Müxtəlif dərəcədə yaxınlaşma modellərindən istifadə etməklə konkret fiziki hadisəni və ya hadisələr sinfini nəzərdən keçirmək rahatdır. Məsələn, qazın davranışını təsvir edərkən fiziki modeldən - ideal qazdan istifadə olunur.
İstənilən modelin tətbiqi məhdudiyyətləri var, onun hüdudlarından kənarda onun təkmilləşdirilməsi və ya daha mürəkkəb seçimlərin tətbiqi lazımdır. Burada biz müəyyən hədlər daxilində qazların ən vacib xassələrinə əsaslanan fiziki sistemin daxili enerjisini təsvir edən sadə bir hadisəni nəzərdən keçiririk.
İdeal qaz
Bu fiziki model bəzi fundamental prosesləri təsvir etmək rahatlığı üçün real qazı aşağıdakı kimi sadələşdirir:
- Qaz molekullarının ölçüsünə məhəl qoymur. Bu o deməkdir ki, adekvat təsvir üçün bu parametr vacib olmayan hadisələr var.
- Molekullararası qarşılıqlı təsirlərə məhəl qoymur, yəni onu maraqlandıran proseslərdə onların əhəmiyyətsiz vaxt intervallarında göründüyünü və sistemin vəziyyətinə təsir etmədiyini qəbul edir. Bu vəziyyətdə qarşılıqlı təsirlər tamamilə elastik təsir xarakteri daşıyır, bu zaman enerji itkisi yoxdur.deformasiya.
- Molekulların tank divarları ilə qarşılıqlı təsirini laqeyd edir.
- Fərz edək ki, "qaz anbarı" sistemi termodinamik tarazlıq ilə xarakterizə olunur.
Təzyiqlər və temperaturlar nisbətən aşağı olarsa, bu model real qazları təsvir etmək üçün uyğundur.
Fiziki sistemin enerji vəziyyəti
İstənilən makroskopik fiziki sistem (bədən, qaz və ya gəmidəki maye) öz kinetik və potensialına əlavə olaraq daha bir enerji növünə malikdir - daxili. Bu dəyər fiziki sistemi təşkil edən bütün alt sistemlərin - molekulların enerjilərinin cəmlənməsi ilə əldə edilir.
Qazdakı hər bir molekulun da öz potensialı və kinetik enerjisi var. Sonuncu, molekulların davamlı xaotik istilik hərəkəti ilə bağlıdır. Onların arasındakı müxtəlif qarşılıqlı təsirlər (elektrik cazibə, itələmə) potensial enerji ilə müəyyən edilir.
Yadda saxlamaq lazımdır ki, fiziki sistemin hər hansı bir hissəsinin enerji vəziyyəti sistemin makroskopik vəziyyətinə heç bir təsir göstərmirsə, o zaman nəzərə alınmır. Məsələn, normal şəraitdə nüvə enerjisi fiziki obyektin vəziyyətindəki dəyişikliklərdə özünü göstərmir, ona görə də onu nəzərə almaq lazım deyil. Lakin yüksək temperatur və təzyiqlərdə bu artıq lazımdır.
Beləliklə, bədənin daxili enerjisi onun hissəciklərinin hərəkətinin və qarşılıqlı təsirinin xarakterini əks etdirir. Bu o deməkdir ki, bu termin tez-tez istifadə olunan "istilik enerjisi" termini ilə sinonimdir.
Monatomik ideal qaz
Monatomik qazlar, yəni atomları molekullara birləşməyənlər təbiətdə mövcuddur - bunlar inert qazlardır. Oksigen, azot və ya hidrogen kimi qazlar yalnız bu vəziyyəti daim yeniləmək üçün xaricdən enerji sərf edildiyi şəraitdə belə bir vəziyyətdə mövcud ola bilər, çünki onların atomları kimyəvi cəhətdən aktivdir və bir molekula birləşməyə meyllidir.
Müəyyən həcmli qaba yerləşdirilmiş monoatomik ideal qazın enerji vəziyyətini nəzərdən keçirək. Bu, ən sadə haldır. Atomların öz aralarında və gəminin divarları ilə elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin və nəticədə onların potensial enerjisinin əhəmiyyətsiz olduğunu xatırlayırıq. Beləliklə, qazın daxili enerjisinə yalnız onun atomlarının kinetik enerjilərinin cəmi daxildir.
Qazdakı atomların orta kinetik enerjisini onların sayına vurmaqla hesablamaq olar. Orta enerji E=3/2 x R / NA x T, burada R universal qaz sabitidir, NA Avoqadro nömrəsidir, T - mütləq qazın temperaturudur. Atomların sayı maddənin miqdarını Avoqadro sabitinə vurmaqla hesablanır. Monatomik qazın daxili enerjisi bərabər olacaq U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Burada m kütlə, M isə qazın molyar kütləsidir.
Fərz edək ki, qazın kimyəvi tərkibi və kütləsi həmişə eyni qalır. Bu halda, əldə etdiyimiz düsturdan göründüyü kimi, daxili enerji yalnız qazın temperaturundan asılıdır. Real qaz üçün əlavə olaraq nəzərə almaq lazımdırtemperatur, atomların potensial enerjisinə təsir etdiyi üçün həcmdə dəyişiklik.
Molekulyar qazlar
Yuxarıdakı düsturda 3 rəqəmi monoatomik hissəciyin hərəkət sərbəstlik dərəcələrinin sayını xarakterizə edir - koordinatların koordinatlarının sayı ilə müəyyən edilir: x, y, z. Monatomik qazın vəziyyəti üçün onun atomlarının fırlanmasının heç bir əhəmiyyəti yoxdur.
Molekullar sferik asimmetrikdir, ona görə də molekulyar qazların enerji vəziyyətini təyin edərkən onların fırlanma kinetik enerjisini nəzərə almaq lazımdır. İki atomlu molekullar, tərcümə hərəkəti ilə bağlı sadalanan sərbəstlik dərəcələrinə əlavə olaraq, iki qarşılıqlı perpendikulyar ox ətrafında fırlanma ilə əlaqəli daha ikisinə malikdir; çox atomlu molekulların üç belə müstəqil fırlanma oxu var. Nəticədə, iki atomlu qazların hissəcikləri sərbəstlik dərəcələrinin sayı ilə xarakterizə olunur f=5, çox atomlu molekullar isə f=6.
İstilik hərəkətinə xas olan təsadüfiliyə görə, həm fırlanma, həm də köçürmə hərəkətinin bütün istiqamətləri tamamilə eyni dərəcədə ehtimal olunur. Hər bir hərəkət növü tərəfindən verilən orta kinetik enerji eynidir. Buna görə də, f dəyərini istənilən molekulyar tərkibli ideal qazın daxili enerjisini hesablamağa imkan verən düsturla əvəz edə bilərik: U=f / 2 x m / M x RT.
Əlbəttə, düsturdan görürük ki, bu qiymət maddənin miqdarından, yəni nə qədər və hansı qazı qəbul etdiyimizdən, həmçinin bu qazın molekullarının quruluşundan asılıdır. Ancaq kütləni və kimyəvi tərkibini dəyişdirməməyə razılaşdığımız üçün nəzərə alınbizə yalnız temperatur lazımdır.
İndi gəlin U-nun dəyərinin qazın digər xüsusiyyətləri - həcm, eləcə də təzyiqlə necə əlaqəli olduğuna baxaq.
Daxili enerji və termodinamik vəziyyət
Temperatur, bildiyiniz kimi, sistemin termodinamik vəziyyətinin parametrlərindən biridir (bu halda qaz). İdeal qazda təzyiq və həcmlə PV=m / M x RT (sözdə Klapeyron-Mendeleyev tənliyi) əlaqəsi ilə əlaqələndirilir. Temperatur istilik enerjisini təyin edir. Beləliklə, sonuncu digər dövlət parametrləri toplusu ilə ifadə edilə bilər. Əvvəlki vəziyyətə, eləcə də dəyişdirilmə tərzinə biganədir.
Sistem bir termodinamik vəziyyətdən digərinə keçəndə daxili enerjinin necə dəyişdiyini görək. İstənilən belə keçiddə onun dəyişməsi ilkin və son qiymətlər arasındakı fərqlə müəyyən edilir. Sistem bəzi aralıq vəziyyətdən sonra orijinal vəziyyətinə qayıdıbsa, bu fərq sıfıra bərabər olacaq.
Tutaq ki, biz çəndə qazı qızdırmışıq (yəni ona əlavə enerji gətirmişik). Qazın termodinamik vəziyyəti dəyişdi: onun temperaturu və təzyiqi artdı. Bu proses həcmi dəyişmədən gedir. Qazımızın daxili enerjisi artıb. Bundan sonra qazımız ilkin vəziyyətinə qədər soyuyaraq verilən enerjidən imtina etdi. Məsələn, bu proseslərin sürəti kimi bir amil əhəmiyyət kəsb etməyəcək. İstənilən qızdırma və soyutma sürətində qazın daxili enerjisində nəticələnən dəyişiklik sıfırdır.
Əhəmiyyətli məqam ondan ibarətdir ki, istilik enerjisinin eyni dəyəri bir deyil, bir neçə termodinamik vəziyyətə uyğun ola bilər.
İstilik enerjisindəki dəyişikliyin təbiəti
Enerji dəyişmək üçün iş görülməlidir. İş qazın özü və ya xarici qüvvə ilə edilə bilər.
Birinci halda işin yerinə yetirilməsi üçün enerji sərfi qazın daxili enerjisi ilə bağlıdır. Məsələn, pistonlu bir çəndə sıxılmış qazımız var idi. Piston sərbəst buraxılarsa, genişlənən qaz iş görərək onu qaldırmağa başlayacaq (faydalı olması üçün pistonun bir növ yük qaldırmasına icazə verin). Qazın daxili enerjisi cazibə və sürtünmə qüvvələrinə qarşı işə sərf olunan məbləğ qədər azalacaq: U2=U1 – A. Bu vəziyyətdə halda, qazın işi müsbətdir, çünki pistona tətbiq olunan qüvvənin istiqaməti pistonun hərəkət istiqaməti ilə eynidir.
Pistonu endirməyə başlayaq, qaz təzyiqi qüvvəsinə qarşı və yenidən sürtünmə qüvvələrinə qarşı işləyək. Beləliklə, biz qaza müəyyən miqdarda enerjini bildirəcəyik. Burada artıq xarici qüvvələrin işi müsbət hesab olunur.
Mexanik işlərlə yanaşı, qazdan enerji almaq və ya ona enerji vermək üçün istilik köçürmə (istilik ötürmə) kimi bir üsul da mövcuddur. Biz onunla artıq qazın qızdırılması timsalında tanış olmuşuq. İstilik ötürmə prosesləri zamanı qaza verilən enerjiyə istilik miqdarı deyilir. İstilik ötürmənin üç növü var: keçiricilik, konveksiya və radiasiya ötürmə. Gəlin onlara daha yaxından nəzər salaq.
İstilik keçiriciliyi
Maddənin istilik mübadiləsi qabiliyyəti,istilik hərəkəti zamanı qarşılıqlı toqquşmalar zamanı kinetik enerjini bir-birinə ötürməklə onun hissəcikləri tərəfindən həyata keçirilir - bu istilik keçiriciliyidir. Maddənin müəyyən sahəsi qızdırılırsa, yəni ona müəyyən miqdarda istilik verilirsə, bir müddətdən sonra atomların və ya molekulların toqquşması nəticəsində daxili enerji bütün hissəciklər arasında orta hesabla bərabər paylanır.
Aydındır ki, istilik keçiriciliyi güclü şəkildə toqquşmaların tezliyindən və bu da öz növbəsində hissəciklər arasındakı orta məsafədən asılıdır. Buna görə də, qaz, xüsusilə də ideal qaz, çox aşağı istilik keçiriciliyi ilə xarakterizə olunur və bu xüsusiyyət tez-tez istilik izolyasiyası üçün istifadə olunur.
Həqiqi qazlardan molekulları ən yüngül və eyni zamanda çox atomlu olanlar üçün istilik keçiriciliyi daha yüksəkdir. Molekulyar hidrogen bu şərtə ən çox, ən ağır monoatomik qaz kimi radon isə ən az dərəcədə cavab verir. Qaz nə qədər nadir olsa, istilik keçiriciliyi bir o qədər pisdir.
Ümumiyyətlə, ideal qaz üçün enerjinin istilik keçiriciliyi ilə ötürülməsi çox səmərəsiz bir prosesdir.
Konveksiya
Daxili enerjinin qravitasiya sahəsində dövran edən maddə axını vasitəsilə paylandığı konveksiya kimi istilik ötürülməsinin bu növü qaz üçün daha səmərəlidir. İsti qazın yuxarı axını Arximed qüvvəsi hesabına əmələ gəlir, çünki istilik genişlənməsi səbəbindən daha az sıxdır. Yuxarı doğru hərəkət edən isti qaz daim soyuq qazla əvəz olunur - qaz axınlarının dövranı qurulur. Buna görə də, səmərəli, yəni konveksiya vasitəsilə ən sürətli isitmə təmin etmək üçün qaz çənini aşağıdan qızdırmaq lazımdır - eynilə su ilə qazan kimi.
Qazdan müəyyən miqdarda istiliyi götürmək lazımdırsa, soyuducunu yuxarıya qoymaq daha səmərəlidir, çünki soyuducunun enerjisini verən qaz cazibə qüvvəsinin təsiri ilə aşağı sürətlə fırlanacaq..
Qazda konveksiyaya misal olaraq, istilik sistemlərindən istifadə etməklə daxili havanın qızdırılması (onlar otaqda mümkün qədər aşağı yerləşdirilir) və ya kondisionerdən istifadə edərək soyudulması, təbii şəraitdə isə istilik konveksiyası fenomeni səbəb olur. hava kütlələrinin hərəkəti və hava və iqlimə təsir edir.
Cazibə qüvvəsi olmadıqda (kosmik gəmidə çəkisizliklə) konveksiya, yəni hava axınlarının sirkulyasiyası qurulmur. Odur ki, kosmik gəminin göyərtəsində qaz ocaqları və ya kibrit yandırmağın mənası yoxdur: isti yanma məhsulları yuxarıya doğru atılmayacaq, yanğın mənbəyinə oksigen veriləcək və alov sönəcək.
Radiant transfer
Atomlar və molekullar elektromaqnit kvantlarını - fotonları udmaqla enerji əldə etdikdə, istilik şüalanmasının təsiri altında maddə də qıza bilər. Aşağı foton tezliklərində bu proses çox səmərəli deyil. Xatırladaq ki, mikrodalğalı sobanı açanda içərisində isti yemək görürük, amma isti hava deyil. Radiasiya tezliyinin artması ilə radiasiya istiliyinin təsiri artır, məsələn, Yerin yuxarı atmosferində yüksək dərəcədə nadirləşdirilmiş bir qaz intensiv şəkildə qızdırılır vəgünəş ultrabənövşəyi ilə ionlaşmışdır.
Müxtəlif qazlar istilik radiasiyasını müxtəlif dərəcələrdə udur. Beləliklə, su, metan, karbon qazı onu kifayət qədər güclü şəkildə udur. İstixana effekti fenomeni bu xüsusiyyətə əsaslanır.
Termodinamikanın birinci qanunu
Ümumiyyətlə desək, qazın qızdırılması (istilik ötürülməsi) vasitəsilə daxili enerjinin dəyişməsi həm də qaz molekulları üzərində və ya onların üzərində xarici qüvvə vasitəsilə (eyni şəkildə, lakin əksi ilə qeyd olunur) iş görməyə başlayır. işarəsi). Bir vəziyyətdən digərinə keçidin bu yolu ilə hansı işlər görülür? Enerjinin saxlanması qanunu bizə bu suala cavab verməyə kömək edəcək, daha dəqiq desək, onun termodinamik sistemlərin davranışı ilə bağlı konkretləşdirilməsi - termodinamikanın birinci qanunu.
Enerjinin qorunub saxlanmasının qanunu və ya universal prinsipi ən ümumiləşdirilmiş formada deyir ki, enerji yoxdan yaranmır və izsiz yox olmur, yalnız bir formadan digərinə keçir. Termodinamik sistemə münasibətdə bunu elə başa düşmək lazımdır ki, sistemin gördüyü iş sistemə verilən istilik miqdarı (ideal qaz) ilə onun daxili enerjisinin dəyişməsi arasındakı fərqlə ifadə edilsin. Başqa sözlə, qaza ötürülən istilik miqdarı bu dəyişikliyə və sistemin işləməsinə sərf olunur.
Bu, daha asan düsturlar şəklində yazılır: dA=dQ – dU və müvafiq olaraq, dQ=dU + dA.
Biz artıq bilirik ki, bu kəmiyyətlər dövlətlər arasında keçidin həyata keçirilmə üsulundan asılı deyil. Bu keçidin sürəti və nəticədə səmərəlilik üsuldan asılıdır.
İkinciyə gəlincətermodinamikanın başlanğıcıdır, sonra isə dəyişmə istiqamətini təyin edir: kənardan əlavə enerji daxil edilmədən istilik daha soyuq (və buna görə də daha az enerjili) qazdan daha isti qaza ötürülə bilməz. İkinci qanun onu da göstərir ki, sistemin işi yerinə yetirmək üçün xərclədiyi enerjinin bir hissəsi qaçılmaz olaraq dağılır, itirilir (yox olmur, lakin istifadəyə yararsız formaya çevrilir).
Termodinamik proseslər
İdeal qazın enerji halları arasında keçidlər onun bu və ya digər parametrlərində müxtəlif dəyişiklik nümunələrinə malik ola bilər. Müxtəlif növ keçid proseslərində daxili enerji də fərqli davranacaqdır. Gəlin bu cür proseslərin bir neçə növünü qısaca nəzərdən keçirək.
- İzoxorik proses həcmi dəyişmədən gedir, ona görə də qaz heç bir işləmir. Qazın daxili enerjisi son və ilkin temperaturlar arasındakı fərqdən asılı olaraq dəyişir.
- İzobar proses sabit təzyiqdə baş verir. Qaz işləyir və onun istilik enerjisi əvvəlki vəziyyətdə olduğu kimi hesablanır.
- İzotermik proses sabit temperaturla xarakterizə olunur və buna görə də istilik enerjisi dəyişmir. Qazın aldığı istilik miqdarı tamamilə işin görülməsinə sərf olunur.
- Adiabatik və ya adiabatik proses istilik ötürülməsi olmayan qazda, istilik izolyasiya edilmiş çəndə baş verir. İş yalnız istilik enerjisi hesabına aparılır: dA=- dU. Adiabatik sıxılma ilə istilik enerjisi müvafiq olaraq genişlənmə ilə artırazalır.
Termik mühərriklərin işləməsinin əsasında müxtəlif izoproseslər dayanır. Beləliklə, izoxorik proses benzin mühərrikində silindrdəki pistonun ekstremal mövqelərində baş verir və mühərrikin ikinci və üçüncü vuruşları adiabatik prosesə nümunədir. Mayeləşdirilmiş qazları əldə edərkən adiabatik genişlənmə mühüm rol oynayır - bunun sayəsində qaz kondensasiyası mümkün olur. İdeal qazın daxili enerjisi anlayışı olmadan öyrənilməsi mümkün olmayan qazlarda olan izoproseslər bir çox təbiət hadisələri üçün xarakterikdir və texnologiyanın müxtəlif sahələrində istifadə olunur.
