ενέργεια ενός μονοατομικού ιδανικού αερίου μειώνεται στη συνολική κινητική ενέργεια της μεταφραστικής (για ένα πολυατομικό αέριο πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η περιστροφή των μορίων και οι δονήσεις των ατόμων μέσα στα μόρια) των ατόμων του. Αυτή η ενέργεια μπορεί να βρεθεί πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των ατόμων αερίου με τη μέση κινητική ενέργεια ενός ατόμου:
Βλέπουμε ότι η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου (μάζα και χημική σύνθεσηπου είναι αμετάβλητα) είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας του. Για ένα πραγματικό αέριο, υγρό ή στερεό, η εσωτερική ενέργεια θα εξαρτηθεί επίσης από τον όγκο - εξάλλου, όταν αλλάζει ο όγκος, αλλάζει η σχετική θέση των σωματιδίων και, ως εκ τούτου, η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους.
Λειτουργία του κράτους
Η πιο σημαντική ιδιότητα της εσωτερικής ενέργειας είναι ότι είναι κρατική λειτουργίαθερμοδυναμικό σύστημα. Δηλαδή, η εσωτερική ενέργεια καθορίζεται μοναδικά από ένα σύνολο μακροσκοπικών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν το σύστημα και δεν εξαρτάται από την «προϊστορία» του συστήματος, δηλ. σχετικά με την κατάσταση στην οποία βρισκόταν το σύστημα πριν και πόσο συγκεκριμένα κατέληξε σε αυτή την κατάσταση.
Έτσι, κατά τη μετάβαση ενός συστήματος από τη μια κατάσταση στην άλλη, η αλλαγή στην εσωτερική του ενέργεια καθορίζεται μόνο από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος και δεν εξαρτάταιαπό τη διαδρομή της μετάβασης από την αρχική κατάσταση στην τελική. Εάν το σύστημα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση, τότε η μεταβολή στην εσωτερική του ενέργεια είναι μηδέν.
Η εμπειρία δείχνει ότι υπάρχουν μόνο δύο τρόποι για να αλλάξετε την εσωτερική ενέργεια του σώματος:
Εκτέλεση μηχανικών εργασιών;
μεταφορά θερμότητας.Με απλά λόγια, μπορείτε να ζεστάνετε τον βραστήρα μόνο με δύο βασικά διαφορετικοί τρόποι: τρίψτε το με κάτι ή βάλτε το στη φωτιά :-) Ας εξετάσουμε αυτές τις μεθόδους με περισσότερες λεπτομέρειες.
Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια: δουλειά
Αν γίνει δουλειά πάνω απόσώμα, η εσωτερική ενέργεια του σώματος αυξάνεται.
Για παράδειγμα, ένα καρφί μετά το χτύπημα με ένα σφυρί θερμαίνεται και παραμορφώνεται λίγο. Αλλά η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων ενός σώματος. Η θέρμανση ενός καρφιού υποδηλώνει αύξηση της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων του: στην πραγματικότητα, τα σωματίδια επιταχύνονται από ένα χτύπημα σφυριού και από την τριβή του καρφιού πάνω στη σανίδα.
Η παραμόρφωση δεν είναι παρά η μετατόπιση των σωματιδίων μεταξύ τους. Μετά την κρούση, το νύχι υφίσταται παραμόρφωση συμπίεσης, τα σωματίδια του πλησιάζουν το ένα το άλλο, οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ τους αυξάνονται και αυτό οδηγεί σε αύξηση της δυναμικής ενέργειας των σωματιδίων του νυχιού.
Έτσι, η εσωτερική ενέργεια του νυχιού έχει αυξηθεί. Αυτό ήταν το αποτέλεσμα της δουλειάς που έγινε σε αυτό - η δουλειά έγινε από το σφυρί και τη δύναμη της τριβής στην σανίδα.
Αν γίνει η δουλειά μόνοι μαςσώμα, τότε η εσωτερική ενέργεια του σώματος μειώνεται.
Αφήστε, για παράδειγμα, πεπιεσμένο αέρα σε ένα θερμικά μονωμένο δοχείο κάτω από ένα έμβολο να διασταλεί και να ανυψώσει ένα ορισμένο φορτίο, κάνοντας έτσι εργασία (η διαδικασία σε ένα θερμικά μονωμένο δοχείο ονομάζεται αδιαβατικός. Θα μελετήσουμε την αδιαβατική διαδικασία εξετάζοντας τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής). Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας διαδικασίας, ο αέρας θα ψυχθεί - τα μόριά του, που χτυπούν μετά το κινούμενο έμβολο, του δίνουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας. (Με τον ίδιο τρόπο, ένας ποδοσφαιριστής, σταματώντας με το πόδι μια μπάλα που πετάει γρήγορα, κάνει μια κίνηση με το πόδι του απόμπάλα και σβήνει την ταχύτητά του.) Επομένως, η εσωτερική ενέργεια του αέρα μειώνεται.
Ο αέρας, επομένως, λειτουργεί λόγω της εσωτερικής του ενέργειας: δεδομένου ότι το σκάφος είναι θερμικά μονωμένο, δεν υπάρχει εισροή ενέργειας στον αέρα από εξωτερικές πηγές και ο αέρας μπορεί να αντλήσει ενέργεια για να κάνει εργασία μόνο από τα δικά του αποθέματα.
Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια: μεταφορά θερμότητας
Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς εσωτερικής ενέργειας από ένα θερμότερο σώμα σε ένα ψυχρότερο, που δεν σχετίζεται με την απόδοση μηχανικής εργασίας.. Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άμεση επαφή των σωμάτων, είτε μέσω ενδιάμεσου μέσου (και ακόμη και μέσω κενού). Η μεταφορά θερμότητας ονομάζεται επίσης ανταλλαγή θερμότητας.
Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, μεταφορά και θερμική ακτινοβολία.
Τώρα θα τα δούμε πιο αναλυτικά.
Θερμική αγωγιμότητα
Εάν βάλετε μια σιδερένια ράβδο με τη μία άκρη στη φωτιά, τότε, όπως ξέρουμε, δεν μπορείτε να την κρατήσετε στο χέρι σας για πολλή ώρα. Μπαίνοντας στην περιοχή υψηλή θερμοκρασία, τα άτομα σιδήρου αρχίζουν να δονούνται πιο έντονα (δηλαδή αποκτούν επιπλέον κινητική ενέργεια) και προκαλούν ισχυρότερα χτυπήματα στους γείτονές τους.
Η κινητική ενέργεια των γειτονικών ατόμων αυξάνεται επίσης και τώρα αυτά τα άτομα προσδίδουν επιπλέον κινητική ενέργεια στους γείτονές τους. Έτσι, από τμήμα σε τμήμα, η θερμότητα εξαπλώνεται σταδιακά κατά μήκος της ράβδου - από το άκρο που τοποθετείται στη φωτιά μέχρι το χέρι μας. Αυτή είναι η θερμική αγωγιμότητα (Εικ. 1) (Εικόνα από Educationalelectronicsusa.com).
Ρύζι. 1. Θερμική αγωγιμότητα
Θερμική αγωγιμότητα είναι η μεταφορά εσωτερικής ενέργειας από πιο θερμαινόμενα μέρη του σώματος σε λιγότερο θερμαινόμενα λόγω της θερμικής κίνησης και της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων του σώματος..
Η θερμική αγωγιμότητα διαφορετικών ουσιών είναι διαφορετική. Τα μέταλλα έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα: οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι ο άργυρος, ο χαλκός και ο χρυσός. Η θερμική αγωγιμότητα των υγρών είναι πολύ μικρότερη. Τα αέρια μεταδίδουν τη θερμότητα τόσο άσχημα που ανήκουν ήδη σε θερμομονωτές: λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ τους, τα μόρια αερίου αλληλεπιδρούν ασθενώς μεταξύ τους. Γι' αυτό, για παράδειγμα, τα παράθυρα έχουν διπλό πλαίσιο: ένα στρώμα αέρα εμποδίζει τη διαφυγή της θερμότητας).
Επομένως, τα πορώδη σώματα, όπως το τούβλο, το μαλλί ή η γούνα, είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας. Περιέχουν αέρα στους πόρους τους. Δεν είναι περίεργο ότι τα σπίτια από τούβλα θεωρούνται τα πιο ζεστά, και στον παγετό οι άνθρωποι φορούν γούνινα παλτακαι μπουφάν με ένα στρώμα πουπουλένιο ή συνθετικό χειμωνιάτικο.
Αλλά αν ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα τόσο άσχημα, τότε γιατί ζεσταίνεται το δωμάτιο από την μπαταρία;
Αυτό συμβαίνει λόγω ενός άλλου τύπου μεταφοράς θερμότητας - συναγωγής.
Μεταγωγή
Συναγωγή είναι η μεταφορά εσωτερικής ενέργειας σε υγρά ή αέρια ως αποτέλεσμα της κυκλοφορίας των ροών και της ανάμειξης της ύλης.
Ο αέρας κοντά στην μπαταρία θερμαίνεται και διαστέλλεται. Η δύναμη της βαρύτητας που ασκείται σε αυτόν τον αέρα παραμένει η ίδια, αλλά η άνωση από τον περιβάλλοντα αέρα αυξάνεται, έτσι ώστε ο θερμαινόμενος αέρας αρχίζει να επιπλέει προς την οροφή. Στη θέση του έρχεται κρύος αέρας (η ίδια διαδικασία, αλλά σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, εμφανίζεται συνεχώς στη φύση: έτσι αναδύεται ο άνεμος), με τον οποίο επαναλαμβάνεται το ίδιο πράγμα.
Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται η κυκλοφορία του αέρα, η οποία χρησιμεύει ως παράδειγμα μεταφοράς - η κατανομή της θερμότητας στο δωμάτιο πραγματοποιείται από ρεύματα αέρα.
Μια εντελώς ανάλογη διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα υγρό. Όταν βάζετε ένα βραστήρα ή μια κατσαρόλα με νερό στη σόμπα, το νερό θερμαίνεται κυρίως λόγω μεταφοράς (η συμβολή της θερμικής αγωγιμότητας του νερού είναι πολύ ασήμαντη εδώ).
Τα ρεύματα μεταφοράς αέρα και υγρού φαίνονται στο σχ. 2 (εικόνες από το physics.arizona.edu).
Ρύζι. 2. Συναγωγή
ΣΕ στερεάδεν υπάρχει συναγωγή: οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των σωματιδίων είναι μεγάλες, τα σωματίδια ταλαντώνονται κοντά σε σταθερά χωρικά σημεία (κόμβοι κρυσταλλικού πλέγματος), και δεν μπορούν να σχηματιστούν ροές ύλης κάτω από τέτοιες συνθήκες.
Για την κυκλοφορία των ρευμάτων μεταφοράς κατά τη θέρμανση ενός δωματίου, είναι απαραίτητο ο θερμαινόμενος αέρας υπήρχε χώρος να επιπλέει. Εάν το ψυγείο είναι εγκατεστημένο κάτω από την οροφή, τότε δεν θα υπάρξει κυκλοφορία - ζεστός αέραςέτσι κάτω από το ταβάνι και θα παραμείνει. Γι' αυτό τοποθετούνται συσκευές θέρμανσης στον πάτοδωμάτια. Για τον ίδιο λόγο έβαλαν και το μπρίκι επίφωτιά, με αποτέλεσμα τα θερμαινόμενα στρώματα του νερού, ανεβαίνοντας, να δίνουν τη θέση τους σε ψυχρότερα.
Αντίθετα, το κλιματιστικό θα πρέπει να τοποθετηθεί όσο πιο ψηλά γίνεται: τότε ο ψυχρός αέρας θα αρχίσει να κατεβαίνει και στη θέση του θα έρθει θερμότερος αέρας. Η κυκλοφορία θα πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση σε σύγκριση με την κίνηση των ροών κατά τη θέρμανση του δωματίου.
θερμική ακτινοβολία
Πώς παίρνει η Γη ενέργεια από τον Ήλιο; Η αγωγιμότητα και η μεταφορά θερμότητας αποκλείονται: μας χωρίζουν 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα χωρίς αέρα.
Εδώ είναι ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας - θερμική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία μπορεί να διαδοθεί τόσο στην ύλη όσο και στο κενό. Πώς προκύπτει;
Αποδεικνύεται ότι ηλεκτρικό μαγνητικό πεδίοσυνδέονται στενά μεταξύ τους και έχουν μια αξιοσημείωτη ιδιότητα. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει με το χρόνο, τότε δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο, γενικά μιλώντας, αλλάζει επίσης με το χρόνο (περισσότερα για αυτό θα συζητηθούν στο φυλλάδιο για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή). Με τη σειρά του, ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί και πάλι ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο και πάλι δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο ...
Ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης αυτής της διαδικασίας, ηλεκτρομαγνητικό κύμα- «γαντζώνονται» μεταξύ τους ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Όπως ο ήχος Ηλεκτρομαγνητικά κύματαέχουν ταχύτητα και συχνότητα διάδοσης - σε αυτήν την περίπτωση, αυτή είναι η συχνότητα με την οποία το μέγεθος και η κατεύθυνση των πεδίων κυμαίνονται στο κύμα. ορατό φως - ειδική περίπτωσηΗλεκτρομαγνητικά κύματα.
Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό είναι τεράστια: km/s. Έτσι, από τη Γη στη Σελήνη, το φως ταξιδεύει λίγο περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Το εύρος συχνοτήτων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι πολύ ευρύ. Για την κλίμακα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων θα μιλήσουμε περισσότερο στο αντίστοιχο φύλλο. Εδώ σημειώνουμε μόνο ότι το ορατό φως είναι ένα μικρό εύρος αυτής της κλίμακας. Κάτω από αυτό βρίσκονται οι συχνότητες της υπέρυθρης ακτινοβολίας, πάνω - οι συχνότητες της υπεριώδους ακτινοβολίας.
Θυμηθείτε τώρα ότι τα άτομα, όντας γενικά ηλεκτρικά ουδέτερα, περιέχουν θετικά φορτισμένα πρωτόνια και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια, κάνοντας χαοτική κίνηση μαζί με τα άτομα, δημιουργούν εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία και ως εκ τούτου εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτά τα κύματα ονομάζονται θερμική ακτινοβολία- ως υπενθύμιση ότι η πηγή τους είναι η θερμική κίνηση των σωματιδίων της ύλης.
Κάθε σώμα είναι πηγή θερμικής ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, η ακτινοβολία απομακρύνει μέρος της εσωτερικής της ενέργειας. Έχοντας συναντήσει τα άτομα ενός άλλου σώματος, η ακτινοβολία τα επιταχύνει με την ταλάντωσή της ηλεκτρικό πεδίο, και η εσωτερική ενέργεια αυτού του σώματος αυξάνεται. Έτσι λιαζόμαστε στον ήλιο.
Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, οι συχνότητες της θερμικής ακτινοβολίας βρίσκονται στην υπέρυθρη περιοχή, έτσι ώστε το μάτι να μην το αντιλαμβάνεται (δεν βλέπουμε πώς «λάμπουμε»). Όταν ένα σώμα θερμαίνεται, τα άτομα του αρχίζουν να εκπέμπουν κύματα μεγαλύτερα από υψηλές συχνότητες. Ένα σιδερένιο καρφί μπορεί να είναι καυτό - να φτάσει σε τέτοια θερμοκρασία που η θερμική του ακτινοβολία θα πάει στο κάτω (κόκκινο) μέρος της ορατής περιοχής. Και ο Ήλιος μας φαίνεται κίτρινος-άσπρος: η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου είναι τόσο υψηλή που στο φάσμα της ακτινοβολίας του υπάρχουν όλες οι συχνότητες του ορατού φωτός, ακόμη και το υπεριώδες, χάρη στο οποίο κάνουμε ηλιοθεραπεία.
Ας ρίξουμε μια άλλη ματιά στους τρεις τύπους μεταφοράς θερμότητας (Εικόνα 3) (εικόνες από το beodom.com).
Ρύζι. 3. Τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και ακτινοβολία
Τα σωματίδια οποιουδήποτε σώματος, άτομα ή μόρια, εκτελούν μια χαοτική αδιάκοπη κίνηση (τη λεγόμενη θερμική κίνηση). Επομένως, κάθε σωματίδιο έχει κάποια κινητική ενέργεια.
Επιπλέον, τα σωματίδια της ύλης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τις δυνάμεις ηλεκτρικής έλξης και απώθησης, καθώς και μέσω πυρηνικών δυνάμεων. Επομένως, ολόκληρο το σύστημα των σωματιδίων ενός δεδομένου σώματος έχει επίσης δυναμική ενέργεια.
Η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων και η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μαζί σχηματίζουν έναν νέο τύπο ενέργειας που δεν μπορεί να αναχθεί στη μηχανική ενέργεια του σώματος (δηλαδή, η κινητική ενέργεια της κίνησης του σώματος στο σύνολό του και τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής του με άλλα σώματα). Αυτό το είδος ενέργειας ονομάζεται εσωτερική ενέργεια.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος είναι η συνολική κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων του συν τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους.
Η εσωτερική ενέργεια ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι το άθροισμα των εσωτερικών ενεργειών των σωμάτων που περιλαμβάνονται στο σύστημα.
Έτσι, η εσωτερική ενέργεια του σώματος σχηματίζεται από τους παρακάτω όρους.
1. Κινητική ενέργεια συνεχούς χαοτικής κίνησης σωματιδίων του σώματος.
2. Δυνητική ενέργεια μορίων (ατόμων), λόγω των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης.
3. Ενέργεια ηλεκτρονίων σε άτομα.
4. ενδοπυρηνική ενέργεια.
ΣΕ Στην περίπτωση του απλούστερου μοντέλου μιας ιδανικής αέριας ουσίας, μπορεί να ληφθεί ένας σαφής τύπος για την εσωτερική ενέργεια.
8.1 Εσωτερική ενέργεια ενός μονοατομικού ιδανικού αερίου
Η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων ενός ιδανικού αερίου είναι μηδέν (υπενθυμίζουμε ότι στο μοντέλο ιδανικού αερίου παραβλέπουμε την αλληλεπίδραση των σωματιδίων σε απόσταση). Επομένως, η εσωτερική ενέργεια ενός μονατομικού ιδανικού αερίου μειώνεται στη συνολική κινητική ενέργεια της μεταφορικής8 κίνησης των ατόμων του. Αυτή η ενέργεια μπορεί να βρεθεί πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των ατόμων αερίου N με τη μέση κινητική ενέργεια E ενός ατόμου:
U=NE=N
kT=NA
U=32mRT:
Βλέπουμε ότι η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου (του οποίου η μάζα και η χημική σύσταση είναι αμετάβλητες) είναι συνάρτηση μόνο της θερμοκρασίας του. Για ένα πραγματικό αέριο, υγρό ή στερεό, η εσωτερική ενέργεια θα εξαρτηθεί επίσης από τον όγκο, επειδή όταν αλλάζει ο όγκος, αλλάζει η σχετική θέση των σωματιδίων και, ως εκ τούτου, η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους.
8 Σε ένα πολυατομικό αέριο, είναι επίσης απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη η περιστροφή των μορίων και οι δονήσεις των ατόμων μέσα στα μόρια.
8.2 Λειτουργία του κράτους
Η πιο σημαντική ιδιότητα της εσωτερικής ενέργειας είναι ότι είναι συνάρτηση της κατάστασης ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Δηλαδή, η εσωτερική ενέργεια καθορίζεται μοναδικά από ένα σύνολο μακροσκοπικών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν το σύστημα και δεν εξαρτάται από την «προϊστορία» του συστήματος, δηλ. από την κατάσταση στην οποία βρισκόταν το σύστημα πριν και πόσο συγκεκριμένα κατέληξε σε αυτήν την κατάσταση. .
Έτσι, κατά τη μετάβαση ενός συστήματος από τη μια κατάσταση στην άλλη, η αλλαγή στην εσωτερική του ενέργεια καθορίζεται μόνο από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος και δεν εξαρτάται από τη διαδρομή μετάβασης από την αρχική κατάσταση στην τελική. Εάν το σύστημα επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση, τότε η μεταβολή στην εσωτερική του ενέργεια είναι μηδέν.
Η εμπειρία δείχνει ότι υπάρχουν μόνο δύο τρόποι για να αλλάξετε την εσωτερική ενέργεια του σώματος:
εκτέλεση μηχανικών εργασιών?
μεταφορά θερμότητας.
Με απλά λόγια, μπορείτε να ζεστάνετε τον βραστήρα μόνο με δύο βασικά διαφορετικούς τρόπους: τρίψτε τον με κάτι ή βάλτε τον στη φωτιά :-) Ας εξετάσουμε αυτές τις μεθόδους με περισσότερες λεπτομέρειες.
8.3 Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια: δουλειά
Αν γίνει δουλειά στο σώμα, τότε αυξάνεται η εσωτερική ενέργεια του σώματος.
Για παράδειγμα, ένα καρφί μετά το χτύπημα με ένα σφυρί θερμαίνεται και παραμορφώνεται λίγο. Αλλά η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων ενός σώματος. Η θέρμανση ενός καρφιού υποδηλώνει αύξηση της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων του: στην πραγματικότητα, τα σωματίδια επιταχύνονται από ένα χτύπημα σφυριού και από την τριβή του καρφιού πάνω στη σανίδα.
Η παραμόρφωση δεν είναι παρά η μετατόπιση των σωματιδίων μεταξύ τους. Μετά την κρούση, το νύχι υφίσταται παραμόρφωση συμπίεσης, τα σωματίδια του πλησιάζουν το ένα το άλλο, οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ τους αυξάνονται και αυτό οδηγεί σε αύξηση της δυναμικής ενέργειας των σωματιδίων του νυχιού.
Έτσι, η εσωτερική ενέργεια του νυχιού έχει αυξηθεί. Αυτό ήταν το αποτέλεσμα της δουλειάς που έγινε σε αυτό, η δουλειά έγινε από το σφυρί και τη δύναμη της τριβής στην σανίδα.
Εάν η εργασία γίνεται από το ίδιο το σώμα, τότε η εσωτερική ενέργεια του σώματος μειώνεται. Αφήστε, για παράδειγμα, να διασταλεί ο πεπιεσμένος αέρας σε ένα θερμομονωμένο δοχείο κάτω από ένα έμβολο
και σηκώνει ένα ορισμένο φορτίο, κάνοντας έτσι δουλειά9. Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας διαδικασίας, ο αέρας θα ψύχεται από τα μόριά του, χτυπώντας πίσω από το κινούμενο έμβολο, δίνοντάς του μέρος της κινητικής τους ενέργειας. (Με τον ίδιο τρόπο, ένας ποδοσφαιριστής, σταματώντας με το πόδι του μια μπάλα που πετά γρήγορα, την απομακρύνει από την μπάλα και μειώνει την ταχύτητά της.) Επομένως, η εσωτερική ενέργεια του αέρα μειώνεται.
Ο αέρας, επομένως, λειτουργεί λόγω της εσωτερικής του ενέργειας: δεδομένου ότι το σκάφος είναι θερμικά μονωμένο, δεν υπάρχει εισροή ενέργειας στον αέρα από εξωτερικές πηγές και ο αέρας μπορεί να αντλήσει ενέργεια για να κάνει εργασία μόνο από τα δικά του αποθέματα.
8.4 Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια: μεταφορά θερμότητας
Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς εσωτερικής ενέργειας από ένα θερμότερο σώμα σε ένα ψυχρότερο, που δεν σχετίζεται με την απόδοση μηχανικής εργασίας. Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άμεση επαφή των σωμάτων, είτε μέσω ενδιάμεσου μέσου (και ακόμη και μέσω κενού). Η μεταφορά θερμότητας ονομάζεται επίσης μεταφορά θερμότητας.
9 Η διαδικασία σε ένα θερμικά μονωμένο δοχείο ονομάζεται αδιαβατική. Θα μελετήσουμε την αδιαβατική διαδικασία εξετάζοντας τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.
Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, μεταφορά και θερμική ακτινοβολία. Τώρα θα τα δούμε πιο αναλυτικά.
8.5 Θερμική αγωγιμότητα
Εάν βάλετε μια σιδερένια ράβδο με τη μία άκρη στη φωτιά, τότε, όπως ξέρουμε, δεν μπορείτε να την κρατήσετε στο χέρι σας για πολλή ώρα. Μπαίνοντας στην περιοχή της υψηλής θερμοκρασίας, τα άτομα σιδήρου αρχίζουν να δονούνται πιο έντονα (δηλαδή αποκτούν επιπλέον κινητική ενέργεια) και προκαλούν ισχυρότερα χτυπήματα στους γείτονές τους.
Η κινητική ενέργεια των γειτονικών ατόμων αυξάνεται επίσης και τώρα αυτά τα άτομα προσδίδουν επιπλέον κινητική ενέργεια στους γείτονές τους. Έτσι, από τμήμα σε τμήμα, η θερμότητα απλώνεται σταδιακά κατά μήκος της ράβδου από την άκρη που έχει τοποθετηθεί στη φωτιά μέχρι το χέρι μας. Αυτή είναι η θερμική αγωγιμότητα (Εικ. 18)10.
Ρύζι. 18. Θερμική αγωγιμότητα
Θερμική αγωγιμότητα είναι η μεταφορά εσωτερικής ενέργειας από πιο θερμαινόμενα μέρη του σώματος σε λιγότερο θερμαινόμενα λόγω της θερμικής κίνησης και της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων του σώματος.
Η θερμική αγωγιμότητα διαφορετικών ουσιών είναι διαφορετική. Τα μέταλλα έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα: οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι ο άργυρος, ο χαλκός και ο χρυσός. Η θερμική αγωγιμότητα των υγρών είναι πολύ μικρότερη. Τα αέρια μεταδίδουν τη θερμότητα τόσο άσχημα που ανήκουν ήδη σε θερμομονωτές: λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ τους, τα μόρια αερίου αλληλεπιδρούν ασθενώς μεταξύ τους. Γι' αυτό, για παράδειγμα, τα παράθυρα έχουν διπλό πλαίσιο: ένα στρώμα αέρα εμποδίζει τη διαφυγή της θερμότητας).
Επομένως, τα πορώδη σώματα όπως το τούβλο, το μαλλί ή η γούνα είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας. Περιέχουν αέρα στους πόρους τους. Δεν είναι περίεργο ότι τα σπίτια από τούβλα θεωρούνται τα πιο ζεστά, και όταν ο καιρός είναι κρύος οι άνθρωποι φορούν γούνινα παλτά και σακάκια με στρώμα από πούπουλα ή επένδυση από πολυεστέρα.
Αλλά αν ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα τόσο άσχημα, τότε γιατί ζεσταίνεται το δωμάτιο από την μπαταρία; Αυτό οφείλεται σε διαφορετικό τύπο μεταφοράς θερμότητας.
8.6 Συναγωγή
Συναγωγή είναι η μεταφορά εσωτερικής ενέργειας σε υγρά ή αέρια ως αποτέλεσμα της κυκλοφορίας των ροών και της ανάμειξης της ύλης.
Ο αέρας κοντά στην μπαταρία θερμαίνεται και διαστέλλεται. Η δύναμη της βαρύτητας που ασκείται σε αυτόν τον αέρα παραμένει η ίδια, αλλά η άνωση από τον περιβάλλοντα αέρα αυξάνεται, έτσι ώστε ο θερμαινόμενος αέρας αρχίζει να επιπλέει προς την οροφή. Στη θέση του έρχεται το κρύο
10 Εικόνα από την ιστοσελίδα Educationalelectronicsusa.com.
air11, με την οποία επαναλαμβάνεται το ίδιο.
Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται η κυκλοφορία του αέρα, η οποία χρησιμεύει ως παράδειγμα μεταφοράς· η κατανομή της θερμότητας στο δωμάτιο πραγματοποιείται από ρεύματα αέρα.
Μια εντελώς ανάλογη διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα υγρό. Όταν βάζετε ένα βραστήρα ή μια κατσαρόλα με νερό στη σόμπα, το νερό θερμαίνεται κυρίως λόγω μεταφοράς (η συμβολή της θερμικής αγωγιμότητας του νερού είναι πολύ ασήμαντη εδώ).
Τα ρεύματα μεταφοράς αέρα και υγρού φαίνονται12 στο Σχ.19.
Ρύζι. 19. Συναγωγή
Δεν υπάρχει συναγωγή στα στερεά: οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των σωματιδίων είναι μεγάλες, τα σωματίδια ταλαντώνονται κοντά σε σταθερά χωρικά σημεία (οι κόμβοι του κρυσταλλικού πλέγματος) και δεν μπορούν να σχηματιστούν ροές ύλης υπό τέτοιες συνθήκες.
Για την κυκλοφορία των ρευμάτων μεταφοράς κατά τη θέρμανση ενός δωματίου, είναι απαραίτητο ο θερμαινόμενος αέρας να έχει κάπου να επιπλέει. Εάν το ψυγείο τοποθετηθεί κάτω από την οροφή, τότε δεν θα υπάρξει κυκλοφορία ζεστού αέρα, επομένως θα παραμείνει κάτω από την οροφή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι συσκευές θέρμανσης τοποθετούνται στο κάτω μέρος του δωματίου. Για τον ίδιο λόγο, ο βραστήρας μπαίνει στη φωτιά, με αποτέλεσμα τα θερμαινόμενα στρώματα νερού, ανεβαίνοντας, να δίνουν τη θέση τους σε πιο κρύα.
Αντίθετα, το κλιματιστικό θα πρέπει να τοποθετηθεί όσο πιο ψηλά γίνεται: τότε ο ψυχρός αέρας θα αρχίσει να κατεβαίνει και στη θέση του θα έρθει θερμότερος αέρας. Η κυκλοφορία θα πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση σε σύγκριση με την κίνηση των ροών κατά τη θέρμανση του δωματίου.
8.7 θερμική ακτινοβολία
Πώς παίρνει η Γη ενέργεια από τον Ήλιο; Η αγωγιμότητα και η μεταφορά θερμότητας αποκλείονται: μας χωρίζουν 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα χωρίς αέρα.
Ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας είναι η θερμική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία μπορεί να διαδοθεί τόσο στην ύλη όσο και στο κενό. Πώς προκύπτει;
Αποδεικνύεται ότι το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο συνδέονται στενά μεταξύ τους και έχουν μια αξιοσημείωτη ιδιότητα. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει με το χρόνο, τότε δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο, γενικά, αλλάζει και με το χρόνο13. Με τη σειρά του, ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί και πάλι ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο και πάλι δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο. . .
11 Η ίδια διαδικασία, αλλά σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, συμβαίνει συνεχώς στη φύση: έτσι δημιουργείται ο άνεμος.
12 Εικόνες από το physics.arizona.edu.
13 Αυτό θα συζητηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες στην ηλεκτροδυναμική, στο θέμα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης αυτής της διαδικασίας, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα «αγκιστρώθηκε» ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία διαδίδεται στο διάστημα. Όπως ο ήχος, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν ταχύτητα και συχνότητα διάδοσης, σε αυτήν την περίπτωση, αυτή είναι η συχνότητα με την οποία το μέγεθος και η κατεύθυνση των πεδίων κυμαίνονται στο κύμα. Το ορατό φως είναι μια ειδική περίπτωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό είναι τεράστια: 300.000 km/s. Έτσι, από τη Γη στη Σελήνη, το φως ταξιδεύει λίγο περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Το εύρος συχνοτήτων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι πολύ ευρύ. Για την κλίμακα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων θα μιλήσουμε περισσότερο στο αντίστοιχο φύλλο. Εδώ σημειώνουμε μόνο ότι το ορατό φως είναι ένα μικρό εύρος αυτής της κλίμακας. Κάτω από αυτό βρίσκονται οι συχνότητες της υπέρυθρης ακτινοβολίας, πάνω από τη συχνότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας.
Θυμηθείτε τώρα ότι τα άτομα, όντας γενικά ηλεκτρικά ουδέτερα, περιέχουν θετικά φορτισμένα πρωτόνια και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια, κάνοντας χαοτική κίνηση μαζί με τα άτομα, δημιουργούν εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία και ως εκ τούτου εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτά τα κύματα ονομάζονται θερμική ακτινοβολία ως υπενθύμιση ότι η πηγή τους είναι η θερμική κίνηση των σωματιδίων της ύλης.
Κάθε σώμα είναι πηγή θερμικής ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, η ακτινοβολία απομακρύνει μέρος της εσωτερικής της ενέργειας. Έχοντας συναντήσει τα άτομα ενός άλλου σώματος, η ακτινοβολία τα επιταχύνει με το ταλαντούμενο ηλεκτρικό της πεδίο και η εσωτερική ενέργεια αυτού του σώματος αυξάνεται. Έτσι λιαζόμαστε στον ήλιο.
Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, οι συχνότητες της θερμικής ακτινοβολίας βρίσκονται στην υπέρυθρη περιοχή, έτσι ώστε το μάτι να μην το αντιλαμβάνεται (δεν βλέπουμε πώς «λάμπουμε»). Όταν ένα σώμα θερμαίνεται, τα άτομα του αρχίζουν να εκπέμπουν κύματα υψηλότερων συχνοτήτων. Ένα σιδερένιο καρφί μπορεί να θερμανθεί καυτό σε τέτοια θερμοκρασία που η θερμική του ακτινοβολία θα πάει στο κάτω (κόκκινο) μέρος του ορατού εύρους. Και ο Ήλιος μας φαίνεται κίτρινο-λευκό: η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου είναι τόσο υψηλή (6000 C) που στο φάσμα της ακτινοβολίας του υπάρχουν όλες οι συχνότητες του ορατού φωτός, ακόμη και το υπεριώδες, χάρη στο οποίο κάνουμε ηλιοθεραπεία.
Ας ρίξουμε μια άλλη ματιά στους τρεις τύπους μεταφοράς θερμότητας (Εικόνα 20)14.
Ρύζι. 20. Τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή, ακτινοβολία
14 Εικόνες από το beodom.com.