Este convenabil să luați în considerare un anumit fenomen fizic sau o clasă de fenomene folosind modele de diferite grade de aproximare. De exemplu, atunci când descrieți comportamentul unui gaz, se folosește un model fizic - un gaz ideal.
Orice model are limite de aplicabilitate, dincolo de care trebuie rafinat sau aplicate opțiuni mai complexe. Aici luăm în considerare un caz simplu de descriere a energiei interne a unui sistem fizic bazat pe cele mai esențiale proprietăți ale gazelor în anumite limite.
Gaz ideal
Acest model fizic, pentru comoditatea descrierii unor procese fundamentale, simplifică un gaz real după cum urmează:
- Neglijează dimensiunea moleculelor de gaz. Aceasta înseamnă că există fenomene pentru care acest parametru nu este esențial pentru o descriere adecvată.
- Neglijează interacțiunile intermoleculare, adică acceptă că în procesele care îl interesează acestea apar în intervale de timp neglijabile și nu afectează starea sistemului. În acest caz, interacțiunile sunt de natura unui impact absolut elastic, în care nu există pierderi de energiedeformare.
- Neglijează interacțiunea moleculelor cu pereții rezervorului.
- Să presupunem că sistemul „rezervor de gaz” este caracterizat de echilibru termodinamic.
Acest model este potrivit pentru descrierea gazelor reale dacă presiunile și temperaturile sunt relativ scăzute.
Starea energetică a unui sistem fizic
Orice sistem fizic macroscopic (corp, gaz sau lichid dintr-un vas) are, pe langa cinetica si potentialul propriu, inca un tip de energie - interna. Această valoare se obține prin însumarea energiilor tuturor subsistemelor care alcătuiesc sistemul fizic - molecule.
Fiecare moleculă dintr-un gaz are, de asemenea, propria sa energie potențială și cinetică. Acesta din urmă se datorează mișcării termice haotice continue a moleculelor. Diferitele interacțiuni dintre ele (atracție electrică, repulsie) sunt determinate de energia potențială.
Trebuie amintit că, dacă starea energetică a oricărei părți a sistemului fizic nu are niciun efect asupra stării macroscopice a sistemului, atunci nu este luată în considerare. De exemplu, în condiții normale, energia nucleară nu se manifestă prin modificări ale stării unui obiect fizic, deci nu trebuie să fie luată în considerare. Dar la temperaturi și presiuni ridicate, acest lucru este deja necesar.
Astfel, energia internă a corpului reflectă natura mișcării și interacțiunii particulelor sale. Aceasta înseamnă că termenul este sinonim cu termenul folosit în mod obișnuit „energie termică”.
gaz ideal monoatomic
Gazele monoatomice, adică cele ai căror atomi nu sunt combinați în molecule, există în natură - acestea sunt gaze inerte. Gaze precum oxigenul, azotul sau hidrogenul pot exista într-o astfel de stare numai în condițiile în care energia este cheltuită din exterior pentru a reînnoi constant această stare, deoarece atomii lor sunt activi chimic și tind să se combine într-o moleculă.
Să luăm în considerare starea energetică a unui gaz ideal monoatomic plasat într-un vas cu un anumit volum. Acesta este cel mai simplu caz. Ne amintim că interacțiunea electromagnetică a atomilor între ei și cu pereții vasului și, în consecință, energia lor potențială este neglijabilă. Deci energia internă a unui gaz include doar suma energiilor cinetice ale atomilor săi.
Se poate calcula prin înmulțirea energiei cinetice medii a atomilor dintr-un gaz cu numărul lor. Energia medie este E=3/2 x R / NA x T, unde R este constanta universală a gazului, NA este numărul lui Avogadro, T este temperatura absolută a gazului. Numărul de atomi se calculează prin înmulțirea cantității de materie cu constanta Avogadro. Energia internă a unui gaz monoatomic va fi egală cu U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Aici m este masa și M este masa molară a gazului.
Să presupunem că compoziția chimică a gazului și masa acestuia rămân întotdeauna aceleași. În acest caz, după cum se poate observa din formula pe care am obținut-o, energia internă depinde doar de temperatura gazului. Pentru gaz real, va fi necesar să se țină cont, în plus față detemperatura, modificarea volumului, deoarece afectează energia potențială a atomilor.
Gaze moleculare
În formula de mai sus, numărul 3 caracterizează numărul de grade de libertate de mișcare ale unei particule monoatomice - este determinat de numărul de coordonate din spațiu: x, y, z. Pentru starea unui gaz monoatomic, nu contează deloc dacă atomii lui se rotesc.
Moleculele sunt asimetrice sferic, prin urmare, la determinarea stării energetice a gazelor moleculare, este necesar să se țină cont de energia cinetică a rotației acestora. Moleculele diatomice, pe lângă gradele de libertate enumerate asociate cu mișcarea de translație, mai au două asociate cu rotația în jurul a două axe reciproc perpendiculare; moleculele poliatomice au trei astfel de axe de rotație independente. În consecință, particulele de gaze biatomice se caracterizează prin numărul de grade de libertate f=5, în timp ce moleculele poliatomice au f=6.
Datorită caracterului aleatoriu inerent mișcării termice, toate direcțiile atât ale mișcării de rotație, cât și ale mișcării de translație sunt absolut la fel de probabile. Energia cinetică medie contribuită de fiecare tip de mișcare este aceeași. Prin urmare, putem înlocui valoarea lui f în formula, care ne permite să calculăm energia internă a unui gaz ideal de orice compoziție moleculară: U=f / 2 x m / M x RT.
Desigur, vedem din formula că această valoare depinde de cantitatea de substanță, adică de cât și ce fel de gaz am luat, precum și de structura moleculelor acestui gaz. Cu toate acestea, deoarece am convenit să nu schimbăm masa și compoziția chimică, luați în considerareavem nevoie doar de temperatură.
Acum să ne uităm la modul în care valoarea lui U este legată de alte caracteristici ale gazului - volum, precum și presiune.
Energie internă și stare termodinamică
Temperatura, după cum știți, este unul dintre parametrii stării termodinamice a sistemului (în acest caz, gaz). Într-un gaz ideal, acesta este legat de presiune și volum prin relația PV=m / M x RT (așa-numita ecuație Clapeyron-Mendeleev). Temperatura determină energia termică. Deci, acesta din urmă poate fi exprimat în termeni de un set de alți parametri de stare. Este indiferent față de starea anterioară, precum și de modul în care a fost schimbată.
Să vedem cum se schimbă energia internă atunci când sistemul trece de la o stare termodinamică la alta. Schimbarea sa în orice astfel de tranziție este determinată de diferența dintre valorile inițiale și finale. Dacă sistemul a revenit la starea inițială după o stare intermediară, atunci această diferență va fi egală cu zero.
Să presupunem că am încălzit gazul din rezervor (adică i-am adus energie suplimentară). Starea termodinamică a gazului s-a schimbat: temperatura și presiunea acestuia au crescut. Acest proces se desfășoară fără modificarea volumului. Energia internă a gazului nostru a crescut. După aceea, gazul nostru a renunțat la energia furnizată, răcindu-se la starea inițială. Un astfel de factor precum, de exemplu, viteza acestor procese, nu va conta. Modificarea rezultată a energiei interne a gazului la orice rată de încălzire și răcire este zero.
Punctul important este că aceeași valoare a energiei termice poate corespunde nu uneia, ci mai multor stări termodinamice.
Natura schimbării energiei termice
Pentru a schimba energia, trebuie să se lucreze. Munca poate fi efectuată de gazul însuși sau de o forță externă.
În primul caz, consumul de energie pentru efectuarea muncii se datorează energiei interne a gazului. De exemplu, aveam gaz comprimat într-un rezervor cu piston. Dacă pistonul este eliberat, gazul în expansiune va începe să-l ridice, lucrând (pentru ca acesta să fie util, lăsați pistonul să ridice un fel de sarcină). Energia internă a gazului va scădea cu cantitatea cheltuită pentru lucrul împotriva forțelor gravitaționale și de frecare: U2=U1 – A. În acest caz În caz, lucrul gazului este pozitiv deoarece direcția forței aplicate pistonului este aceeași cu direcția de mișcare a pistonului.
Să începem să coborâm pistonul, lucrând împotriva forței presiunii gazului și din nou împotriva forțelor de frecare. Astfel, vom informa gazul despre o anumită cantitate de energie. Aici, munca forțelor externe este deja considerată pozitivă.
Pe lângă lucrul mecanic, există și o astfel de modalitate de a prelua energie din gaz sau de a-i oferi energie, cum ar fi transferul de căldură (transferul de căldură). L-am întâlnit deja în exemplul încălzirii unui gaz. Energia transferată gazului în timpul proceselor de transfer de căldură se numește cantitatea de căldură. Există trei tipuri de transfer de căldură: conducție, convecție și transfer radiativ. Să le aruncăm o privire mai atentă.
Conductivitate termică
Abilitatea unei substanțe de a schimba căldură,efectuată de particulele sale prin transferul energiei cinetice între ele în timpul ciocnirilor reciproce în timpul mișcării termice - aceasta este conductivitatea termică. Dacă o anumită zonă a substanței este încălzită, adică i se transmite o anumită cantitate de căldură, energia internă după un timp, prin ciocniri ale atomilor sau moleculelor, va fi distribuită în medie între toate particulele în mod uniform.
Este clar că conductivitatea termică depinde puternic de frecvența coliziunilor și asta, la rândul său, de distanța medie dintre particule. Prin urmare, un gaz, în special un gaz ideal, se caracterizează printr-o conductivitate termică foarte scăzută, iar această proprietate este adesea folosită pentru izolarea termică.
Dintre gazele reale, conductivitatea termică este mai mare pentru cele ale căror molecule sunt cele mai ușoare și în același timp poliatomice. Hidrogenul molecular îndeplinește această condiție în cea mai mare măsură, iar radonul, ca gaz monoatomic cel mai greu, în cea mai mică măsură. Cu cât gazul este mai rar, cu atât este mai rău conductor de căldură.
În general, transferul de energie prin conducție termică pentru un gaz ideal este un proces foarte ineficient.
Convecție
Mult mai eficient pentru un gaz este acest tip de transfer de căldură, cum ar fi convecția, în care energia internă este distribuită prin fluxul de materie care circulă în câmpul gravitațional. Fluxul ascendent de gaz fierbinte se formează datorită forței arhimedice, deoarece este mai puțin dens din cauza dilatației termice. Gazul fierbinte care se deplasează în sus este înlocuit constant cu gaz mai rece - se stabilește circulația fluxurilor de gaze. Prin urmare, pentru a asigura o încălzire eficientă, adică cea mai rapidă prin convecție, este necesară încălzirea rezervorului de gaz de dedesubt - exact ca un ceainic cu apă.
Dacă este necesar să luați o oarecare cantitate de căldură din gaz, atunci este mai eficient să plasați frigiderul în partea de sus, deoarece gazul care a dat energie frigiderului se va precipita în jos sub influența gravitației.
Un exemplu de convecție în gaz este încălzirea aerului din interior cu ajutorul sistemelor de încălzire (acestea sunt amplasate cât mai jos în încăpere) sau răcirea cu ajutorul unui aparat de aer condiționat, iar în condiții naturale, fenomenul de convecție termică provoacă mișcarea maselor de aer și afectează vremea și clima.
În absența gravitației (cu imponderabilitate într-o navă spațială), convecția, adică circulația curenților de aer, nu se stabilește. Prin urmare, nu are sens să aprinzi arzătoare cu gaz sau chibrituri la bordul navei spațiale: produsele de ardere fierbinți nu vor fi descărcate în sus, iar oxigenul va fi furnizat sursei de foc, iar flacăra se va stinge.
Transfer radiant
O substanță se poate încălzi și sub acțiunea radiației termice, atunci când atomii și moleculele dobândesc energie prin absorbția cuante electromagnetice - fotoni. La frecvențe joase de fotoni, acest proces nu este foarte eficient. Amintiți-vă că atunci când deschidem un cuptor cu microunde, găsim mâncare fierbinte în interior, dar nu aer cald. Odată cu creșterea frecvenței radiațiilor, efectul încălzirii prin radiații crește, de exemplu, în atmosfera superioară a Pământului, un gaz extrem de rarefiat este încălzit intens șiionizat de ultraviolete solare.
Diferitele gaze absorb radiația termică în grade diferite. Deci, apa, metanul, dioxidul de carbon o absorb destul de puternic. Fenomenul efectului de seră se bazează pe această proprietate.
Prima lege a termodinamicii
În general, modificarea energiei interne prin încălzirea cu gaz (transfer de căldură) se rezumă și la a lucra fie asupra moleculelor de gaz, fie asupra lor printr-o forță externă (care se notează în același mod, dar cu opusul). semn). Ce lucru se face în acest mod de trecere de la o stare la alta? Legea conservării energiei ne va ajuta să răspundem la această întrebare, mai precis, concretizarea ei în raport cu comportamentul sistemelor termodinamice – prima lege a termodinamicii.
Legea, sau principiul universal de conservare a energiei, în forma sa cea mai generalizată spune că energia nu se naște din nimic și nu dispare fără urmă, ci doar trece de la o formă la alta. În raport cu un sistem termodinamic, acesta trebuie înțeles în așa fel încât munca efectuată de sistem să fie exprimată în termeni de diferența dintre cantitatea de căldură transmisă sistemului (gazul ideal) și modificarea energiei sale interne. Cu alte cuvinte, cantitatea de căldură comunicată gazului este cheltuită pentru această schimbare și pentru funcționarea sistemului.
Acesta se scrie sub formă de formule mult mai ușor: dA=dQ – dU și, în consecință, dQ=dU + dA.
Știm deja că aceste cantități nu depind de modul în care se face trecerea între stări. Viteza acestei tranziții și, ca urmare, eficiența depind de metodă.
Cât pentru al doileaînceputul termodinamicii, apoi stabilește direcția schimbării: căldura nu poate fi transferată de la un gaz mai rece (și, prin urmare, mai puțin energetic) la unul mai fierbinte fără aport suplimentar de energie din exterior. A doua lege indică, de asemenea, că o parte din energia cheltuită de sistem pentru a efectua lucrări se disipează inevitabil, se pierde (nu dispare, ci se transformă într-o formă inutilizabilă).
Procese termodinamice
Tranzițiile între stările energetice ale unui gaz ideal pot avea diferite modele de schimbare a unuia sau altul dintre parametrii săi. Energia internă în procesele de tranziții de diferite tipuri se va comporta, de asemenea, diferit. Să luăm în considerare pe scurt mai multe tipuri de astfel de procese.
- Procesul izocor se desfășoară fără modificarea volumului, prin urmare, gazul nu funcționează. Energia internă a gazului se modifică în funcție de diferența dintre temperatura finală și cea inițială.
- Procesul izobaric are loc la presiune constantă. Gazul funcționează, iar energia sa termică este calculată în același mod ca în cazul precedent.
- Procesul izotermic este caracterizat de o temperatură constantă și, prin urmare, energia termică nu se modifică. Cantitatea de căldură primită de gaz este cheltuită în întregime pentru a lucra.
- Procesul adiabatic, sau adiabatic, are loc într-un gaz fără transfer de căldură, într-un rezervor izolat termic. Se lucrează numai în detrimentul energiei termice: dA=- dU. La compresia adiabatică, energia termică crește, respectiv cu dilatareaîn scădere.
Diferitele izoprocese stau la baza funcționării motoarelor termice. Astfel, procesul izocor are loc într-un motor pe benzină în pozițiile extreme ale pistonului din cilindru, iar a doua și a treia cursă ale motorului sunt exemple de proces adiabatic. La obținerea gazelor lichefiate, expansiunea adiabatică joacă un rol important - datorită acesteia, condensarea gazului devine posibilă. Izoprocesele din gaze, în studiul cărora nu se poate face fără conceptul de energie internă a unui gaz ideal, sunt caracteristice multor fenomene naturale și sunt utilizate în diferite ramuri ale tehnologiei.
