Жакындаштыруунун ар кандай даражадагы моделдерин колдонуу менен белгилүү бир физикалык кубулушту же кубулуштардын классын кароо ыңгайлуу. Мисалы, газдын жүрүм-турумун сүрөттөөдө физикалык модель колдонулат - идеалдуу газ.
Кандай гана моделдин болбосун колдонууга жарамдуу чеги болот, андан тышкары аны тактоо же татаалыраак опцияларды колдонуу керек. Бул жерде биз белгилүү чектердеги газдардын эң маанилүү касиеттерине негизделген физикалык системанын ички энергиясын сүрөттөөнүн жөнөкөй учурун карап чыгабыз.
Идеалдуу газ
Бул физикалык модель, кээ бир фундаменталдык процесстерди сүрөттөөнүн ыңгайлуулугу үчүн, чыныгы газды төмөнкүдөй жөнөкөйлөтөт:
- Газ молекулаларынын өлчөмүнө көңүл бурбайт. Бул адекваттуу сүрөттөмө үчүн бул параметр маанилүү болбогон кубулуштардын бар экенин билдирет.
- Молекулалар аралык өз ара аракеттешүүнү этибарга албайт, башкача айтканда, аны кызыктырган процесстерде алар аз убакыт аралыгы менен пайда болуп, системанын абалына таасир этпейт деп кабыл алат. Бул учурда, өз ара аракеттешүү абсолюттук ийкемдүү таасир мүнөзүндө болот, мында энергия жоготуусу болбойт.деформация.
- Молекулалардын резервуарлардын дубалдары менен өз ара аракеттенүүсүн этибарга албайт.
- "Газ-резервуар" системасы термодинамикалык тең салмактуулук менен мүнөздөлөт деп ойлойлу.
Бул модель басымдар жана температуралар салыштырмалуу төмөн болсо, реалдуу газдарды сүрөттөө үчүн ылайыктуу.
Физикалык системанын энергетикалык абалы
Кандайдыр бир макроскопиялык физикалык система (дене, идиштеги газ же суюктук) өзүнүн кинетикалык жана потенциалынан тышкары энергиянын дагы бир түрү бар - ички. Бул маани физикалык системаны түзгөн бардык подсистемалардын - молекулалардын энергияларынын жыйындысы аркылуу алынат.
Газдагы ар бир молекуланын да өзүнүн потенциалы жана кинетикалык энергиясы бар. Акыркысы молекулалардын тынымсыз башаламан жылуулук кыймылы менен шартталган. Алардын ортосундагы ар кандай өз ара аракеттешүүлөр (электрдик тартылуу, түртүү) потенциалдык энергия менен аныкталат.
Эгер физикалык системанын кандайдыр бир бөлүгүнүн энергетикалык абалы системанын макроскопиялык абалына эч кандай таасир этпесе, анда ал эсепке алынбай турганын эстен чыгарбоо керек. Мисалы, нормалдуу шарттарда ядролук энергия физикалык объекттин абалынын өзгөрүшүнөн көрүнбөйт, ошондуктан аны эсепке алуунун кереги жок. Бирок жогорку температурада жана басымда бул мурунтан эле керек.
Ошентип, дененин ички энергиясы анын бөлүкчөлөрүнүн кыймылынын жана өз ара аракетинин мүнөзүн чагылдырат. Бул термин көп колдонулган "жылуулук энергиясы" термининин синоними экенин билдирет.
Монатомдук идеалдуу газ
Монатомдуу газдар, башкача айтканда атомдору молекулаларга кошулбагандар жаратылышта бар - булар инерттүү газдар. Кычкылтек, азот же суутек сыяктуу газдар бул абалды тынымсыз жаңыртуу үчүн сырттан энергия сарпталган шарттарда гана ушундай абалда болушу мүмкүн, анткени алардын атомдору химиялык жактан активдүү жана молекулага биригүүгө ыктайт.
Келгиле, кандайдыр бир көлөмдөгү идишке коюлган бир атомдук идеал газдын энергетикалык абалын карап көрөлү. Бул эң жөнөкөй учур. Атомдордун өз ара жана идиштин дубалдары менен электромагниттик өз ара аракеттешүүсү, демек, алардын потенциалдык энергиясы анчалык деле жок экенин эстейбиз. Демек, газдын ички энергиясы анын атомдорунун кинетикалык энергияларынын суммасын гана камтыйт.
Газдагы атомдордун орточо кинетикалык энергиясын алардын санына көбөйтүү жолу менен эсептөөгө болот. Орточо энергия E=3/2 x R / NA x T, мында R – универсалдуу газ константасы, NA – Авогадро саны, T - абсолюттук газ температурасы. Атомдордун саны заттын санын Авогадро константасына көбөйтүү жолу менен эсептелет. Монатомдуу газдын ички энергиясы барабар болот U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x м / M x RT. Бул жерде m - газдын массасы жана M - молярдык масса.
Газдын химиялык составы жана анын массасы дайыма бирдей бойдон кала берет деп ойлойлу. Бул учурда, биз алган формуладан көрүнүп тургандай, ички энергия газдын температурасына гана көз каранды. реалдуу газ үчүн, андан тышкары, эске алуу керек болоттемпература, көлөмдүн өзгөрүшү, анткени ал атомдордун потенциалдык энергиясына таасир этет.
Молекулярдык газдар
Жогорудагы формулада 3 саны бир атомдук бөлүкчөнүн кыймыл эркиндик даражаларынын санын мүнөздөйт - ал мейкиндиктеги координаттардын саны менен аныкталат: x, y, z. Монатомдуу газдын абалы үчүн анын атомдорунун айланышы эч кандай мааниге ээ эмес.
Молекулалар сфералык симметриялуу эмес, ошондуктан молекулалык газдардын энергетикалык абалын аныктоодо алардын айлануусунун кинетикалык энергиясын эске алуу зарыл. Эки атомдуу молекулалар, котормо кыймылы менен байланышкан эркиндиктин саналып өткөн даражаларынан тышкары, эки өз ара перпендикулярдуу октордун айланасында айлануу менен байланышкан дагы экиге ээ; көп атомдуу молекулалардын үч көз карандысыз айлануу огу бар. Демек, эки атомдуу газдардын бөлүкчөлөрү эркиндик даражаларынын саны f=5 менен мүнөздөлөт, ал эми көп атомдуу молекулалар f=6.
Жылуулук кыймылына мүнөздүү кокустуктан улам, айлануу жана которуу кыймылынын бардык багыттары толугу менен бирдей ыктымалдуу. Кыймылдын ар бир түрүнүн орточо кинетикалык энергиясы бирдей. Демек, формулага f маанисин алмаштырууга болот, ал ар кандай молекулалык составдагы идеалдуу газдын ички энергиясын эсептөөгө мүмкүндүк берет: U=f / 2 x m / M x RT.
Албетте, формуладан бул маани заттын көлөмүнө, башкача айтканда, биз канча жана кандай газ алганыбызга, ошондой эле бул газдын молекулаларынын түзүлүшүнө көз каранды экенин көрөбүз. Бирок, биз массалык жана химиялык курамын өзгөртүү үчүн эмес, макул болгондуктан, анда эске алуубизге температура гана керек.
Эми U мааниси газдын башка мүнөздөмөлөрү менен кандай байланышта экенин карап көрөлү - көлөмү, ошондой эле басым.
Ички энергия жана термодинамикалык абал
Температура, сиз билгендей, системанын термодинамикалык абалынын параметрлеринин бири (бул учурда газ). Идеалдуу газда ал басым менен көлөмгө PV=m / M x RT (Клапейрон-Менделеев теңдемеси деп аталган) катышы боюнча байланышат. Температура жылуулук энергиясын аныктайт. Ошентип, акыркы башка мамлекеттик параметрлеринин жыйындысы жагынан туюндурса болот. Ал мурунку абалына да, анын өзгөргөнүнө да кайдыгер карайт.
Система бир термодинамикалык абалдан экинчисине өткөндө ички энергия кандай өзгөрөрүн карап көрөлү. Мындай өтүүдөгү анын өзгөрүүсү баштапкы жана акыркы маанилердин ортосундагы айырма менен аныкталат. Эгерде система кандайдыр бир аралык абалдан кийин баштапкы абалына кайтып келсе, анда бул айырма нөлгө барабар болот.
Бактагы газды ысыттык дейли (башкача айтканда, ага кошумча энергия алып келдик). Газдын термодинамикалык абалы өзгөргөн: анын температурасы жана басымы жогорулаган. Бул процесс үн көлөмүн өзгөртпөстөн жүрөт. Газыбыздын ички энергиясы көбөйдү. Ошондон кийин биздин газ берилген энергиядан баш тартып, баштапкы абалына чейин муздап кетти. Мисалы, бул процесстердин ылдамдыгы сыяктуу фактор маанилүү эмес. Газдын ички энергиясынын ысытуунун жана муздатуунун каалаган ылдамдыгында натыйжада өзгөрүшү нөлгө барабар.
Маанилүү жагдай - жылуулук энергиясынын бирдей мааниси бир эмес, бир нече термодинамикалык абалга туура келиши мүмкүн.
Жылуулук энергиясынын өзгөрүү мүнөзү
Энергияны өзгөртүү үчүн иштөө керек. Иш газдын өзү же тышкы күч менен аткарылышы мүмкүн.
Биринчи учурда жумушту аткаруу үчүн энергиянын чыгымдалышы газдын ички энергиясына байланыштуу. Мисалы, бизде поршень бар цистернага кысылган газ бар болчу. Поршень бошотулса, кеңейүүчү газ аны көтөрө баштайт, жумуш жасап (пайдалуу болушу үчүн поршень кандайдыр бир жүктү көтөрсүн). Газдын ички энергиясы тартылуу жана сүрүлүү күчтөрүнө каршы иштөөгө жумшалган суммага азаят: U2=U1 – A. Мында учурда, газдын иши оң болот, анткени поршенге келтирилген күчтүн багыты поршендин кыймылынын багыты менен бирдей.
Поршенди түшүрүп, газ басымынын күчүнө каршы жана кайра сүрүлүү күчтөрүнө каршы иштей баштайлы. Ошентип, биз белгилүү бир энергиянын көлөмүн газга кабарлайбыз. Бул жерде сырткы күчтөрдүн иши позитивдүү деп эсептелет.
Механикалык жумуштан тышкары газдан энергия алуу же ага энергия берүү ыкмасы да бар, мисалы, жылуулук берүү (жылуулук берүү). Биз аны газды ысытуу мисалында жолуктурдук. Жылуулук берүү процесстеринде газга берилүүчү энергия жылуулуктун көлөмү деп аталат. Жылуулук берүүнүн үч түрү бар: өткөргүч, конвекция жана нурлануу. Келгиле, аларды кененирээк карап чыгалы.
Жылуулук өткөргүчтүк
Заттын жылуулук алмашуу жөндөмдүүлүгү,жылуулук кыймылы учурунда өз ара кагылышуу учурунда кинетикалык энергияны бири-бирине өткөрүп берүү аркылуу анын бөлүкчөлөрү тарабынан ишке ашырылат - бул жылуулук өткөрүмдүүлүк. Эгерде заттын белгилүү бир аймагы ысытылса, башкача айтканда, ага белгилүү өлчөмдө жылуулук берилсе, бир аз убакыттан кийин атомдордун же молекулалардын кагылышуусу аркылуу ички энергия бардык бөлүкчөлөр арасында орто эсеп менен бирдей бөлүштүрүлөт.
Жылуулук өткөргүчтүк кагылышуулардын жыштыгына, ал эми бөлүкчөлөрдүн ортосундагы орточо аралыкка катуу көз каранды экени түшүнүктүү. Ошондуктан, газ, өзгөчө идеалдуу газ, өтө төмөн жылуулук өткөрүмдүүлүк менен мүнөздөлөт жана бул касиет көбүнчө жылуулук изоляциясы үчүн колдонулат.
Реалдуу газдардын жылуулук өткөрүмдүүлүгү молекулалары эң жеңил жана ошол эле учурда көп атомдуу болгондор үчүн жогору. Бул шартка молекулярдык суутек эң көп, ал эми эң оор моноатомдук газ катары радон эң аз өлчөмдө жооп берет. Газ канчалык сейрек болсо, жылуулук өткөргүч ошончолук начар.
Жалпысынан идеалдуу газ үчүн энергияны жылуулук өткөрүмдүүлүк аркылуу өткөрүү өтө натыйжасыз процесс.
Конвекция
Газ үчүн жылуулук өткөрүүнүн бул түрү, мисалы, конвекция, ички энергия гравитациялык талаада айлануучу заттардын агымы аркылуу бөлүштүрүлөт. Ысык газдын жогору карай агымы термикалык кеңейүүдөн улам тыгыздыгы аз болгондуктан, Архимед күчтөрүнүн эсебинен пайда болот. Жогору карай жылыган ысык газ тынымсыз муздак газга алмаштырылат - газ агымдарынын циркуляциясы орнойт. Ошондуктан, эффективдүү, башкача айтканда, конвекция аркылуу эң тез жылытуу үчүн газ багын суу менен чайнек сыяктуу ылдый жактан жылытуу керек.
Эгер газдан жылуулуктун кандайдыр бир өлчөмүн алуу керек болсо, муздаткычты үстү жагына коюу натыйжалуураак болот, анткени муздаткычка энергия берген газ тартылуу күчүнүн таасири астында ылдый кулап кетет..
Газдагы конвекциянын мисалы катары жылытуу системаларынын жардамы менен ички абаны жылытуу (алар бөлмөгө мүмкүн болушунча төмөн жайгаштырылган) же кондиционердин жардамы менен муздатуу, ал эми табигый шарттарда жылуулук конвекция кубулушу себеп болот. аба массаларынын кыймылы аба ырайына жана климатка таасирин тийгизет.
Гравитация жок болгон учурда (космос кораблинде салмаксыздык менен) конвекция, башкача айтканда аба агымдарынын циркуляциясы орнотулбайт. Андыктан космостук кеменин бортунда газ күйгүчтөрүн же ширеңкени күйгүзүүнүн мааниси жок: ысык күйүү продуктулары жогору жакка чыкпайт, ал эми от булагына кычкылтек берилип, жалын өчөт.
Радианттык которуу
Атомдор жана молекулалар электромагниттик кванттарды - фотондорду сиңирүү аркылуу энергияга ээ болгондо, жылуулук нурлануунун таасири астында зат да ысышы мүмкүн. Төмөн фотон жыштыктарында бул процесс анча эффективдүү эмес. Эске салсак, микротолкундуу мешти ачканда ичинен ысык тамак табабыз, бирок ысык аба эмес. Радиациянын жыштыгынын жогорулашы менен радиациялык ысытуунун эффектиси күчөйт, мисалы, Жердин атмосферасынын жогорку катмарында өтө сейрек кездешүүчү газ интенсивдүү ысытылат жанакүндүн ультра кызгылт көк нуру менен иондоштурулган.
Ар түрдүү газдар жылуулук нурлануусун ар кандай деңгээлде соруп алышат. Ошентип, суу, метан, көмүр кычкыл газы аны абдан күчтүү соруп алат. Парник эффектинин көрүнүшү ушул касиетке негизделген.
Термодинамиканын биринчи мыйзамы
Жалпысынан алганда, газды жылытуу (жылуулук берүү) аркылуу ички энергиянын өзгөрүшү, ошондой эле газ молекулаларында же аларга тышкы күч аркылуу (ал ошол эле жол менен белгиленет, бирок карама-каршы келет) иштөөгө да келип чыгат. белги). Бир абалдан экинчи абалга өтүүнүн мындай жолунда кандай иштер аткарылат? Энергиянын сакталуу мыйзамы бул суроого жооп берүүгө, тагыраак айтканда, термодинамикалык системалардын жүрүм-турумуна карата аны конкреттештирүүгө жардам берет - термодинамиканын биринчи мыйзамы.
Энергиянын сакталышынын мыйзамы же универсалдуу принциби анын эң жалпыланган түрүндө энергия жоктон жаралбайт жана изи калбай жок болуп кетпейт, бир түрдөн экинчи түргө гана өтөт дейт. Термодинамикалык системага карата муну система аткарган жумуш системага берилген жылуулуктун көлөмү (идеалдуу газ) менен анын ички энергиясынын өзгөрүшүнүн ортосундагы айырма менен туюнтулгандай кылып түшүнүү керек. Башкача айтканда, газга берилген жылуулуктун көлөмү бул өзгөртүүгө жана системанын иштешине жумшалат.
Бул формулалар түрүндө бир топ жеңил жазылган: dA=dQ – dU, жана ошого жараша dQ=dU + dA.
Бул чоңдуктар мамлекеттердин ортосунда өтүү жолуна көз каранды эмес экенин билебиз. Бул өтүүнүн ылдамдыгы жана натыйжада натыйжалуулугу ыкмадан көз каранды.
Экинчисине келсектермодинамиканын башталышы, андан кийин өзгөрүү багытын белгилейт: жылуулукту сырттан кошумча энергиясыз муздак (демек, энергиясы аз) газдан ысыкка өткөрүү мүмкүн эмес. Экинчи мыйзам ошондой эле системанын жумуш аткарууга сарптаган энергиянын бир бөлүгү сөзсүз түрдө чачырап, жоголуп (жок болбой, бирок жараксыз формага айланат) көрсөтөт.
Термодинамикалык процесс
Идеалдуу газдын энергетикалык абалдарынын ортосундагы өтүүлөр анын тигил же бул параметринин өзгөрүшүнүн ар кандай моделине ээ болушу мүмкүн. Ар кандай түрдөгү өтүү процесстериндеги ички энергия да өзүн башкача алып жүрөт. Келгиле, мындай процесстердин бир нече түрүн кыскача карап чыгалы.
- Изохоралык процесс көлөмдүн өзгөрүүсүз жүрөт, демек, газ иштебейт. Газдын ички энергиясы акыркы жана баштапкы температуранын ортосундагы айырмага жараша өзгөрөт.
- Изобарикалык процесс туруктуу басымда жүрөт. Газ иштейт жана анын жылуулук энергиясы мурункудай эле эсептелет.
- Изотермиялык процесс туруктуу температура менен мүнөздөлөт, демек, жылуулук энергиясы өзгөрбөйт. Газ алган жылуулуктун көлөмү толугу менен жумушка жумшалат.
- Адиабаттык же адиабаттык процесс жылуулук өткөрбөй турган газда, жылуулук изоляцияланган резервуарда жүрөт. Жылуулук энергиясынын эсебинен гана жумуш аткарылат: dA=- dU. Адиабаттык кысуу менен жылуулук энергиясы, тиешелүүлүгүнө жараша, кеңейүү менен көбөйөтазаюуда.
Жылуулук кыймылдаткычтарынын иштешинин негизинде ар кандай изопроцесстер жатат. Ошентип, изохоралык процесс бензин кыймылдаткычында поршеньдин цилиндрдеги экстремалдык позицияларында жүрөт, ал эми кыймылдаткычтын экинчи жана үчүнчү тактылары адиабаттык процесстин мисалы болуп саналат. Суюлтулган газдарды алууда адиабаттык кеңейүү маанилүү роль ойнойт - анын аркасында газ конденсациясы мүмкүн болот. Газдардагы изопроцесстер, аларды изилдөөдө идеалдуу газдын ички энергиясы түшүнүгүсүз жүргүзүлбөйт, көптөгөн табигый кубулуштарга мүнөздүү жана техниканын ар кандай тармактарында колдонулат.
