1. lehekülg

Aine siseenergia on ainet moodustavate molekulide energia. Tavalistes termodünaamilistes protsessides muutuvad ainult siseenergia kineetilised ja potentsiaalsed osad. Esimene sõltub molekulide liikumiskiirusest (translatsioon, pöörlemine, vibratsioon), teise määrab molekulide vastasmõju (tõmbe- või tõukejõud) olemasolu ja nendevaheline kaugus.

Aine siseenergia on selle koguenergia, mis koosneb kineetilisest ja potentsiaalsest energiast, ainet moodustavatest aatomitest ja molekulidest, samuti aatomeid ja molekule moodustavatest elementaarosakestest.

Aine siseenergia oleneb ainult tema füüsikalisest olekust ega sõltu sellest, kuidas või teekonnast antud aine antud olekusse viiakse. See tuleneb otseselt energia jäävuse seadusest. Tegelikult tähistagem numbritega 1 ja 2 süsteemi kaht suvalist olekut. Olgu V sellele üleminekule kulutatud energia. Sundime nüüd süsteemi tegema esimest üleminekut edasisuunas ja teist vastupidises suunas. Esimese ülemineku ajal kulutatakse energiat [ /, teisel - loobutakse U-st, seetõttu saavad süsteemi ümbritsevad väliskehad energiat U - V ja süsteemis endas muutusi ei toimu. U on positiivne või negatiivne, see ei oma tähtsust; igal juhul viis meie mõttekäik meid vastuollu energia jäävuse seadusega.

Aine siseenergia sõltub antud tingimustes mitte ainult selle keemilisest olemusest, vaid ka agregatsiooni olekust ja kristallide puhul nende muutumisest.

Aine siseenergia on selle koguenergia, mis liidetakse ainet moodustavate aatomite ja molekulide, samuti aatomeid ja molekule moodustavate elementaarosakeste kineetilisest ja potentsiaalsest energiast. See hõlmab: 1) kõigi osakeste translatsiooni-, pöörlemis- ja vibratsioonilise liikumise energiat; 2) nendevahelise vastasmõju (tõmbe- ja tõrjumise) potentsiaalne energia; 3) molekulisisene keemiline energia; 4) aatomisisene energia; 5) tuumaenergia; 6) gravitatsioonienergia; 7) kiirgusenergia, mis täidab keha poolt hõivatud ruumi ja tagab kehasisese soojusliku tasakaalu selle üksikute osade vahel. Siseenergia ei hõlma potentsiaalset energiat, mis tuleneb süsteemi asendist ruumis, ega kogu süsteemi liikumise kineetilist energiat.

Aine siseenergia muundatakse kiirgusenergiaks.

Aine siseenergia on kõigi molekulide kineetiliste energiate ja molekulidevahelise interaktsiooni potentsiaalsete energiate summa. Mida suurem on siseenergia, seda rohkem on kehas soojust ja seda kõrgem on selle temperatuur.

Aine siseenergia suurenemine aurustumisel ilma temperatuuri muutumiseta tuleneb peamiselt sellest, et auruks üleminekul suureneb molekulide keskmine kaugus. Samal ajal suureneb nende potentsiaalne energia, kuna molekulide pikkade vahemaade tagant lahku viimiseks tuleb teha tööd, et ületada molekulide üksteise külgetõmbejõud.

Aine siseenergia all mõistetakse molekulide liikumise kineetilise energia, nende interaktsiooni potentsiaalse energia, samuti molekulide sees olevate aatomite vibratsioonienergia summat. Keha oleku määramisel on siseenergia väärtus rangelt määratletud, seetõttu liigitatakse see ka keha seisundi parameetriteks.

Sel juhul muundatakse aine siseenergia kiirgusenergiaks (footonite või elektromagnetlainete energia), mis, kui see tabab kehasid, mis on võimelised seda neelama, muutub taas siseenergiaks. Näiteks kui kosmoselaev lendab planeetidevahelises ruumis, neelab selle pind Päikeselt kiirgust.

Kuna ainete siseenergia sõltub mahust, rõhust ja temperatuurist, siis ilmselgelt sõltuvad reaktsioonide termilised mõjud tingimustest, milles need reaktsioonid toimuvad. Praktikas on temperatuuri mõju protsesside termilisele mõjule kõige olulisem.

Näidake, et kujul pTf (V) oleva olekuvõrrandiga aine siseenergia ei sõltu mahust.

Näidake, et kujul p / (F) T oleva olekuvõrrandiga aine siseenergia ei sõltu mahust.

Aine siseenergia muutumise tõttu kuumutamisel sõltuvad peaaegu kõik viimaste füüsikalised omadused suuremal või vähemal määral temperatuurist, kuid selle mõõtmiseks valitakse neist võimalusel need, mis temperatuuriga selgelt muutuvad. , neid ei mõjuta muud tegurid ja neid on suhteliselt lihtne mõõta. Neid nõudeid täidavad kõige paremini sellised tööainete omadused nagu mahupaisumine, rõhu muutus suletud ruumalas, elektritakistuse muutus, termoelektromootorjõu ja kiirguse intensiivsus, mis on temperatuuri mõõtmise seadmete projekteerimise aluseks. .

Soojusnähtuste uurimisel võetakse koos kehade mehaanilise energiaga kasutusele uus energialiik- sisemine energia. Ideaalse gaasi siseenergia arvutamine pole keeruline.

Oma omadustelt on kõige lihtsam monoaatomiline gaas, st gaas, mis koosneb pigem üksikutest aatomitest kui molekulidest. Inertgaasid on üheaatomilised - heelium, neoon, argoon jne. Võite saada üheaatomilist (aatomilist) vesinikku, hapnikku jne. Sellised gaasid on aga ebastabiilsed, kuna aatomite kokkupõrked tekitavad molekule H 2, O 2 jne.

Ideaalse gaasi molekulid ei interakteeru üksteisega, välja arvatud otsese kokkupõrke hetked. Seetõttu on nende keskmine potentsiaalne energia väga väike ja kogu energia on molekulide kaootilise liikumise kineetiline energia. See kehtib muidugi juhul, kui anum gaasiga on puhkeasendis, st gaas tervikuna ei liigu (selle massikese on puhkeasendis). Sel juhul ei toimu järjestatud liikumist ja gaasi mehaaniline energia on null. Gaasil on energia, mida nimetatakse sisemiseks.

Ideaalse üheaatomilise massiga gaasi siseenergia arvutamiseks T peate korrutama ühe aatomi keskmise energia, mis on väljendatud valemiga (4.5.5), aatomite arvuga. See arv võrdub aine koguse korrutisega Avogadro konstandile N A .

Avaldise (4.5.5) korrutamine
, saame ideaalse üheaatomilise gaasi siseenergia:

(4.8.1)

Ideaalse gaasi siseenergia on otseselt võrdeline selle absoluutse temperatuuriga. See ei sõltu gaasi mahust. Gaasi siseenergia on kõigi selle aatomite keskmine kineetiline energia.

Kui gaasi massikese liigub kiirusega v 0 , siis on gaasi koguenergia võrdne mehaanilise (kineetilise) energia summaga ja sisemine energia U:

(4.8.2)

Molekulaarsete gaaside siseenergia

Monatoomilise gaasi siseenergia (4.8.1) on sisuliselt molekulide translatsioonilise liikumise keskmine kineetiline energia. Erinevalt aatomitest võivad molekulid, millel puudub sfääriline sümmeetria, siiski pöörata. Seetõttu on molekulidel koos translatsioonilise liikumise kineetilise energiaga ka pöörleva liikumise kineetiline energia.

Klassikalises molekulaarkineetilises teoorias peetakse aatomeid ja molekule väga väikesteks absoluutselt tahketeks kehadeks. Klassikalise mehaanika igale kehale on iseloomulik teatud arv vabadusastmeid f- sõltumatute muutujate (koordinaatide) arv, mis määravad üheselt keha asukoha ruumis. Sellest lähtuvalt on võrdne ka iseseisvate liigutuste arv, mida keha suudab teha f. Aatomit võib pidada mitme vabadusastmega homogeenseks kuuliks f = 3 (joonis 4.16, a). Aatom saab sooritada translatsioonilist liikumist ainult kolmes sõltumatus vastastikku risti olevas suunas. Kaheaatomilisel molekulil on aksiaalne sümmeetria (joonis 4.16, b ) ja sellel on viis vabadusastet. Kolm vabadusastet vastavad selle translatsioonilisele liikumisele ja kaks pöörlevale liikumisele ümber kahe üksteisega risti oleva telje ja sümmeetriatelje (molekuli aatomite keskpunkte ühendav joon). Polüaatomilist molekuli, nagu suvalise kujuga tahket keha, iseloomustab kuus vabadusastet (joon. 4.16, c ); Lisaks translatsioonilisele liikumisele saab molekul sooritada pöördeid ümber kolme üksteisega risti oleva telje.

Gaasi siseenergia oleneb molekulide vabadusastmete arvust. Soojusliikumise täieliku häire tõttu ei ole ühelgi molekuliliikumise tüübil eelist teise ees. Iga vabadusastme jaoks, mis vastab molekulide translatsiooni- või pöörlemisliikumisele, on sama keskmine kineetiline energia. See on teoreem kineetilise energia ühtlase jaotuse kohta vabadusastmete vahel (see on statistilises mehaanikas rangelt tõestatud).

Molekulide translatsioonilise liikumise keskmine kineetiline energia on võrdne . Translatsiooniline liikumine vastab kolmele vabadusastmele. Seega keskmine kineetiline energia ühe vabadusastme kohta on võrdne:

(4.8.3)

Kui see väärtus korrutatakse vabadusastmete arvu ja kaaluvate gaasimolekulide arvuga T, siis saame suvalise ideaalse gaasi siseenergia:

(4.8.4)

See valem erineb üheaatomilise gaasi valemist (4.8.1), asendades teguri 3 teguriga f.

Ideaalse gaasi siseenergia on otseselt võrdeline absoluutse temperatuuriga ega sõltu gaasi mahust.

Sisemine energia- see on molekulide liikumise ja vastastikmõju energia.

Kõigi keha moodustavate molekulide kineetiline energia ja nende vastasmõju potentsiaalne energia on keha siseenergia.

Kui keha peatub, siis mehaaniline liikumine peatub, kuid selle molekulide juhuslik (soojus) liikumine intensiivistub. Mehaaniline energia muundatakse keha siseenergiaks

Sisemine energiasõltub kehatemperatuurist, aine agregatsiooni seisundist ja muudest teguritest.

Keha siseenergia ei sõltu ei keha mehaanilisest liikumisest ega selle keha asendist teiste kehade suhtes.

Kui arvestada ühe molekuli kineetilist ja potentsiaalset energiat, siis on see väga väike väärtus, kuna molekuli mass on väike. Kuna keha sisaldab palju molekule, on keha siseenergia, mis on võrdne kõigi molekulide energiate summaga, suur.

Sisemise energia muutmise viisid

Temperatuuri tõustes suureneb keha siseenergia, kuna selle keha molekulide keskmine liikumiskiirus suureneb. Kui temperatuur langeb, siis vastupidi, keha siseenergia väheneb.

Kogemus: Kui kuumutada kummikorgiga pudelit, lendab kork mõne aja pärast välja.

Seega muutub keha siseenergia molekulide liikumiskiiruse muutumisel.

Sisemist energiat saab muuta kahel viisil:

1) mehaaniliste tööde tegemine. Sisemine energia suureneb, kui kehaga tööd tehakse, ja väheneb, kui tehakse tööd kehaga.

2) soojusülekande teel (soojusjuhtivus, konvektsioon, kiirgus). Kui keha eraldab soojust, siis sisemine energia väheneb ja kui ta saab soojust, siis see suureneb.

Soojusülekande tüübid. Katsed, mis illustreerivad soojusülekande liike. Soojusülekanne looduses, tehnoloogia, mehaanika.

Soojusvahetus (soojusülekanne) on siseenergia muutmise protsess, mis toimub ilma tööd tegemata.

1)

Soojusjuhtivus - soojusülekande liik, mille käigus energia kandub kokkupuutel ühelt kehalt teisele või selle ühest osast teise. Erinevatel ainetel on erinev soojusjuhtivus. Metallide soojusjuhtivus on kõrge, vedelike oma väiksem ja gaasidel madal. Soojusjuhtivuse korral aine ülekandumist ei toimu.

2) Konvektsioon- soojusülekande liik, milles energiat edastavad gaasi- ja vedelikujuga. Konvektsiooni on kahte tüüpi: loomulik ja sunnitud. Tahketes ainetes konvektsiooni ei toimu, kuna nende osakestel ei ole suurt liikuvust. Looduses ja inimelus võib leida palju konvektsiooni ilminguid. Konvektsioon leiab rakendust ka tehnoloogias.

3) Kiirgus - soojusülekande liik, milles energiat edastavad elektromagnetlained. Tumeda pinnaga kehad neelavad ja kiirgavad energiat paremini kui heleda pinnaga kehad. Seda kasutatakse praktikas.

* Soojusvahetuse käigus on antud soojushulk absoluutväärtuses võrdne saadud soojushulgaga või nende summa nulliga. Seda nimetatakse soojusbilansi tasemeks.

Koos mehaanilise energiaga on igal kehal (või süsteemil) siseenergia. Sisemine energia on puhkuse energia. See koosneb keha moodustavate molekulide termilisest kaootilisest liikumisest, nende vastastikuse paigutuse potentsiaalsest energiast, elektronide kineetilisest ja potentsiaalsest energiast aatomites, nukleonide tuumades jne.

Termodünaamikas on oluline teada mitte siseenergia absoluutväärtust, vaid selle muutumist.

Termodünaamilistes protsessides muutub ainult liikuvate molekulide kineetiline energia (soojusenergiast ei piisa aatomi, veel vähem tuuma struktuuri muutmiseks). Seetõttu tegelikult sisemise energia all termodünaamikas peame silmas energiat termiline kaootiline molekulide liikumine.

Sisemine energia Uüks mool ideaalset gaasi on võrdne:

Seega siseenergia sõltub ainult temperatuurist. Siseenergia U on süsteemi oleku funktsioon, olenemata taustast.

On selge, et üldjuhul võib termodünaamilisel süsteemil olla nii sise- kui ka mehaanilist energiat ning erinevad süsteemid võivad seda tüüpi energiat vahetada.

Vahetada mehaaniline energia iseloomustab täiuslik töö A, ja sisemise energia vahetus – ülekantud soojushulk Q.

Näiteks talvel viskasid kuuma kivi lumme. Potentsiaalse energia reservi tõttu tehti mehaanilist tööd lume kokkupressimiseks ning sisemise energia reservi tõttu lumi sulatati. Kui kivi oli külm, st. Kui kivi temperatuur on võrdne keskkonna temperatuuriga, siis tehakse ainult tööd, kuid siseenergia vahetust ei toimu.

Niisiis, töö ja soojus ei ole erilised energiavormid. Soojuse või töövarust ei saa rääkida. See ülekantud mõõt muu mehaanilise või sisemise energia süsteem. Võime rääkida nende energiate reservist. Lisaks saab mehaanilist energiat muundada soojusenergiaks ja vastupidi. Näiteks kui lööd alasi haamriga, siis mõne aja pärast vasar ja alasi kuumenevad (see on näide hajumine energia).

Võime tuua veel palju näiteid ühe energialiigi teisenemisest teiseks.

Kogemused näitavad, et kõigil juhtudel Mehaanilise energia muundamine soojusenergiaks ja vastupidi toimub alati rangelt samaväärsetes kogustes. See on termodünaamika esimese seaduse olemus, mis tuleneb energia jäävuse seadusest.

Kehale antav soojushulk läheb sisemise energia suurendamiseks ja keha töö tegemiseks:

- Seda see on termodünaamika esimene seadus , või energia jäävuse seadus termodünaamikas.

Allkirja reegel: kui soojus kandub keskkonnast üle see süsteem, ja kui süsteem teeb tööd ümbritsevatel kehadel, siis antud juhul . Võttes arvesse märgireeglit, saab termodünaamika esimese seaduse kirjutada järgmiselt:

Selles väljendis U– süsteemi oleku funktsioon; d U on selle kogudiferentsiaal ja δ K ja δ A nad ei ole. Igas olekus on süsteemil teatud ja ainult see siseenergia väärtus, nii et võime kirjutada:

,

Oluline on märkida, et kuumus K ja töötama A sõltuvad sellest, kuidas toimub üleminek olekust 1 olekusse 2 (isohooriliselt, adiabaatiliselt jne) ja siseenergiast U ei sõltu. Samas ei saa öelda, et süsteemil on antud oleku jaoks konkreetne soojuse ja töö väärtus.

Valemist (4.1.2) järeldub, et soojushulka väljendatakse samades ühikutes töö ja energiaga, s.o. džaulides (J).

Termodünaamikas on eriti olulised ringikujulised või tsüklilised protsessid, mille käigus süsteem naaseb pärast olekute jada läbimist oma algsesse olekusse. Joonis 4.1 näitab tsüklilist protsessi 1– A–2–b–1, ja töö A sai tehtud.

Riis. 4.1

Sest U on siis olekufunktsioon

See kehtib iga riigi funktsiooni kohta.

Kui siis termodünaamika esimese seaduse järgi, s.o. Võimatu on ehitada perioodiliselt töötavat mootorit, mis teeks rohkem tööd kui sellele väljastpoolt antav energia hulk. Teisisõnu, esimest tüüpi igiliikur on võimatu. See on üks termodünaamika esimese seaduse sõnastusi.

Tuleb märkida, et termodünaamika esimene seadus ei näita, millises suunas olekumuutuse protsessid toimuvad, mis on üks selle puudusi.

Nende interaktsioonid.

Siseneb sisemine energia energia muundumiste tasakaal looduses. Pärast sisemise energia avastamist see sõnastati energia jäävuse ja muundamise seadus. Vaatleme mehaaniliste ja sisemiste energiate vastastikust muundumist. Laske pliipallil pliiplaadil lebada. Tõstame selle üles ja laseme lahti. Palli tõstes andsime sellele potentsiaalset energiat. Kui pall kukub, siis see väheneb, sest pall langeb järjest madalamale. Kuid kiiruse suurenedes suureneb palli kineetiline energia järk-järgult. Palli potentsiaalne energia muundatakse kineetiliseks energiaks. Siis aga tabas pall juhtplaati ja jäi seisma. Nii selle kineetiline kui ka potentsiaalne energia plaadi suhtes muutus nulliks. Pärast kokkupõrget kuuli ja plaati uurides näeme, et nende olek on muutunud: pall on veidi lamenenud ja plaadile on tekkinud väike mõlk; pärast nende temperatuuri mõõtmist leiame, et nad on soojenenud.

Kuumutamine tähendab kehamolekulide keskmise kineetilise energia tõusu. Deformatsiooni käigus muutub kehaosakeste suhteline asend ja seetõttu muutub ka nende potentsiaalne energia.

Seega võib väita, et palli vastu plaati tabamise tulemusena muutub mehaaniline energia, mis pallil katse alguses oli. keha siseenergia.

Siseenergia vastupidist üleminekut mehaaniliseks energiaks pole raske jälgida.

Näiteks kui võtta paksu seinaga klaasnõu ja pumbata sinna õhku läbi korgis oleva augu, siis mõne aja pärast lendab kork anumast välja. Sel hetkel tekib laevas udu. Udu tekkimine tähendab, et õhk laevas on muutunud külmemaks ja seetõttu on selle siseenergia vähenenud. Seda seletatakse asjaoluga, et anumas olev suruõhk, mis surus korgi välja (st paisub), töötas selle siseenergiat vähendades. Pistiku kineetiline energia suurenes suruõhu siseenergia tõttu.

Seega on üks keha siseenergia muutmise viise keha (või teiste kehade) molekulide poolt antud kehal tehtav töö. Üks viis siseenergia muutmiseks ilma tööd tegemata on soojusülekanne.

Ideaalse monoatomilise gaasi siseenergia.

Kuna ideaalse gaasi molekulid ei interakteeru üksteisega, loetakse nende potentsiaalne energia nulliks. Ideaalse gaasi siseenergia määrab ainult selle molekulide juhusliku translatsioonilise liikumise kineetiline energia. Selle arvutamiseks peate korrutama ühe aatomi keskmise kineetilise energia aatomite arvuga . Võttes arvesse, et k N A = R, saame ideaalse gaasi siseenergia väärtuse:

.

Ideaalse üheaatomilise gaasi siseenergia on otseselt võrdeline selle temperatuuriga. Kui kasutame Clapeyroni-Mendelejevi võrrandit, võib ideaalse gaasi siseenergia avaldise esitada järgmiselt:

.

Tuleb märkida, et ühe aatomi keskmise kineetilise energia avaldise kohaselt ja liikumise juhuslikkuse tõttu igale kolmele võimalikule liikumissuunale või igaühele vabaduse aste, piki telge X, Y Ja Z moodustavad sama energia.

Vabadusastmete arv on molekuli võimalike sõltumatute liikumissuundade arv.

Gaasi, mille iga molekul koosneb kahest aatomist, nimetatakse kaheaatomiliseks. Iga aatom võib liikuda kolmes suunas, seega on võimalike liikumissuundade koguarv 6. Molekulidevahelise seose tõttu väheneb vabadusastmete arv ühe võrra, mistõttu kaheaatomilise molekuli vabadusastmete arv on viis.

Kaheaatomilise molekuli keskmine kineetiline energia on . Seega on ideaalse kaheaatomilise gaasi siseenergia võrdne:

.

Ideaalse gaasi siseenergia valemeid saab üldistada:

.

Kus i on gaasimolekulide vabadusastmete arv ( i= 3 monatomilise ja i= 5 kaheaatomilise gaasi jaoks).

Ideaalsete gaaside puhul sõltub siseenergia ainult ühest makroskoopilisest parameetrist - temperatuurist ja ei sõltu mahust, kuna potentsiaalne energia on null (ruumala määrab molekulide vahelise keskmise kauguse).

Tõeliste gaaside puhul ei ole potentsiaalne energia null. Seetõttu määravad siseenergia termodünaamikas üldiselt üheselt nende kehade olekut iseloomustavad parameetrid: ruumala (V) ja temperatuur (T).