Muayyan fizik hodisa yoki hodisalar sinfini har xil darajadagi yaqinlashish modellari yordamida ko'rib chiqish qulay. Masalan, gazning harakatini tavsiflashda fizik modeldan foydalaniladi - ideal gaz.
Har qanday modelning qoʻllash chegaralari bor, undan tashqarida uni takomillashtirish yoki murakkabroq variantlarni qoʻllash kerak. Bu yerda biz fizik tizimning ichki energiyasini ma'lum chegaralardagi gazlarning eng muhim xususiyatlariga asoslangan holda tavsiflashning oddiy holatini ko'rib chiqamiz.
Ideal gaz
Ushbu fizik model, ba'zi fundamental jarayonlarni tasvirlash qulayligi uchun haqiqiy gazni quyidagicha soddalashtiradi:
- Gaz molekulalarining hajmini e'tiborsiz qoldiradi. Bu shuni anglatadiki, adekvat tavsif uchun bu parametr muhim boʻlmagan hodisalar mavjud.
- Molekulyar oʻzaro taʼsirlarni eʼtiborsiz qoldiradi, yaʼni oʻzini qiziqtirgan jarayonlarda ular ahamiyatsiz vaqt oraliqlarida paydo boʻlishini va tizim holatiga taʼsir qilmasligini qabul qiladi. Bunday holda, o'zaro ta'sirlar mutlaqo elastik ta'sir xarakteriga ega bo'lib, unda energiya yo'qolmaydi.deformatsiya.
- Molekulalarning tank devorlari bilan o'zaro ta'sirini e'tiborsiz qoldiradi.
- Faraz qilaylik, "gaz rezervuari" tizimi termodinamik muvozanat bilan tavsiflanadi.
Bu model bosim va harorat nisbatan past boʻlsa, haqiqiy gazlarni tavsiflash uchun javob beradi.
Jismoniy tizimning energiya holati
Har qanday makroskopik jismoniy tizim (tana, idishdagi gaz yoki suyuqlik) o'zining kinetik va potentsialidan tashqari yana bir turdagi energiyaga ega - ichki. Bu qiymat fizik tizimni tashkil etuvchi barcha quyi tizimlar - molekulalarning energiyalarini jamlash orqali olinadi.
Gazdagi har bir molekulaning oʻziga xos potentsial va kinetik energiyasi ham bor. Ikkinchisi molekulalarning uzluksiz xaotik issiqlik harakati bilan bog'liq. Ular orasidagi turli oʻzaro taʼsirlar (elektr tortishish, itarilish) potentsial energiya bilan belgilanadi.
Shuni esda tutish kerakki, agar jismoniy tizimning biron bir qismining energiya holati tizimning makroskopik holatiga hech qanday ta'sir ko'rsatmasa, u hisobga olinmaydi. Masalan, normal sharoitda yadro energiyasi jismoniy ob'ekt holatidagi o'zgarishlarda o'zini namoyon qilmaydi, shuning uchun uni hisobga olish kerak emas. Lekin yuqori harorat va bosimlarda bu allaqachon zarur.
Shunday qilib, tananing ichki energiyasi uning zarrachalarining harakati va o'zaro ta'sirining tabiatini aks ettiradi. Bu shuni anglatadiki, bu atama tez-tez ishlatiladigan "issiqlik energiyasi" atamasi bilan sinonimdir.
Monatomik ideal gaz
Monatomik gazlar, ya'ni atomlari molekulalarga birlashtirilmaganlar tabiatda mavjud - bular inert gazlardir. Kislorod, azot yoki vodorod kabi gazlar bunday holatda faqat bu holatni doimiy ravishda yangilash uchun tashqaridan energiya sarflangandagina mavjud bo'lishi mumkin, chunki ularning atomlari kimyoviy jihatdan faol va molekulaga birlashishga moyildir.
Keling, ma'lum hajmli idishga joylashtirilgan monoatomik ideal gazning energiya holatini ko'rib chiqaylik. Bu eng oddiy holat. Atomlarning o'zlari va tomir devorlari bilan elektromagnit o'zaro ta'siri va shuning uchun ularning potentsial energiyasi ahamiyatsiz ekanligini eslaymiz. Shunday qilib, gazning ichki energiyasi faqat uning atomlarining kinetik energiyalari yig'indisini o'z ichiga oladi.
Buni gazdagi atomlarning oʻrtacha kinetik energiyasini ularning soniga koʻpaytirish yoʻli bilan hisoblash mumkin. O'rtacha energiya E=3/2 x R / NA x T, bu erda R universal gaz doimiysi, NA - Avogadro soni, T - gazning mutlaq harorati. Atomlar soni moddaning miqdorini Avogadro doimiysiga ko'paytirish yo'li bilan hisoblanadi. Monatomik gazning ichki energiyasi U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=ga teng bo’ladi. 3/2 x m / M x RT. Bu erda m - gazning massasi va M - molyar massasi.
Faraz qilaylik, gazning kimyoviy tarkibi va uning massasi doimo bir xil boʻlib qoladi. Bunday holda, biz olingan formuladan ko'rinib turibdiki, ichki energiya faqat gazning haroratiga bog'liq. Haqiqiy gaz uchun, bundan tashqari, hisobga olish kerak bo'ladiharorat, hajmning o'zgarishi, chunki u atomlarning potentsial energiyasiga ta'sir qiladi.
Molekulyar gazlar
Yuqoridagi formulada 3 raqami monotomik zarrachaning harakat erkinlik darajalari sonini xarakterlaydi - u fazodagi koordinatalar soni bilan aniqlanadi: x, y, z. Monatomik gazning holati uchun uning atomlari aylanyaptimi yoki yo'qmi, umuman ahamiyati yo'q.
Molekulalar sferik assimetrikdir, shuning uchun molekulyar gazlarning energiya holatini aniqlashda ularning aylanish kinetik energiyasini hisobga olish kerak. Ikki atomli molekulalar, translatsiya harakati bilan bog'liq sanab o'tilgan erkinlik darajalariga qo'shimcha ravishda, ikkita o'zaro perpendikulyar o'q atrofida aylanish bilan bog'liq yana ikkitasiga ega; ko'p atomli molekulalar uchta mustaqil aylanish o'qlariga ega. Binobarin, ikki atomli gazlarning zarralari erkinlik darajalari soni f=5 bilan tavsiflanadi, ko'p atomli molekulalar esa f=6.
Termal harakatga xos tasodifiylik tufayli aylanish va translatsiya harakatining barcha yo'nalishlari mutlaqo bir xil ehtimolga ega. Har bir harakat turi tomonidan qo'shilgan o'rtacha kinetik energiya bir xil. Shuning uchun f ning qiymatini formulaga almashtirishimiz mumkin, bu bizga har qanday molekulyar tarkibdagi ideal gazning ichki energiyasini hisoblash imkonini beradi: U=f / 2 x m / M x RT.
Albatta formuladan koʻramizki, bu qiymat moddaning miqdoriga, yaʼni qancha va qanday gaz olganimizga, shuningdek, bu gaz molekulalarining tuzilishiga bogʻliq. Biroq, biz massa va kimyoviy tarkibni o'zgartirmaslikka rozi bo'lganimiz sababli, hisobga olingbizga faqat harorat kerak.
Endi U ning qiymati gazning boshqa xarakteristikalari - hajmi va bosimi bilan qanday bog'liqligini ko'rib chiqamiz.
Ichki energiya va termodinamik holat
Harorat, ma'lumki, tizimning termodinamik holatining parametrlaridan biri (bu holda gaz). Ideal gazda u bosim va hajm bilan PV=m / M x RT (Klapeyron-Mendeleyev tenglamasi deb ataladigan) munosabati bilan bog'liq. Harorat issiqlik energiyasini belgilaydi. Shunday qilib, ikkinchisi boshqa davlat parametrlari to'plamida ifodalanishi mumkin. U avvalgi holatga ham, uning o‘zgarishiga ham befarq.
Tizim bir termodinamik holatdan ikkinchisiga oʻtganda ichki energiya qanday oʻzgarishini koʻraylik. Har qanday bunday o'tishda uning o'zgarishi boshlang'ich va yakuniy qiymatlar orasidagi farq bilan belgilanadi. Agar oraliq holatdan keyin tizim asl holatiga qaytsa, bu farq nolga teng boʻladi.
Deylik, biz bakdagi gazni isitdik (ya'ni, biz unga qo'shimcha energiya keltirdik). Gazning termodinamik holati o'zgardi: uning harorati va bosimi ortdi. Bu jarayon ovoz balandligini o'zgartirmasdan ketadi. Gazimizning ichki energiyasi oshdi. Shundan so'ng gazimiz o'zining dastlabki holatiga sovib, berilgan energiyadan voz kechdi. Masalan, bu jarayonlarning tezligi kabi omil muhim bo'lmaydi. Isitish va sovutishning istalgan tezligida gazning ichki energiyasining natijada o'zgarishi nolga teng.
Muhim nuqta shundaki, issiqlik energiyasining bir xil qiymati bir emas, balki bir nechta termodinamik holatga mos kelishi mumkin.
Issiqlik energiyasining oʻzgarishi tabiati
Energiyani o'zgartirish uchun ish qilish kerak. Ish gazning o'zi yoki tashqi kuch bilan bajarilishi mumkin.
Birinchi holda, ishni bajarish uchun energiya sarfi gazning ichki energiyasiga bog'liq. Misol uchun, bizda pistonli tankda siqilgan gaz bor edi. Agar piston bo'shatilgan bo'lsa, kengayuvchi gaz uni ko'tarib, ishlay boshlaydi (foydali bo'lishi uchun piston qandaydir yukni ko'tarsin). Gazning ichki energiyasi tortishish va ishqalanish kuchlariga qarshi ish uchun sarflangan miqdorga kamayadi: U2=U1 – A. Bunda Bunday holda, gazning ishi musbat, chunki pistonga qo'llaniladigan kuchning yo'nalishi pistonning harakat yo'nalishi bilan bir xil bo'ladi.
Pistonni tushirishni boshlaylik, gaz bosimi kuchiga va yana ishqalanish kuchlariga qarshi ishni bajaramiz. Shunday qilib, biz gazga ma'lum miqdordagi energiya haqida xabar beramiz. Bu yerda tashqi kuchlarning ishi allaqachon ijobiy deb hisoblanadi.
Mexanik ishlardan tashqari, gazdan energiya olish yoki unga energiya berishning issiqlik uzatish (issiqlik uzatish) kabi usuli ham mavjud. Biz uni gazni isitish misolida allaqachon uchratdik. Issiqlik uzatish jarayonlarida gazga o'tkaziladigan energiya issiqlik miqdori deb ataladi. Issiqlik uzatishning uch turi mavjud: o'tkazuvchanlik, konveksiya va radiatsiya. Keling, ularni batafsil ko'rib chiqaylik.
Issiqlik o'tkazuvchanligi
Moddaning issiqlik almashish qobiliyati,uning zarralari tomonidan issiqlik harakati paytida o'zaro to'qnashuvlar paytida kinetik energiyani bir-biriga o'tkazish orqali amalga oshiriladi - bu issiqlik o'tkazuvchanligi. Agar moddaning ma'lum bir maydoni qizdirilsa, ya'ni unga ma'lum miqdorda issiqlik berilsa, ichki energiya bir muncha vaqt o'tgach, atomlar yoki molekulalarning to'qnashuvi orqali barcha zarralar o'rtasida o'rtacha bir xilda taqsimlanadi.
Issiqlik o'tkazuvchanligi to'qnashuvlar chastotasiga va o'z navbatida zarralar orasidagi o'rtacha masofaga kuchli bog'liqligi aniq. Shuning uchun gaz, ayniqsa ideal gaz juda past issiqlik o'tkazuvchanligi bilan ajralib turadi va bu xususiyat ko'pincha issiqlik izolatsiyasi uchun ishlatiladi.
Haqiqiy gazlarning issiqlik o'tkazuvchanligi molekulalari eng engil va ayni paytda ko'p atomli bo'lganlar uchun yuqoriroqdir. Molekulyar vodorod bu shartga eng katta darajada javob beradi va radon eng og'ir monoatomik gaz sifatida eng kam darajada. Gaz qanchalik kam bo'lsa, issiqlik o'tkazuvchanligi shunchalik yomon bo'ladi.
Umuman olganda, ideal gaz uchun energiyani issiqlik oʻtkazuvchanligi orqali uzatish juda samarasiz jarayondir.
Konveksiya
Ichki energiya tortishish maydonida aylanayotgan moddalar oqimi orqali taqsimlanadigan konveksiya kabi issiqlik uzatishning bu turi gaz uchun ancha samaraliroqdir. Issiq gazning yuqoriga qarab oqimi Arximed kuchi tufayli hosil bo'ladi, chunki u termal kengayish tufayli kamroq zichroqdir. Yuqoriga qarab harakatlanadigan issiq gaz doimiy ravishda sovuqroq gaz bilan almashtiriladi - gaz oqimlarining aylanishi o'rnatiladi. Shuning uchun, samarali, ya'ni konveksiya orqali eng tez isitishni ta'minlash uchun gaz idishini pastdan isitish kerak - xuddi suvli choynak kabi.
Agar gazdan ma'lum miqdordagi issiqlikni olish kerak bo'lsa, muzlatgichni yuqoriga qo'yish samaraliroq bo'ladi, chunki muzlatgichga energiya bergan gaz tortishish kuchi ta'sirida pastga tushadi..
Gazdagi konvektsiyaga misol qilib, isitish tizimlari yordamida ichki havoni isitish (ular iloji boricha xonaga joylashtiriladi) yoki konditsioner yordamida sovutish, tabiiy sharoitda esa issiqlik konvektsiyasi hodisasi sabab bo'ladi. havo massalarining harakati va ob-havo va iqlimga ta'sir qiladi.
Gravitatsiya bo'lmaganda (kosmik kemada vaznsizlik bilan) konvektsiya, ya'ni havo oqimlarining aylanishi o'rnatilmaydi. Demak, kosmik kemada gaz gorelkalari yoki gugurt yoqishning ma'nosi yo'q: issiq yonish mahsulotlari yuqoriga chiqmaydi, olov manbasiga kislorod yetkazib beriladi va olov o'chadi.
Radiant uzatish
Atomlar va molekulalar elektromagnit kvantlar - fotonlarni o'zlashtirish orqali energiya olganida, modda termal nurlanish ta'sirida ham qizishi mumkin. Past foton chastotalarida bu jarayon unchalik samarali emas. Eslatib o'tamiz, biz mikroto'lqinli pechni ochganimizda, biz ichida issiq ovqat topamiz, lekin issiq havo emas. Radiatsiya chastotasining oshishi bilan radiatsiyaviy isitishning ta'siri kuchayadi, masalan, Yerning yuqori atmosferasida juda kam uchraydigan gaz intensiv ravishda isitiladi vaquyosh ultrabinafsha nurlari bilan ionlangan.
Turli gazlar termal nurlanishni turli darajada yutadi. Shunday qilib, suv, metan, karbonat angidrid uni juda kuchli o'zlashtiradi. Issiqxona effekti hodisasi shu xususiyatga asoslanadi.
Termodinamikaning birinchi qonuni
Umuman olganda, gazni isitish (issiqlik uzatish) orqali ichki energiyaning oʻzgarishi ham gaz molekulalarida yoki ular ustida tashqi kuch (xuddi shu tarzda, lekin teskarisi) orqali ish bajarishga toʻgʻri keladi. belgisi). Bir holatdan ikkinchi holatga o'tishning bu usulida qanday ishlar amalga oshiriladi? Energiyaning saqlanish qonuni bizga bu savolga javob berishga yordam beradi, aniqrog'i, uni termodinamik tizimlarning xatti-harakatlariga nisbatan konkretlashtirish - termodinamikaning birinchi qonuni.
Energiyaning saqlanish qonuni yoki universal printsipi oʻzining eng umumlashgan koʻrinishida energiya yoʻqdan tugʻilmaydi va izsiz yoʻqolib ketmaydi, faqat bir shakldan ikkinchisiga oʻtadi, deydi. Termodinamik tizimga nisbatan buni shunday tushunish kerakki, tizim bajargan ish tizimga berilgan issiqlik miqdori (ideal gaz) va uning ichki energiyasining o'zgarishi o'rtasidagi farq bilan ifodalanadi. Boshqacha qilib aytganda, gazga uzatiladigan issiqlik miqdori ushbu o'zgarishga va tizimning ishlashiga sarflanadi.
Bu formulalar shaklida ancha oson yoziladi: dA=dQ – dU va shunga mos ravishda dQ=dU + dA.
Biz allaqachon bilamizki, bu miqdorlar davlatlar oʻrtasidagi oʻtishning amalga oshirilishiga bogʻliq emas. Ushbu o'tish tezligi va natijada samaradorlik usulga bog'liq.
Ikkinchiga kelsaktermodinamikaning boshlanishi, keyin u o'zgarish yo'nalishini belgilaydi: issiqlikni sovuqroq (va shuning uchun kamroq energiyali) gazdan issiqroq gazga tashqaridan qo'shimcha energiya kiritmasdan o'tkazib bo'lmaydi. Ikkinchi qonun ham shuni ko'rsatadiki, tizim ish bajarish uchun sarflagan energiyaning bir qismi muqarrar ravishda tarqaladi, yo'qoladi (yo'qolmaydi, lekin yaroqsiz shaklga aylanadi).
Termodinamik jarayonlar
Ideal gazning energiya holatlari orasidagi oʻtishlar uning u yoki bu parametrlarida turli xil oʻzgarishlarga ega boʻlishi mumkin. Har xil turdagi o'tish jarayonlarida ichki energiya ham har xil bo'ladi. Keling, bunday jarayonlarning bir nechta turlarini qisqacha ko'rib chiqaylik.
- Izoxorik jarayon hajm o'zgarmasdan davom etadi, shuning uchun gaz ishlamaydi. Gazning ichki energiyasi oxirgi va dastlabki haroratlar orasidagi farqga qarab o'zgaradi.
- Izobarik jarayon doimiy bosimda sodir bo'ladi. Gaz ishlaydi va uning issiqlik energiyasi avvalgi holatda bo'lgani kabi hisoblanadi.
- Izotermik jarayon doimiy harorat bilan tavsiflanadi va shuning uchun issiqlik energiyasi o'zgarmaydi. Gaz tomonidan olinadigan issiqlik miqdori to'liq ishlarni bajarishga sarflanadi.
- Adiabatik yoki adiabatik jarayon issiqlik o'tkazmaydigan gazda, issiqlik izolyatsiyalangan idishda sodir bo'ladi. Ish faqat issiqlik energiyasi hisobiga amalga oshiriladi: dA=- dU. Adiyabatik siqilish bilan issiqlik energiyasi mos ravishda kengayish bilan ortadikamaymoqda.
Termik dvigatellarning ishlashi asosida turli xil izoprotsesslar yotadi. Shunday qilib, izoxorik jarayon benzinli dvigatelda pistonning silindrdagi o'ta o'rinlarida sodir bo'ladi va dvigatelning ikkinchi va uchinchi zarbalari adiabatik jarayonga misol bo'ladi. Suyultirilgan gazlarni olishda adiabatik kengayish muhim rol o'ynaydi - bu tufayli gaz kondensatsiyasi mumkin bo'ladi. Gazlardagi izoprotsesslar, ularni o'rganishda ideal gazning ichki energiyasi tushunchasisiz amalga oshirib bo'lmaydi, ko'plab tabiiy hodisalarga xos bo'lib, texnikaning turli sohalarida qo'llaniladi.
