Iekšējo enerģiju var mainīt divos veidos.
Ja tiek veikts darbs pie ķermeņa, tā iekšējā enerģija palielinās.
Ja ķermenis pats veic darbu, tā iekšējā enerģija samazinās.
Ir trīs vienkārši (elementāri) siltuma pārneses veidi:
Siltumvadītspēja
Konvekcija
Konvekcija ir siltuma pārneses parādība šķidrumos vai gāzēs vai granulētā vidē ar vielu plūsmām. Ir ts dabiskā konvekcija, kas vielā notiek spontāni, ja tā tiek nevienmērīgi uzkarsēta gravitācijas laukā. Ar šādu konvekciju vielas apakšējie slāņi uzsilst, kļūst vieglāki un uzpeld, savukārt augšējie, gluži pretēji, atdziest, kļūst smagāki un nogrimst, pēc tam process atkārtojas atkal un atkal.
Termiskais starojums jeb starojums ir enerģijas pārnešana no viena ķermeņa uz otru elektromagnētisko viļņu veidā to siltumenerģijas dēļ.
Ideālas gāzes iekšējā enerģija
Pamatojoties uz ideālās gāzes definīciju, tai trūkst potenciāla komponenta iekšējā enerģija(starp molekulām nav mijiedarbības spēku, izņemot triecienu). Tādējādi ideālas gāzes iekšējā enerģija atspoguļo tikai tās molekulu kustības kinētisko enerģiju. Iepriekš (2.10. vienādojums) tika parādīts, ka gāzes molekulu translācijas kustības kinētiskā enerģija ir tieši proporcionāla tās absolūtajai temperatūrai.
Izmantojot universālās gāzes konstantes (4.6) izteiksmi, varam noteikt konstantes α vērtību.
Tādējādi ideālās gāzes vienas molekulas translācijas kustības kinētisko enerģiju noteiks izteiksme.
Saskaņā ar kinētisko teoriju enerģijas sadalījums pa brīvības pakāpēm ir vienmērīgs. Translācijas kustībai ir 3 brīvības pakāpes. Līdz ar to viena gāzes molekulas kustības brīvības pakāpe veidos 1/3 tās kinētiskās enerģijas. 
Divu, trīs un poliatomu gāzes molekulām papildus translācijas kustības brīvības pakāpēm ir arī molekulas rotācijas kustības brīvības pakāpes. Divatomu gāzes molekulām rotācijas kustības brīvības pakāpju skaits ir 2, trīs un poliatomu molekulām - 3.
Tā kā molekulas kustības enerģijas sadalījums pa visām brīvības pakāpēm ir vienmērīgs un molekulu skaits vienā kilomolā gāzes ir vienāds ar Nμ, ideālās gāzes viena kilomola iekšējo enerģiju var iegūt, reizinot izteiksmi. (4.11) pēc molekulu skaita vienā kilomolā un pēc dotās gāzes molekulas kustības brīvības pakāpju skaita .
kur Uμ ir kilomola gāzes iekšējā enerģija J/kmol, i ir gāzes molekulas kustības brīvības pakāpju skaits.
1 - atomu gāzei i = 3, 2 - atomu gāzei i = 5, 3 - atomu un daudzatomu gāzēm i = 6.
Elektrība. Elektriskās strāvas pastāvēšanas nosacījumi. EMF. Oma likums pilnīgai ķēdei. Darbs un strāvas jauda. Džoula-Lenca likums.
Starp eksistencei nepieciešamajiem nosacījumiem elektriskā strāva atšķirt: brīvu elektrisko lādiņu klātbūtni vidē un elektriskā lauka radīšanu vidē. Elektriskais lauks vidē ir nepieciešams, lai radītu brīvo lādiņu virziena kustību. Kā zināms, uz lādiņu q elektriskajā laukā ar intensitāti E iedarbojas spēks F = qE, kas liek brīvajiem lādiņiem kustēties elektriskā lauka virzienā. Elektriskā lauka esamības pazīme vadītājā ir klātbūtne vienāds ar nulli potenciālu starpība starp jebkuriem diviem vadītāja punktiem.
Tomēr elektriskie spēki nevar ilgu laiku uzturēt elektrisko strāvu. Elektrisko lādiņu virzīta kustība pēc kāda laika noved pie potenciālu izlīdzināšanas vadītāja galos un līdz ar to arī elektriskā lauka izzušanas tajā. Lai uzturētu strāvu elektriskajā ķēdē, lādiņi papildus Kulona spēkiem ir jāpakļauj arī neelektriskiem spēkiem (ārējiem spēkiem). Ierīce, kas rada ārējos spēkus, uztur potenciālu starpību ķēdē un pārvērš Dažādi enerģiju elektroenerģijā sauc par strāvas avotu.
Nosacījumi elektriskās strāvas pastāvēšanai:
brīvo lādiņu nesēju klātbūtne
· potenciālu starpības klātbūtne. tie ir strāvas rašanās nosacījumi. lai strāva pastāvētu
· slēgta ķēde
· ārējo spēku avots, kas uztur potenciālo starpību.
Jebkurus spēkus, kas iedarbojas uz elektriski lādētām daļiņām, izņemot elektrostatiskos (Kulona) spēkus, sauc par svešiem spēkiem.
Elektromotora spēks.
Elektromotora spēks (EMF) - skalārs fiziskais daudzums, raksturojot trešo pušu (nepotenciālo) spēku darbu avotos pastāvīgu vai maiņstrāva. Slēgtā vadošā kontūrā EMF ir vienāds ar šo spēku darbu vienības pārvietošanai pozitīvs lādiņš pa kontūru.
EML mērvienība, tāpat kā spriegums, ir volts. Mēs varam runāt par elektromotora spēku jebkurā ķēdes daļā. Galvaniskās šūnas elektromotora spēks ir skaitliski vienāds ar ārējo spēku darbu, pārvietojot vienu pozitīvo lādiņu elementa iekšpusē no tā negatīvā pola uz pozitīvo. EML zīme tiek noteikta atkarībā no patvaļīgi izvēlētā virziena, lai apietu ķēdes posmu, kurā tas ir ieslēgts šis avots strāva
Oma likums pilnīgai ķēdei.
Apskatīsim vienkāršāko pilno ķēdi, kas sastāv no strāvas avota un rezistora ar pretestību R. Strāvas avotam ar emf ε ir pretestība r, to sauc par strāvas avota iekšējo pretestību. Lai iegūtu Ohma likumu pilnīgai ķēdei, mēs izmantojam enerģijas nezūdamības likumu.
Ļaujiet lādiņam q iziet cauri vadītāja šķērsgriezumam laikā Δt. Tad saskaņā ar formulu ārējo spēku darbs, pārvietojot lādiņu q, ir vienāds ar . No strāvas stipruma definīcijas mums ir: q = IΔt. Līdz ar to,.
Ārējo spēku darba dēļ, strāvai šķērsojot ķēdi, tās ārējās un iekšējās ķēdes daļās izdalās siltuma daudzums saskaņā ar Džoula-Lenca likumu. vienāds:
Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu A st = Q, tāpēc Tādējādi strāvas avota emf ir vienāds ar sprieguma kritumu summu ķēdes ārējā un iekšējā daļā.
Ķermeņa iekšējā enerģija nav kaut kāds nemainīgs lielums: tā var mainīties vienam un tam pašam ķermenim. Temperatūrai paaugstinoties ķermeņa iekšējā enerģija palielinās, tai pieaugot Vidējais ātrums , un līdz ar to šī ķermeņa molekulu kinētisko enerģiju. Pazeminoties temperatūrai, gluži pretēji, samazinās ķermeņa iekšējā enerģija. Tādējādi, mainoties tā molekulu kustības ātrumam, mainās ķermeņa iekšējā enerģija. Kādos veidos šo ātrumu var palielināt vai samazināt? Pievērsīsimies pieredzei.
Uz statīva (181. att.) ir plānsienu misiņa caurule, kurā ieliets nedaudz ētera, caurule ir cieši noslēgta ar aizbāzni. Ap cauruli tiek aptīta virve, un virve tiek ātri pārvietota vienā vai otrā virzienā. Pēc kāda laika ēteris uzvārīsies un tā tvaiki izspiedīs kontaktdakšu.Šis eksperiments parāda, ka ētera iekšējā enerģija ir palielinājusies: galu galā tas ir uzkarsis un pat uzvārījies. Iekšējās enerģijas pieaugums radās veiktā darba rezultātā, berzējot cauruli ar virvi.
Ķermeņi uzsilst arī triecienu, pagarinājuma un lieces laikā, kā arī deformācijas laikā. Visos šajos gadījumos, sakarā ar ideāls darbsĶermeņu iekšējā enerģija palielinās.
Tātad, iekšējā enerģija ķermeņus var palielināt par veicot darbu pie ķermeņa. Ja ķermenis pats veic darbu, tad tā iekšējā enerģija samazinās. To var novērot nākamajā eksperimentā.
Paņemiet stikla trauku ar biezu sienu, kas noslēgts ar aizbāzni. Gaiss, kas satur ūdens tvaikus, tiek iesūknēts traukā caur īpašu caurumu. Pēc kāda laika spraudnis izlec no trauka (182. att.). Brīdī, kad izlec korķis, traukā parādās migla. Tās izskats nozīmē, ka gaiss traukā ir kļuvis vēsāks (atcerieties, ka aukstā laikā ārā parādās arī migla).
Saspiestais gaiss traukā, izspiežot kontaktdakšu, darbojas. Šo darbu viņš veic uz savas iekšējās enerģijas rēķina, kas samazinās. Par enerģijas samazināšanos spriežam pēc gaisa atdzišanas traukā.
Ķermeņa iekšējo enerģiju var mainīt citā veidā.
Zināms, ka uz plīts stāv ūdens tējkanna, karstas tējas glāzē iemērkta metāla karote, plīts, kurā tiek iekurts ugunskurs, uzsilst saules izgaismots mājas jumts. Visos gadījumos ķermeņu temperatūra paaugstinās, kas nozīmē, ka palielinās arī to iekšējā enerģija. Kā izskaidrot tā pieaugumu?
Kā, piemēram, uzsilst aukstā metāla karote, kas iemērc karstā tējā? Pirmkārt, molekulu ātrums un kinētiskā enerģija karsts ūdens lielāks auksto metālu daļiņu ātrums un kinētiskā enerģija. Tajās vietās, kur karote nonāk saskarē ar ūdeni, karstā ūdens molekulas daļu savas kinētiskās enerģijas nodod aukstajām metāla daļiņām. Tāpēc ūdens molekulu ātrums un enerģija vidēji samazinās, un metāla daļiņu ātrums un enerģija palielinās: ūdens temperatūra pazeminās, un karotes temperatūra paaugstinās - to temperatūra pakāpeniski izlīdzinās. Samazinoties molekulu kinētiskajai enerģijai ūdens samazinās un visu iekšējā enerģija glāzē ūdens, un palielinās karotes iekšējā enerģija.
Iekšējās enerģijas maiņas procesu, kurā netiek veikts darbs pie ķermeņa, bet enerģija tiek pārnesta no vienas daļiņas uz otru, sauc par siltuma pārnesi. Tātad ķermeņa iekšējo enerģiju var mainīt divos veidos: veicot mehānisko darbu vai siltuma pārnesi.
Kad ķermenis jau ir sakarsis, mēs nevaram norādīt, kurā no diviem veidiem tas tika darīts. Tādējādi, turot rokās sakarsētu tērauda adāmadatu, nevaram pateikt, kādā veidā tā tika uzkarsēta - berzējot vai liekot liesmā.
Jautājumi. 1. Sniedziet piemērus, kas parāda, ka, veicot darbu pie ķermeņa, palielinās ķermeņa iekšējā enerģija. 2. Aprakstiet eksperimentu, kas parāda, ka ķermenis var veikt darbu iekšējās enerģijas dēļ. 3. Sniedziet piemērus ķermeņa iekšējās enerģijas palielināšanai ar siltuma pārnesi. 4. Izskaidrojiet siltuma pārnesi, pamatojoties uz vielas molekulāro struktūru. 5. Kādi ir divi veidi, kā mainīt ķermeņa iekšējo enerģiju?
Vingrinājums.
Novietojiet piecu kapeiku monētu uz saplākšņa loksnes vai koka dēlis. Piespiediet monētu pret dēli un ātri pārvietojiet to vispirms vienā virzienā, tad otrā virzienā. Ievērojiet, cik reizes jums ir jāpārvieto monēta, lai tā kļūtu silta, karsts. Izdarīt secinājumu par saistību starp paveikto darbu un ķermeņa iekšējās enerģijas pieaugumu.
Jebkuram makroskopiskam ķermenim ir enerģiju, ko nosaka tā mikrostāvoklis. Šis enerģiju sauca iekšējais(apzīmēts U). Tas ir vienāds ar kustību enerģiju un mikrodaļiņu mijiedarbību, kas veido ķermeni. Tātad, iekšējā enerģija ideāla gāze sastāv no visu tās molekulu kinētiskās enerģijas, kopš to mijiedarbības šajā gadījumā var atstāt novārtā. Tāpēc tā iekšējā enerģija atkarīgs tikai no gāzes temperatūras ( U~T).
Ideālais gāzes modelis pieņem, ka molekulas atrodas vairāku diametru attālumā viena no otras. Tāpēc to mijiedarbības enerģija ir daudz mazāka nekā kustības enerģija, un to var ignorēt.
Reālās gāzēs, šķidrumos un cietās vielās nevar ignorēt mikrodaļiņu (atomu, molekulu, jonu utt.) mijiedarbību, jo tā būtiski ietekmē to īpašības. Tāpēc viņi iekšējā enerģija sastāv no mikrodaļiņu termiskās kustības kinētiskās enerģijas un to mijiedarbības potenciālās enerģijas. Viņu iekšējā enerģija, izņemot temperatūru T, būs atkarīgs arī no skaļuma V, jo tilpuma izmaiņas ietekmē attālumu starp atomiem un molekulām un līdz ar to arī to savstarpējās mijiedarbības potenciālo enerģiju.
Iekšējā enerģija ir ķermeņa stāvokļa funkcija, ko nosaka tā temperatūraTun V sējums.
Iekšējā enerģija to unikāli nosaka temperatūraT un ķermeņa tilpums V, raksturojot tā stāvokli:U =U(T, V)
Uz mainīt iekšējo enerģijuķermenim, jums faktiski ir jāmaina vai nu mikrodaļiņu termiskās kustības kinētiskā enerģija, vai to mijiedarbības potenciālā enerģija (vai abas kopā). Kā zināms, to var izdarīt divos veidos – ar siltuma apmaiņu vai veicot darbu. Pirmajā gadījumā tas notiek noteikta siltuma daudzuma nodošanas dēļ Q; otrajā - darba izpildes dēļ A.
Tādējādi siltuma daudzums un paveiktais darbs ir ķermeņa iekšējās enerģijas izmaiņu mērs:
Δ U =Q+A.
Iekšējās enerģijas izmaiņas notiek, pateicoties noteiktam siltuma daudzumam, ko ķermenis dod vai saņem, vai darba izpildes dēļ.
Ja notiek tikai siltuma apmaiņa, tad izmaiņas iekšējā enerģija rodas, saņemot vai izdalot noteiktu siltuma daudzumu: Δ U =J. Sildot vai atdzesējot ķermeni, tas ir vienāds ar:
Δ U =J = cm(T 2 - T 1) =cmΔT.
Cieto vielu kušanas vai kristalizācijas laikā iekšējā enerģija izmaiņas mikrodaļiņu mijiedarbības potenciālās enerģijas izmaiņu dēļ, jo notiek strukturālas izmaiņas vielas struktūrā. Šajā gadījumā iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar ķermeņa kušanas (kristalizācijas) siltumu: Δ U-Qpl =λ m, Kur λ — cietas vielas īpatnējais kušanas (kristalizācijas) siltums.
Izmaiņas izraisa arī šķidrumu iztvaikošana vai tvaika kondensācija iekšējā enerģija, kas ir vienāds ar iztvaikošanas siltumu: Δ U =Q p =rm, Kur r— šķidruma īpatnējais iztvaikošanas (kondensācijas) siltums.
Mainīt iekšējā enerģija korpuss mehāniskā darba veikšanas dēļ (bez siltuma apmaiņas) ir skaitliski vienāds ar šī darba vērtību: Δ U =A.
Ja iekšējās enerģijas izmaiņas notiek siltuma apmaiņas dēļ, tadΔ U =Q =cm(T 2 -T 1),vaiΔ U = Q pl = λ m,vaiΔ U =Jn =rm.
Tāpēc no molekulārās fizikas viedokļa: Materiāls no vietnes
Iekšējā ķermeņa enerģija ir atomu, molekulu vai citu daļiņu, no kurām tā sastāv, termiskās kustības kinētiskās enerģijas un to savstarpējās mijiedarbības potenciālās enerģijas summa; no termodinamiskā viedokļa tā ir ķermeņa (ķermeņu sistēmas) stāvokļa funkcija, ko unikāli nosaka tā makroparametri - temperatūraTun V sējums.
Tādējādi iekšējā enerģija ir sistēmas enerģija, kas ir atkarīga no tās iekšējais stāvoklis. Tas sastāv no visu sistēmas mikrodaļiņu (molekulu, atomu, jonu, elektronu u.c.) siltuma kustības enerģijas un to mijiedarbības enerģijas. Pilna nozīme iekšējo enerģiju ir gandrīz neiespējami noteikt, tāpēc tiek aprēķinātas iekšējās enerģijas izmaiņas Δ U, kas rodas siltuma pārneses un darba izpildes dēļ.
Ķermeņa iekšējā enerģija ir vienāda ar siltuma kustības kinētiskās enerģijas un to veidojošo mikrodaļiņu mijiedarbības potenciālās enerģijas summu.
Šajā lapā ir materiāli par šādām tēmām:
Vai ir iespējams viennozīmīgi noteikt ķermeņa iekšējo enerģiju?
Ķermenim ir enerģija
Fizikas ziņojums par iekšējo enerģiju
No kādiem makroparametriem ir atkarīga ideālās gāzes iekšējā enerģija?
-
Vienotā valsts pārbaudījumu kodifikatora tēmas: iekšējā enerģija, siltuma pārnese, siltuma pārneses veidi.
Jebkura ķermeņa daļiņas - atomi vai molekulas - veic haotisku nepārtrauktu kustību (tā saukto termiskā kustība ). Tāpēc katrai daļiņai ir zināma kinētiskā enerģija.
Turklāt matērijas daļiņas savstarpēji mijiedarbojas ar elektriskās pievilkšanās un atgrūšanas spēkiem, kā arī ar kodolspēkiem. Tāpēc visa daļiņu sistēma dots ķermenis Tam ir arī potenciālā enerģija.
Daļiņu termiskās kustības kinētiskā enerģija un to mijiedarbības potenciālā enerģija kopā veidojas jaunais veids enerģija, kas netiek reducēta uz ķermeņa mehānisko enerģiju (t.i., ķermeņa kopumā kustības kinētiskā enerģija un tā mijiedarbības ar citiem ķermeņiem potenciālā enerģija). Šo enerģijas veidu sauc par iekšējo enerģiju.
Ķermeņa iekšējā enerģija ir tā daļiņu siltuma kustības kopējā kinētiskā enerģija plus to savstarpējās mijiedarbības potenciālā enerģija.
Termodinamiskās sistēmas iekšējā enerģija ir sistēmā iekļauto ķermeņu iekšējo enerģiju summa.
Tādējādi ķermeņa iekšējo enerģiju veido šādi termini.
1. Ķermeņa daļiņu nepārtrauktas haotiskas kustības kinētiskā enerģija.
2. Molekulu (atomu) potenciālā enerģija starpmolekulārās mijiedarbības spēku ietekmē.
3. Elektronu enerģija atomos.
4. Intranukleārā enerģija.Kad vienkāršākais modelis viela - ideāla gāze - iekšējai enerģijai var iegūt skaidru formulu.
Monatomiskas ideālās gāzes iekšējā enerģija
Ideālas gāzes daļiņu mijiedarbības potenciālā enerģija ir nulle (atgādiniet, ka ideālās gāzes modelī mēs neņemam vērā daļiņu mijiedarbību attālumā). Tāpēc monatomiskas ideālās gāzes iekšējā enerģija tiek samazināta līdz tās atomu translācijas (poliatomu gāzei jāņem vērā arī molekulu rotācija un atomu vibrācijas molekulās) kustības kopējai kinētiskajai enerģijai. Šo enerģiju var atrast, reizinot gāzes atomu skaitu ar viena atoma vidējo kinētisko enerģiju:
Mēs redzam, ka ideālas gāzes iekšējā enerģija (masa un ķīmiskais sastāvs kas ir nemainīgi) ir tikai tās temperatūras funkcija. Reālā gāzē, šķidrā vai cietā stāvoklī, iekšējā enerģija būs atkarīga arī no tilpuma - galu galā, mainoties tilpumam, mainās daļiņu relatīvais izvietojums un līdz ar to arī to mijiedarbības potenciālā enerģija.
Statusa funkcija
Iekšējās enerģijas vissvarīgākā īpašība ir tā, ka tā ir valsts funkcija termodinamiskā sistēma. Proti, iekšējo enerģiju unikāli nosaka sistēmu raksturojošu makroskopisku parametru kopums, un tā nav atkarīga no sistēmas “aizvēstures”, t.i. par to, kādā stāvoklī sistēma bija iepriekš un cik konkrēti tā nonāca šajā stāvoklī.
Tādējādi sistēmai pārejot no viena stāvokļa citā, tās iekšējās enerģijas izmaiņas nosaka tikai sistēmas sākuma un beigu stāvokļi un nav atkarīgs no pārejas ceļa no sākotnējā stāvokļa uz gala stāvokli. Ja sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī, tad tās iekšējās enerģijas izmaiņas ir nulle.
Pieredze rāda, ka ir tikai divi veidi, kā mainīt ķermeņa iekšējo enerģiju:
Mehānisko darbu veikšana;
siltuma pārnesi.Vienkārši sakot, tējkannu var uzsildīt tikai ar diviem Dažādi ceļi: berzējiet to ar kaut ko vai uzlieciet uguni :-) Apsvērsim šīs metodes sīkāk.
Izmaiņas iekšējā enerģijā: padarīts darbs
Ja darbs ir padarīts virsķermeni, tad palielinās ķermeņa iekšējā enerģija.
Piemēram, pēc sitiena ar āmuru nagla uzsilst un nedaudz deformējas. Bet temperatūra ir ķermeņa daļiņu vidējās kinētiskās enerģijas mērs. Nagu sildīšana norāda uz tās daļiņu kinētiskās enerģijas palielināšanos: patiesībā daļiņas paātrina āmura trieciens un naglas berze pret dēli.
Deformācija nav nekas cits kā daļiņu pārvietošanās attiecībā pret otru; Pēc trieciena nags piedzīvo spiedes deformāciju, tā daļiņas tuvojas viena otrai, palielinās atgrūšanas spēki starp tām, un tas noved pie nagu daļiņu potenciālās enerģijas palielināšanās.
Tātad nagu iekšējā enerģija ir palielinājusies. Tas bija pie tā veiktā darba rezultāts - darbu veica āmurs un berzes spēks uz dēļa.
Ja darbs ir padarīts mēs pašiķermenis, tad ķermeņa iekšējā enerģija samazinās.
Ļaujiet, piemēram, saspiestam gaisam siltumizolētā traukā zem virzuļa izplesties un pacelt noteiktu slodzi, tādējādi veicot darbu (procesu termiski izolētā traukā sauc adiabātisks. Mēs pētīsim adiabātisko procesu, ņemot vērā pirmo termodinamikas likumu). Šī procesa laikā gaiss atdzisīs – tā molekulas, atsitoties aiz kustīgā virzuļa, piešķir tam daļu savas kinētiskās enerģijas. (Tāpat futbolists, ar kāju apturot ātri lidojošu bumbu, izdara ar to kustību no bumbu un slāpē tās ātrumu.) Tāpēc gaisa iekšējā enerģija samazinās.
Tādējādi gaiss darbojas uz savas iekšējās enerģijas rēķina: tā kā kuģis ir termiski izolēts, enerģija neplūst gaisā no ārējiem avotiem, un gaiss var iegūt enerģiju, lai veiktu darbu tikai no savām rezervēm. .
Iekšējās enerģijas izmaiņas: siltuma pārnese
Siltuma pārnese ir iekšējās enerģijas pārnešanas process no karstāka ķermeņa uz aukstāku, kas nav saistīts ar mehānisko darbu veikšanu.. Siltuma pārnese var notikt vai nu tiešā saskarē ar ķermeņiem, vai caur starpposma vidi (un pat caur vakuumu). Siltuma pārnesi sauc arī siltuma apmaiņa.
Ir trīs siltuma pārneses veidi: vadītspēja, konvekcija un siltuma starojums.
Tagad mēs tos aplūkosim sīkāk.
Siltumvadītspēja
Ja vienu dzelzs stieņa galu ieliksi ugunī, tad, kā zināms, to rokā ilgi neturēsi. Iekļūšana zonā paaugstināta temperatūra, dzelzs atomi sāk vibrēt intensīvāk (t.i., tie iegūst papildu kinētisko enerģiju) un rada spēcīgāku ietekmi uz kaimiņiem.
Palielinās arī blakus esošo atomu kinētiskā enerģija, un tagad šie atomi saviem kaimiņiem piešķir papildu kinētisko enerģiju. Tātad no sadaļas uz sekciju siltums pamazām izplatās gar stieni – no ugunī ievietotā gala līdz mūsu rokai. Tā ir siltumvadītspēja (1. att.) (Attēls no educationelectronicsusa.com).
Rīsi. 1. Siltumvadītspēja
Siltumvadītspēja ir iekšējās enerģijas pārnešana no vairāk apsildāmām ķermeņa zonām uz mazāk apsildāmām ķermeņa daļiņu termiskās kustības un mijiedarbības dēļ..
Dažādu vielu siltumvadītspēja ir atšķirīga. Metāliem ir augsta siltumvadītspēja: labākie siltumvadītāji ir sudrabs, varš un zelts. Šķidrumu siltumvadītspēja ir daudz mazāka. Gāzes tik slikti vada siltumu, ka tiek uzskatītas par siltumizolatoriem: gāzes molekulas, ņemot vērā lielo attālumu starp tām, vāji mijiedarbojas viena ar otru. Tāpēc, piemēram, logiem ir dubultie rāmji: gaisa slānis neļauj siltumam izplūst).
Tāpēc poraini ķermeņi, piemēram, ķieģeļi, vate vai kažokādas, ir slikti siltuma vadītāji. To porās ir gaiss. Ne velti ķieģeļu mājas tiek uzskatītas par vissiltākajām, un aukstā laikā cilvēki valkā kažoki un jakas ar dūnu vai polsterējuma poliestera slāni.
Bet, ja gaiss tik slikti vada siltumu, tad kāpēc telpa sasilst no radiatora?
Tas notiek cita veida siltuma pārneses - konvekcijas - dēļ.
Konvekcija
Konvekcija ir iekšējās enerģijas pārnešana šķidrumos vai gāzēs plūsmu cirkulācijas un vielu sajaukšanās rezultātā.
Gaiss akumulatora tuvumā uzsilst un izplešas. Smaguma spēks, kas iedarbojas uz šo gaisu, paliek nemainīgs, bet palielinās peldspējas spēks no apkārtējā gaisa, tā ka sakarsētais gaiss sāk peldēt uz griestiem. Tā vietā nāk auksts gaiss (tāds pats process, bet daudz grandiozākā mērogā, dabā pastāvīgi notiek: tā rodas vējš), ar kuru atkārtojas tas pats.
Rezultātā tiek izveidota gaisa cirkulācija, kas kalpo kā konvekcijas piemērs - siltuma izplatīšanos telpā veic gaisa plūsmas.
Pilnīgi līdzīgu procesu var novērot šķidrumos. Uzliekot uz plīts tējkannu vai ūdens pannu, ūdens tiek uzkarsēts galvenokārt konvekcijas dēļ (ūdens siltumvadītspējas ieguldījums ir ļoti niecīgs).
Konvekcijas strāvas gaisā un šķidrumā ir parādītas attēlā. 2 (attēli no physics.arizona.edu).
Rīsi. 2. Konvekcija
IN cietvielas nav konvekcijas: daļiņu mijiedarbības spēki ir lieli, daļiņas svārstās fiksētu telpisko punktu (mezglu) tuvumā kristāla režģis), un šādos apstākļos nevar veidoties nekādas vielas plūsmas.
Konvekcijas strāvu cirkulācijai, apsildot telpu, ir nepieciešams, lai uzsildītu gaisu bija kur parādīties. Ja radiators ir uzstādīts zem griestiem, tad cirkulācija nenotiks - siltais gaiss tas tā arī paliks zem griestiem. Tāpēc tiek novietotas apkures ierīces apakšā telpas. Tā paša iemesla dēļ tiek uzlikta tējkanna ieslēgts ugunsgrēks, kā rezultātā sakarsušie ūdens slāņi, paceļoties, dod vietu aukstākiem.
Gluži pretēji, gaisa kondicionieris jānovieto pēc iespējas augstāk: tad atdzesētais gaiss sāks pazemināties, un tā vietu ieņems siltāks gaiss. Cirkulācija notiks pretējā virzienā, salīdzinot ar plūsmu kustību, sildot telpu.
Termiskais starojums
Kā Zeme saņem enerģiju no Saules? Siltumvadītspēja un konvekcija ir izslēgta: mūs šķir 150 miljoni kilometru bezgaisa telpas.
Šeit darbojas trešais siltuma pārneses veids - termiskais starojums. Radiācija var izplatīties gan vielā, gan vakuumā. Kā tas rodas?
Izrādās, ka elektriskā un magnētiskais lauks Tie ir cieši saistīti viens ar otru, un tiem ir viens ievērojams īpašums. Ja elektriskais lauks mainās laika gaitā, tad tas ģenerē magnētisko lauku, kas, vispārīgi runājot, arī mainās ar laiku (par to sīkāk tiks runāts lapā par elektromagnētisko indukciju). Savukārt mainīgs magnētiskais lauks ģenerē mainīgu elektrisko lauku, kas atkal rada mainīgu magnētisko lauku, kas atkal ģenerē mainīgu elektrisko lauku...
Šī procesa attīstības rezultātā elektromagnētiskais vilnis- elektriskie un magnētiskie lauki “sasaistīti” viens ar otru. Tāpat kā skaņa elektromagnētiskie viļņi ir izplatīšanās ātrums un frekvence - šajā gadījumā tā ir frekvence, ar kādu viļņā svārstās lauku lielums un virziens. Redzamā gaisma - īpašs gadījums elektromagnētiskie viļņi.
Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir milzīgs: km/s. Tātad gaisma no Zemes uz Mēnesi nokļūst nedaudz vairāk kā sekundē.
Elektromagnētisko viļņu frekvenču diapazons ir ļoti plašs. Vairāk par elektromagnētisko viļņu mērogu runāsim attiecīgajā brošūrā. Šeit mēs tikai atzīmējam, ka redzamā gaisma ir niecīgs šīs skalas diapazons. Zem tā ir infrasarkanā starojuma frekvences, virs tā ir ultravioletā starojuma frekvences.
Tagad atcerieties, ka atomi, lai gan parasti ir elektriski neitrāli, satur pozitīvi lādētus protonus un negatīvi lādētus elektronus. Šīs uzlādētās daļiņas, veicot haotisku kustību kopā ar atomiem, rada mainīgus elektriskos laukus un tādējādi izstaro elektromagnētiskos viļņus. Šos viļņus sauc termiskais starojums- kā atgādinājums, ka to avots ir vielas daļiņu termiskā kustība.
Termiskā starojuma avots ir jebkurš ķermenis. Šajā gadījumā starojums aiznes daļu savas iekšējās enerģijas. Satiekoties ar cita ķermeņa atomiem, starojums tos paātrina ar savu svārstību elektriskais lauks, un palielinās šī ķermeņa iekšējā enerģija. Tā mēs gozējamies saules staros.
Normālā temperatūrā termiskā starojuma frekvences atrodas infrasarkanajā diapazonā, tāpēc acs to neuztver (mēs neredzam, kā mēs “spīdējam”). Kad ķermenis tiek uzkarsēts, tā atomi sāk vairāk izstarot viļņus augstas frekvences. Dzelzs naglu var uzkarsēt līdz sarkanai temperatūrai, lai tās termiskais starojums sasniegtu redzamā diapazona apakšējo (sarkano) daļu. Un Saule mums šķiet dzeltenbalta: temperatūra uz Saules virsmas ir tik augsta, ka tās starojuma spektrā ir visas redzamās gaismas frekvences un pat ultravioletais, pateicoties kuram mēs iedegāmies.
Vēlreiz apskatīsim trīs siltuma pārneses veidus (3. attēls) (attēli no beodom.com).
Rīsi. 3. Trīs siltuma pārneses veidi: vadīšana, konvekcija un starojums
Jebkura ķermeņa daļiņas, atomi vai molekulas, iziet haotisku, nepārtrauktu kustību (tā saukto termisko kustību). Tāpēc katrai daļiņai ir zināma kinētiskā enerģija.
Turklāt matērijas daļiņas savstarpēji mijiedarbojas ar elektriskās pievilkšanās un atgrūšanas spēkiem, kā arī ar kodolspēkiem. Tāpēc visai dotā ķermeņa daļiņu sistēmai ir arī potenciālā enerģija.
Daļiņu termiskās kustības kinētiskā enerģija un to mijiedarbības potenciālā enerģija kopā veido jaunu enerģijas veidu, kas netiek reducēts līdz ķermeņa mehāniskajai enerģijai (t.i., ķermeņa kopumā kustības kinētiskajai enerģijai un potenciālā enerģija tās mijiedarbībai ar citiem ķermeņiem). Šo enerģijas veidu sauc par iekšējo enerģiju.
Ķermeņa iekšējā enerģija ir tā daļiņu siltuma kustības kopējā kinētiskā enerģija plus to savstarpējās mijiedarbības potenciālā enerģija.
Termodinamiskās sistēmas iekšējā enerģija ir sistēmā iekļauto ķermeņu iekšējo enerģiju summa.
Tādējādi ķermeņa iekšējo enerģiju veido šādi termini.
1. Ķermeņa daļiņu nepārtrauktas haotiskas kustības kinētiskā enerģija.
2. Molekulu (atomu) potenciālā enerģija starpmolekulārās mijiedarbības spēku ietekmē.
3. Elektronu enerģija atomos.
4. Intranukleārā enerģija.
IN Ideālas gāzes vielas vienkāršākā modeļa gadījumā iekšējai enerģijai var iegūt skaidru formulu.
8.1 Monatomiskas ideālās gāzes iekšējā enerģija
Ideālas gāzes daļiņu mijiedarbības potenciālā enerģija ir nulle (atgādiniet, ka ideālās gāzes modelī mēs neņemam vērā daļiņu mijiedarbību attālumā). Tāpēc monatomiskās ideālās gāzes iekšējā enerģija tiek samazināta līdz tās atomu translācijas kustības kopējai kinētiskajai enerģijai. Šo enerģiju var atrast, reizinot gāzes atomu skaitu N ar viena atoma vidējo kinētisko enerģiju E:
U=NE=N
kT = NA
U = 3 2 m RT:
Mēs redzam, ka ideālas gāzes (kuras masa un ķīmiskais sastāvs nemainās) iekšējā enerģija ir atkarīga tikai no tās temperatūras. Reālā gāzē, šķidrā vai cietā, iekšējā enerģija būs atkarīga arī no tilpuma, jo, mainoties tilpumam, mainās daļiņu relatīvais izvietojums un līdz ar to arī to mijiedarbības potenciālā enerģija.
8 Attiecībā uz poliatomisku gāzi jāņem vērā arī molekulu rotācija un atomu vibrācijas molekulās.
8.2 Statusa funkcija
Iekšējās enerģijas vissvarīgākā īpašība ir tā, ka tā ir termodinamiskās sistēmas stāvokļa funkcija. Proti, iekšējo enerģiju unikāli nosaka sistēmu raksturojošu makroskopisku parametru kopa, un tā nav atkarīga no sistēmas “aizvēstures”, t.i., no tā, kādā stāvoklī sistēma atradās iepriekš un cik konkrēti tā nonāca šajā stāvoklī. .
Tādējādi, sistēmai pārejot no viena stāvokļa uz otru, tās iekšējās enerģijas izmaiņas nosaka tikai sistēmas sākuma un beigu stāvokļi un tas nav atkarīgs no pārejas ceļa no sākuma stāvokļa uz beigu stāvokli. Ja sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī, tad tās iekšējās enerģijas izmaiņas ir nulle.
Pieredze rāda, ka ir tikai divi veidi, kā mainīt ķermeņa iekšējo enerģiju:
mehānisko darbu veikšana;
siltuma pārnesi.
Vienkārši sakot, tējkannu var uzsildīt tikai divos principiāli atšķirīgos veidos: berzējot to ar kaut ko vai uzliekot uz uguns :-) Apskatīsim šīs metodes sīkāk.
8.3 Izmaiņas iekšējā enerģijā: padarīts darbs
Ja tiek veikts darbs pie ķermeņa, tad palielinās ķermeņa iekšējā enerģija.
Piemēram, pēc sitiena ar āmuru nagla uzsilst un nedaudz deformējas. Bet temperatūra ir ķermeņa daļiņu vidējās kinētiskās enerģijas mērs. Nagu sildīšana norāda uz tās daļiņu kinētiskās enerģijas palielināšanos: patiesībā daļiņas paātrina āmura trieciens un naglas berze pret dēli.
Deformācija nav nekas cits kā daļiņu pārvietošanās attiecībā pret otru; Pēc trieciena nags piedzīvo spiedes deformāciju, tā daļiņas tuvojas viena otrai, palielinās atgrūšanas spēki starp tām, un tas noved pie nagu daļiņu potenciālās enerģijas palielināšanās.
Tātad nagu iekšējā enerģija ir palielinājusies. Tas bija pie tā veiktā darba rezultāts; darbu veica āmurs un berzes spēks uz dēļa.
Ja darbu veic pats ķermenis, tad ķermeņa iekšējā enerģija samazinās. Ļaujiet, piemēram, saspiestajam gaisam siltumizolētā traukā zem virzuļa izplesties
un paceļ noteiktu slodzi, tādējādi veicot darbu9. Šī procesa laikā gaiss atdzisīs, tā molekulas atsitoties aiz kustīgā virzuļa, piešķirot tam daļu savas kinētiskās enerģijas. (Tāpat futbolists, ar kāju apturot ātri lidojošu bumbu, veic kustību ar kāju prom no bumbas un slāpē tās ātrumu.) Tāpēc gaisa iekšējā enerģija samazinās.
Tādējādi gaiss darbojas uz savas iekšējās enerģijas rēķina: tā kā kuģis ir termiski izolēts, enerģija neplūst gaisā no ārējiem avotiem, un gaiss var iegūt enerģiju, lai veiktu darbu tikai no savām rezervēm. .
8.4 Iekšējās enerģijas izmaiņas: siltuma pārnese
Siltuma pārnese ir iekšējās enerģijas pārnešanas process no karstāka ķermeņa uz aukstāku, kas nav saistīts ar mehānisko darbu veikšanu. Siltuma pārnese var notikt vai nu tiešā saskarē ar ķermeņiem, vai caur starpposma vidi (un pat caur vakuumu). Siltuma pārnesi sauc arī par siltuma apmaiņu.
9 Procesu termiski izolētā traukā sauc par adiabātisko. Mēs pētīsim adiabātisko procesu, aplūkojot pirmo termodinamikas likumu.
Ir trīs siltuma pārneses veidi: vadītspēja, konvekcija un siltuma starojums. Tagad mēs tos aplūkosim sīkāk.
8.5 Siltumvadītspēja
Ja vienu dzelzs stieņa galu ieliksi ugunī, tad, kā zināms, to rokā ilgi neturēsi. Atrodoties augstas temperatūras reģionā, dzelzs atomi sāk vibrēt intensīvāk (t.i., tie iegūst papildu kinētisko enerģiju) un spēcīgāk ietekmē savus kaimiņus.
Palielinās arī blakus esošo atomu kinētiskā enerģija, un tagad šie atomi saviem kaimiņiem piešķir papildu kinētisko enerģiju. Tātad no sadaļas uz sekciju siltums pamazām izplatās gar stieni no ugunī ievietotā gala līdz mūsu rokai. Tā ir siltumvadītspēja (18. att.)10.
Rīsi. 18. Siltumvadītspēja
Siltumvadītspēja ir iekšējās enerģijas pārnešana no vairāk apsildāmām ķermeņa zonām uz mazāk apsildāmām ķermeņa daļiņu termiskās kustības un mijiedarbības dēļ.
Dažādu vielu siltumvadītspēja ir atšķirīga. Metāliem ir augsta siltumvadītspēja: labākie siltumvadītāji ir sudrabs, varš un zelts. Šķidrumu siltumvadītspēja ir daudz mazāka. Gāzes tik slikti vada siltumu, ka tiek uzskatītas par siltumizolatoriem: gāzes molekulas, ņemot vērā lielo attālumu starp tām, vāji mijiedarbojas viena ar otru. Tāpēc, piemēram, logiem ir dubultie rāmji: gaisa slānis neļauj siltumam izplūst).
Tāpēc poraini ķermeņi, piemēram, ķieģeļi, vilna vai kažokādas, ir slikti siltuma vadītāji. To porās ir gaiss. Ne velti ķieģeļu mājas tiek uzskatītas par siltākajām, un aukstā laikā cilvēki valkā kažokus un jakas ar dūnu vai sintētisko polsterējumu.
Bet, ja gaiss tik slikti vada siltumu, tad kāpēc telpa sasilst no radiatora? Tas notiek cita veida siltuma pārneses, konvekcijas, dēļ.
8.6. Konvekcija
Konvekcija ir iekšējās enerģijas pārnešana šķidrumos vai gāzēs plūsmu cirkulācijas un vielu sajaukšanās rezultātā.
Gaiss akumulatora tuvumā uzsilst un izplešas. Smaguma spēks, kas iedarbojas uz šo gaisu, paliek nemainīgs, bet palielinās peldspējas spēks no apkārtējā gaisa, tā ka sakarsētais gaiss sāk peldēt uz griestiem. Tā vietā nāk auksts
10 Attēls no vietnes Educationelectronicsusa.com.
air11, ar kuru atkārtojas tas pats.
Rezultātā tiek izveidota gaisa cirkulācija, kas kalpo kā konvekcijas piemērs, siltuma sadali telpā veic gaisa plūsmas.
Pilnīgi līdzīgu procesu var novērot šķidrumos. Uzliekot uz plīts tējkannu vai ūdens pannu, ūdens tiek uzkarsēts galvenokārt konvekcijas dēļ (ūdens siltumvadītspējas ieguldījums ir ļoti niecīgs).
Konvekcijas strāvas gaisā un šķidrumā parādītas12 19. att.
Rīsi. 19. Konvekcija
Cietās vielās konvekcijas nav: mijiedarbības spēki starp daļiņām ir lieli, daļiņas svārstās tuvu fiksētiem telpiskajiem punktiem (kristāla režģa mezgliem), un šādos apstākļos nevar veidoties vielas plūsmas.
Konvekcijas strāvu cirkulācijai, apsildot telpu, ir nepieciešams, lai uzkarsētajam gaisam būtu kur peldēt. Ja radiators ir uzstādīts zem griestiem, tad cirkulācija nenotiks, siltais gaiss paliks zem griestiem. Tāpēc sildīšanas ierīces tiek novietotas telpas apakšā. Tā paša iemesla dēļ tējkanna tiek uzlikta uz uguns, kā rezultātā uzkarsētie ūdens slāņi, paceļoties, dod vietu aukstākiem.
Gluži pretēji, gaisa kondicionieris jānovieto pēc iespējas augstāk: tad atdzesētais gaiss sāks pazemināties, un tā vietu ieņems siltāks gaiss. Cirkulācija notiks pretējā virzienā, salīdzinot ar plūsmu kustību, sildot telpu.
8.7 Termiskais starojums
Kā Zeme saņem enerģiju no Saules? Siltumvadītspēja un konvekcija ir izslēgta: mūs šķir 150 miljoni kilometru bezgaisa telpas.
Trešais siltuma pārneses veids darbā šeit ir siltuma starojums. Radiācija var izplatīties gan vielā, gan vakuumā. Kā tas rodas?
Izrādās, ka elektriskie un magnētiskie lauki ir cieši saistīti viens ar otru un tiem ir viena ievērojama īpašība. Ja elektriskais lauks mainās laika gaitā, tad tas ģenerē magnētisko lauku, kas, vispārīgi runājot, arī mainās ar laiku13. Savukārt mainīgs magnētiskais lauks ģenerē mainīgu elektrisko lauku, kas atkal ģenerē mainīgu magnētisko lauku, kas atkal rada mainīgu elektrisko lauku. . .
11 Tas pats process, bet daudz plašākā mērogā, dabā pastāvīgi notiek: šādi rodas vējš.
12 attēli no physics.arizona.edu.
13 Par to sīkāk tiks runāts elektrodinamikā, tēmā par elektromagnētisko indukciju.
Šī procesa attīstības rezultātā kosmosā izplatās elektromagnētiskais vilnis ar elektriskiem un magnētiskiem laukiem, kas ir saistīti viens ar otru. Tāpat kā skaņai, arī elektromagnētiskajiem viļņiem ir izplatīšanās ātrums un frekvence; šajā gadījumā šī ir frekvence, ar kādu viļņā svārstās lauku lielums un virziens. Redzamā gaisma ir īpašs elektromagnētisko viļņu gadījums.
Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir milzīgs: 300 000 km/s. Tātad gaisma no Zemes uz Mēnesi nokļūst nedaudz vairāk kā sekundē.
Elektromagnētisko viļņu frekvenču diapazons ir ļoti plašs. Vairāk par elektromagnētisko viļņu mērogu runāsim attiecīgajā brošūrā. Šeit mēs tikai atzīmējam, ka redzamā gaisma ir niecīga šīs skalas diapazons. Zem tā atrodas infrasarkanā starojuma frekvences, virs ultravioletā starojuma frekvences.
Tagad atcerieties, ka atomi, lai gan parasti ir elektriski neitrāli, satur pozitīvi lādētus protonus un negatīvi lādētus elektronus. Šīs uzlādētās daļiņas, veicot haotisku kustību kopā ar atomiem, rada mainīgus elektriskos laukus un tādējādi izstaro elektromagnētiskos viļņus. Šos viļņus sauc par termisko starojumu, lai atgādinātu, ka to avots ir vielas daļiņu termiskā kustība.
Termiskā starojuma avots ir jebkurš ķermenis. Šajā gadījumā starojums aiznes daļu savas iekšējās enerģijas. Satiekoties ar cita ķermeņa atomiem, starojums tos paātrina ar savu svārstīgo elektrisko lauku, un palielinās šī ķermeņa iekšējā enerģija. Tā mēs gozējamies saules staros.
Normālā temperatūrā termiskā starojuma frekvences atrodas infrasarkanajā diapazonā, tāpēc acs to neuztver (mēs neredzam, kā mēs “spīdējam”). Kad ķermenis uzsilst, tā atomi sāk izstarot augstākas frekvences viļņus. Dzelzs naglu var uzkarsēt līdz tādai temperatūrai, lai tā termiskais starojums sasniegtu redzamā diapazona apakšējo (sarkano) daļu. Un Saule mums šķiet dzeltenbalta: temperatūra uz Saules virsmas ir tik augsta (6000 C), ka tās starojuma spektrā ir visas redzamās gaismas frekvences un pat ultravioletais, pateicoties kuram mēs iedegāmies.
Vēlreiz apskatīsim trīs siltuma pārneses veidus (20. att.)14.
Rīsi. 20. Trīs siltuma pārneses veidi: siltumvadītspēja, konvekcija, starojums
14 attēli no beodom.com.