Farklı derecelerde yaklaşıklık modelleri kullanarak belirli bir fiziksel fenomeni veya fenomen sınıfını düşünmek uygundur. Örneğin, bir gazın davranışını tanımlarken fiziksel bir model kullanılır - ideal bir gaz.
Herhangi bir modelin uygulanabilirlik sınırları vardır, bunun ötesinde iyileştirilmesi veya daha karmaşık seçeneklerin uygulanması gerekir. Burada, belirli sınırlar içinde gazların en temel özelliklerine dayanan bir fiziksel sistemin iç enerjisini tanımlamanın basit bir örneğini ele alıyoruz.
İdeal gaz
Bu fiziksel model, bazı temel süreçleri tanımlamanın rahatlığı için, gerçek bir gazı aşağıdaki gibi basitleştirir:
- Gaz moleküllerinin boyutunu ihmal eder. Bu, yeterli bir açıklama için bu parametrenin gerekli olmadığı fenomenler olduğu anlamına gelir.
- Moleküller arası etkileşimleri ihmal eder, yani ilgilendiği süreçlerde ihmal edilebilir zaman aralıklarında göründüklerini ve sistemin durumunu etkilemediğini kabul eder. Bu durumda, etkileşimler, herhangi bir enerji kaybının olmadığı, kesinlikle esnek bir etkinin doğasındadır.deformasyon.
- Moleküllerin tank duvarlarıyla etkileşimini ihmal eder.
- "Gaz deposu" sisteminin termodinamik denge ile karakterize edildiğini varsayalım.
Bu model, basınçlar ve sıcaklıklar nispeten düşükse gerçek gazları tanımlamak için uygundur.
Fiziksel bir sistemin enerji durumu
Herhangi bir makroskopik fiziksel sistem (bir kaptaki vücut, gaz veya sıvı), kendi kinetik ve potansiyeline ek olarak, bir tür daha enerjiye sahiptir - içsel. Bu değer, fiziksel sistemi oluşturan tüm alt sistemlerin - moleküllerin enerjilerinin toplanmasıyla elde edilir.
Bir gazdaki her molekülün ayrıca kendi potansiyeli ve kinetik enerjisi vardır. İkincisi, moleküllerin sürekli kaotik termal hareketinden kaynaklanmaktadır. Aralarındaki çeşitli etkileşimler (elektriksel çekim, itme) potansiyel enerji tarafından belirlenir.
Fiziksel sistemin herhangi bir parçasının enerji durumunun sistemin makroskopik durumu üzerinde herhangi bir etkisi yoksa, dikkate alınmadığı unutulmamalıdır. Örneğin, normal koşullar altında nükleer enerji, fiziksel bir nesnenin durumundaki değişikliklerde kendini göstermez, bu nedenle dikkate alınması gerekmez. Ancak yüksek sıcaklık ve basınçlarda bu zaten gereklidir.
Böylece, vücudun iç enerjisi, parçacıklarının hareketinin ve etkileşiminin doğasını yansıtır. Bu, terimin yaygın olarak kullanılan "termal enerji" terimiyle eş anlamlı olduğu anlamına gelir.
Monatomik ideal gaz
Monatomik gazlar, yani atomları moleküller halinde birleştirilmemiş olanlar doğada bulunur - bunlar asal gazlardır. Oksijen, nitrojen veya hidrojen gibi gazlar, atomları kimyasal olarak aktif olduğundan ve bir molekül oluşturma eğiliminde olduklarından, ancak bu durumu sürekli yenilemek için dışarıdan enerji harcandığı koşullar altında böyle bir durumda bulunabilirler.
Hacim hacmi olan bir kaba yerleştirilen monatomik bir ideal gazın enerji durumunu ele alalım. Bu en basit durumdur. Atomların kendi aralarında ve kabın duvarları ile elektromanyetik etkileşiminin ve dolayısıyla potansiyel enerjilerinin ihmal edilebilir olduğunu hatırlıyoruz. Dolayısıyla bir gazın iç enerjisi yalnızca atomlarının kinetik enerjilerinin toplamını içerir.
Bir gazdaki atomların ortalama kinetik enerjisini sayılarıyla çarparak hesaplanabilir. Ortalama enerji E=3/2 x R / NA x T'dir, burada R evrensel gaz sabitidir, NA Avogadro'nun sayısıdır, T mutlak gaz sıcaklığıdır. Atom sayısı, madde miktarının Avogadro sabiti ile çarpılmasıyla hesaplanır. Monatomik bir gazın iç enerjisi şuna eşit olacaktır: U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Burada m kütle ve M gazın molar kütlesidir.
Gazın kimyasal bileşiminin ve kütlesinin her zaman aynı kaldığını varsayalım. Bu durumda elde ettiğimiz formülden de anlaşılacağı gibi iç enerji sadece gazın sıcaklığına bağlıdır. Gerçek gaz için, ek olarak dikkate alınması gerekecektir.sıcaklık, atomların potansiyel enerjisini etkilediği için hacimdeki değişim.
Moleküler gazlar
Yukarıdaki formülde, 3 sayısı bir monatomik parçacığın hareket serbestliği derecesi sayısını karakterize eder - uzaydaki koordinatların sayısı ile belirlenir: x, y, z. Tek atomlu bir gazın durumu için, atomlarının dönüp dönmemesi hiç önemli değildir.
Moleküller küresel olarak asimetriktir, bu nedenle moleküler gazların enerji durumunu belirlerken, dönüşlerinin kinetik enerjisini hesaba katmak gerekir. İki atomlu moleküller, öteleme hareketiyle ilişkili listelenen serbestlik derecelerine ek olarak, karşılıklı olarak dik iki eksen etrafında dönme ile ilişkili iki tane daha vardır; çok atomlu moleküllerin böyle üç bağımsız dönme ekseni vardır. Sonuç olarak, iki atomlu gazların parçacıkları, f=5 serbestlik derecesi sayısı ile karakterize edilirken, çok atomlu moleküller f=6'ya sahiptir.
Termal hareketin doğasında var olan rastgelelik nedeniyle, hem dönme hem de öteleme hareketinin tüm yönleri kesinlikle eşit derecede olasıdır. Her hareket türünün katkıda bulunduğu ortalama kinetik enerji aynıdır. Bu nedenle, herhangi bir moleküler bileşimdeki ideal bir gazın iç enerjisini hesaplamamıza izin veren formülde f değerini değiştirebiliriz: U=f / 2 x m / M x RT.
Tabii ki formülden bu değerin madde miktarına yani ne kadar ve ne tür gaz aldığımıza ve bu gazın moleküllerinin yapısına bağlı olduğunu görüyoruz. Ancak, kütleyi ve kimyasal bileşimi değiştirmemeyi kabul ettiğimizden, dikkate alınsadece sıcaklığa ihtiyacımız var.
Şimdi de U değerinin gazın diğer özellikleriyle nasıl ilişkili olduğuna bakalım - hacim ve basınç.
İç enerji ve termodinamik durum
Sıcaklık, bildiğiniz gibi, sistemin termodinamik durumunun parametrelerinden biridir (bu durumda gaz). İdeal bir gazda, PV=m / M x RT (Clapeyron-Mendeleev denklemi olarak adlandırılan) ilişkisi ile basınç ve hacim ile ilişkilidir. Sıcaklık, ısı enerjisini belirler. Dolayısıyla ikincisi, bir dizi başka durum parametresi cinsinden ifade edilebilir. Önceki duruma olduğu kadar değiştirilme şekline de kayıtsızdır.
Sistemin bir termodinamik durumdan diğerine geçerken iç enerjisinin nasıl değiştiğini görelim. Böyle bir geçişteki değişimi, başlangıç ve son değerler arasındaki fark tarafından belirlenir. Sistem bazı ara durumlardan sonra orijinal durumuna dönerse, bu fark sıfıra eşit olacaktır.
Diyelim ki tanktaki gazı ısıttık (yani ona ek enerji getirdik). Gazın termodinamik durumu değişti: sıcaklığı ve basıncı arttı. Bu işlem ses seviyesini değiştirmeden devam eder. Gazımızın iç enerjisi arttı. Bundan sonra gazımız verilen enerjiden vazgeçerek orijinal durumuna soğudu. Örneğin, bu süreçlerin hızı gibi bir faktör önemli olmayacaktır. Herhangi bir ısıtma ve soğutma hızında gazın iç enerjisinde ortaya çıkan değişim sıfırdır.
Önemli olan nokta, aynı termal enerji değerinin bir değil birkaç termodinamik duruma karşılık gelebilmesidir.
Termal enerjideki değişimin doğası
Enerjiyi değiştirmek için iş yapılmalıdır. İş, gazın kendisi veya bir dış kuvvet tarafından yapılabilir.
İlk durumda, işin yapılması için harcanan enerji gazın iç enerjisinden kaynaklanmaktadır. Örneğin, pistonlu bir tankta sıkıştırılmış gazımız vardı. Piston serbest bırakılırsa, genleşen gaz onu kaldırmaya başlar, iş yapar (faydalı olması için, pistonun bir tür yükü kaldırmasına izin verin). Gazın iç enerjisi, yerçekimi ve sürtünme kuvvetlerine karşı iş için harcanan miktar kadar azalacaktır: U2=U1 – A. durumda, pistona uygulanan kuvvetin yönü ile pistonun hareket yönü aynı olduğu için gazın işi pozitiftir.
Pistonu indirmeye başlayalım, gaz basıncının kuvvetine karşı ve yine sürtünme kuvvetlerine karşı iş yapalım. Böylece gaza belirli bir miktarda enerji bildireceğiz. Burada, dış kuvvetlerin işi zaten pozitif olarak kabul edilir.
Mekanik işe ek olarak, gazdan enerji almanın veya ona enerji vermenin ısı transferi (ısı transferi) gibi bir yolu da vardır. Bir gazın ısıtılması örneğinde onunla zaten tanıştık. Isı transferi işlemleri sırasında gaza aktarılan enerjiye ısı miktarı denir. Üç tür ısı transferi vardır: iletim, konveksiyon ve ışınım transferi. Onlara daha yakından bakalım.
Termal iletkenlik
Bir maddenin ısı alışverişi yapabilme yeteneği,termal hareket sırasında karşılıklı çarpışmalar sırasında kinetik enerjiyi birbirine aktararak parçacıkları tarafından gerçekleştirilir - bu termal iletkenliktir. Maddenin belirli bir alanı ısıtılırsa, yani ona belirli bir miktarda ısı verilirse, bir süre sonra iç enerji, atomların veya moleküllerin çarpışmaları yoluyla ortalama olarak tüm parçacıklar arasında eşit olarak dağılacaktır.
Isı iletkenliğin büyük ölçüde çarpışmaların sıklığına ve bunun da parçacıklar arasındaki ortalama mesafeye bağlı olduğu açıktır. Bu nedenle, bir gaz, özellikle bir ideal gaz, çok düşük bir ısı iletkenliği ile karakterize edilir ve bu özellik genellikle ısı yalıtımı için kullanılır.
Gerçek gazlardan, molekülleri en hafif ve aynı zamanda çok atomlu olanlar için termal iletkenlik daha yüksektir. Moleküler hidrojen bu koşulu en fazla, radon ise en ağır monatomik gaz olarak en az karşılar. Gaz ne kadar nadirse, ısı iletkeni o kadar kötüdür.
Genel olarak, ideal bir gaz için ısıl iletim yoluyla enerji aktarımı çok verimsiz bir süreçtir.
Konveksiyon
Bir gaz için çok daha verimli olan, iç enerjinin yerçekimi alanında dolaşan madde akışı yoluyla dağıtıldığı konveksiyon gibi bu tür ısı transferidir. Sıcak gazın yukarı akışı, termal genleşme nedeniyle daha az yoğun olduğu için Arşimet kuvveti nedeniyle oluşur. Yukarı doğru hareket eden sıcak gaz sürekli olarak daha soğuk gazla değiştirilir - gaz akışlarının sirkülasyonu sağlanır. Bu nedenle verimli, yani konveksiyon yoluyla en hızlı ısıtmayı sağlamak için gaz deposunu alttan ısıtmak gerekir - tıpkı su ısıtıcısı gibi.
Gazdan bir miktar ısının alınması gerekiyorsa, buzdolabına enerji veren gaz yerçekimi etkisiyle aşağıya doğru akacağından, buzdolabını en üste yerleştirmek daha verimli olur..
Gazdaki konveksiyona bir örnek, ısıtma sistemleri kullanılarak iç ortam havasının ısıtılması (odaya mümkün olduğunca düşük yerleştirilirler) veya bir klima kullanılarak soğutulmasıdır ve doğal koşullarda, termal konveksiyon olgusu neden olur. hava kütlelerinin hareketi ve havayı ve iklimi etkiler.
Yerçekimi yokluğunda (bir uzay gemisinde ağırlıksız), konveksiyon, yani hava akımlarının dolaşımı kurulmaz. Bu yüzden uzay aracında gaz brülörleri veya kibrit yakmanın bir anlamı yok: sıcak yanma ürünleri yukarı doğru boş altılmayacak ve ateş kaynağına oksijen sağlanacak ve alev sönecek.
Işıyan aktarım
Atomlar ve moleküller elektromanyetik kuantumları - fotonları emerek enerji kazandığında, bir madde termal radyasyon etkisi altında da ısınabilir. Düşük foton frekanslarında bu işlem çok verimli değildir. Bir mikrodalga fırını açtığımızda, içinde sıcak yiyecek bulduğumuzu, ancak sıcak havanın bulunmadığını hatırlayın. Radyasyon frekansındaki bir artışla, radyasyon ısıtmasının etkisi artar, örneğin, Dünya'nın üst atmosferinde, oldukça nadir bir gaz yoğun bir şekilde ısıtılır vegüneş ultraviyole tarafından iyonize.
Farklı gazlar termal radyasyonu değişen derecelerde emer. Yani su, metan, karbondioksit onu oldukça güçlü bir şekilde emer. Sera etkisi olgusu bu özelliğe dayanmaktadır.
Termodinamiğin birinci yasası
Genel olarak konuşursak, gaz ısıtması (ısı transferi) yoluyla iç enerjideki değişim, aynı zamanda ya gaz molekülleri üzerinde ya da bir dış kuvvet yoluyla onlar üzerinde iş yapmakla ilgilidir (aynı şekilde gösterilir, ancak tersi ile gösterilir). işaret). Bu şekilde bir durumdan diğerine geçişte ne iş yapılır? Enerjinin korunumu yasası, bu soruyu, daha kesin olarak, termodinamiğin birinci yasası olan termodinamik sistemlerin davranışıyla ilgili olarak somutlaştırılmasını yanıtlamamıza yardımcı olacaktır.
En genel haliyle enerjinin korunumu yasası veya evrensel ilkesi, enerjinin yoktan doğmadığını ve iz bırakmadan kaybolmadığını, sadece bir biçimden diğerine geçtiğini söyler. Bir termodinamik sistemle ilgili olarak, bu, sistem tarafından yapılan iş, sisteme verilen ısı miktarı (ideal gaz) ile iç enerjisindeki değişim arasındaki fark olarak ifade edilecek şekilde anlaşılmalıdır. Yani gaza iletilen ısı miktarı bu değişime ve sistemin çalışmasına harcanır.
Bu çok daha kolay formüllerle yazılır: dA=dQ – dU ve buna göre dQ=dU + dA.
Bu niceliklerin durumlar arasındaki geçişin yapılma şekline bağlı olmadığını zaten biliyoruz. Bu geçişin hızı ve sonuç olarak verimliliği yönteme bağlıdır.
İkincisine gelincetermodinamiğin başlangıcı, daha sonra değişimin yönünü belirler: ısı, dışarıdan ek enerji girişi olmaksızın daha soğuk (ve dolayısıyla daha az enerjili) bir gazdan daha sıcak bir gaza aktarılamaz. İkinci yasa ayrıca, sistemin iş yapmak için harcadığı enerjinin bir kısmının kaçınılmaz olarak dağıldığını, kaybolduğunu (yok olmadığını, ancak kullanılamaz bir forma dönüştüğünü) belirtir.
Termodinamik süreçler
İdeal bir gazın enerji durumları arasındaki geçişler, parametrelerinin birinde veya diğerinde farklı değişim kalıplarına sahip olabilir. Farklı türlerdeki geçiş süreçlerindeki iç enerji de farklı davranacaktır. Bu tür işlemlerin birkaç türünü kısaca ele alalım.
- İzokorik işlem hacimde bir değişiklik olmadan ilerler, bu nedenle gaz çalışmaz. Gazın iç enerjisi, son ve başlangıç sıcaklıkları arasındaki farkın bir fonksiyonu olarak değişir.
- İzobarik süreç sabit basınçta gerçekleşir. Gaz çalışır ve termal enerjisi önceki durumda olduğu gibi hesaplanır.
- İzotermal süreç sabit bir sıcaklıkla karakterize edilir ve bu nedenle termal enerji değişmez. Gazın aldığı ısı miktarı tamamen iş yapmak için harcanır.
- Adyabatik veya adyabatik süreç, ısı transferi olmayan bir gazda, termal olarak yalıtılmış bir tankta gerçekleşir. İş sadece termal enerji pahasına yapılır: dA=- dU. Adyabatik sıkıştırma ile, termal enerji sırasıyla genleşme ile artarazalan.
Termal motorların işleyişinin altında çeşitli izoprosesler yatar. Bu nedenle, izokorik işlem, bir benzinli motorda, silindirdeki pistonun en uç konumlarında gerçekleşir ve motorun ikinci ve üçüncü vuruşları, adyabatik bir işlemin örnekleridir. Sıvılaştırılmış gazlar elde edilirken adyabatik genleşme önemli bir rol oynar - bu sayede gaz yoğuşması mümkün olur. İdeal bir gazın iç enerjisi kavramı olmadan çalışılamayan gazlardaki izoprosesler, birçok doğal fenomenin karakteristiğidir ve çeşitli teknoloji dallarında kullanılır.
