« Fizika - 10. razred"
Toplotni fenomeni se mogu opisati pomoću veličina (makroskopskih parametara) mjerenih instrumentima kao što su mjerač tlaka i termometar. Ovi uređaji ne reaguju na uticaj pojedinačnih molekula. Teorija toplinskih procesa, koja ne uzima u obzir molekularnu strukturu tijela, naziva se termodinamika. Termodinamika razmatra procese sa stanovišta pretvaranja toplote u druge vrste energije.
Šta je unutrašnja energija.
Koje načine promjene unutrašnje energije poznajete?
Termodinamika je nastala sredinom 19. veka. nakon otkrića zakona održanja energije. Zasnovan je na konceptu unutrašnja energija. Sam naziv „unutrašnji“ implicira razmatranje sistema kao ansambla pokretnih i međudjelujućih molekula. Zadržimo se na pitanju kakva veza postoji između termodinamike i molekularne kinetičke teorije.
Termodinamika i statistička mehanika.
Prva naučna teorija toplotnih procesa nije bila molekularna kinetička teorija, već termodinamika.
Termodinamika je nastala iz proučavanja optimalnih uslova za korišćenje toplote za obavljanje posla. To se dogodilo sredinom 19. stoljeća, mnogo prije nego što je teorija molekularne kinetike dobila opšte priznanje. Istovremeno, dokazano je da, pored mehaničke energije, makroskopska tijela imaju i energiju sadržanu u samim tijelima.
Danas se u nauci i tehnologiji za proučavanje toplotnih fenomena koriste i termodinamika i molekularno-kinetička teorija. U teorijskoj fizici molekularna kinetička teorija se naziva statistička mehanika
Izučavaju se termodinamika i statistička mehanika razne metode iste pojave i međusobno se nadopunjuju.
Termodinamički sistem naziva skupom međusobno povezanih tijela koja razmjenjuju energiju i materiju.
Unutrašnja energija u teoriji molekularne kinetike.
Glavni koncept u termodinamici je koncept unutrašnje energije.
Unutrašnja energija tela(sistem) je zbir kinetičke energije haotičnog toplotnog kretanja molekula i potencijalne energije njihove interakcije.
Mehanička energija tijela (sistema) kao cjeline nije uključena u unutrašnju energiju. Na primjer, unutrašnja energija plinova u dvije identične posude pod jednakim uvjetima je ista, bez obzira na kretanje posuda i njihovu lokaciju u odnosu jedna na drugu.
Izračunavanje unutrašnje energije tijela (ili njezine promjene), uzimajući u obzir kretanje pojedinih molekula i njihov položaj u odnosu jedan prema drugom, gotovo je nemoguće zbog ogromnog broja molekula u makroskopskim tijelima. Stoga je neophodno moći odrediti vrijednost unutrašnje energije (ili njenu promjenu) ovisno o makroskopskim parametrima koji se mogu direktno mjeriti.
Unutrašnja energija idealnog jednoatomnog gasa.
Izračunajmo unutrašnju energiju idealnog jednoatomnog gasa.
Prema modelu, molekuli idealnog plina ne stupaju u interakciju jedni s drugima, stoga je potencijalna energija njihove interakcije nula. Celokupna unutrašnja energija idealnog gasa određena je kinetička energija nasumično kretanje njegovih molekula.
Da biste izračunali unutrašnju energiju idealnog jednoatomnog plina mase m, trebate pomnožiti prosječnu kinetičku energiju jednog atoma sa brojem atoma. Uzimajući u obzir da je kN A = R, dobijamo formulu za unutrašnju energiju idealnog gasa:
Unutrašnja energija idealnog jednoatomnog gasa je direktno proporcionalna njegovoj apsolutnoj temperaturi.
Ne zavisi od zapremine i drugih makroskopskih parametara sistema.
Promjena unutrašnje energije idealnog plina
tj. određena je temperaturama početnog i krajnjeg stanja gasa i ne zavisi od procesa.
Ako se idealni gas sastoji od složenijih molekula od monoatomskog, onda je i njegova unutrašnja energija proporcionalna apsolutnoj temperaturi, ali je koeficijent proporcionalnosti između U i T drugačiji. To se objašnjava činjenicom da se složeni molekuli ne samo da se kreću translacijsko, već i rotiraju i osciliraju u odnosu na svoje ravnotežne položaje. Unutrašnja energija takvih gasova jednaka je zbiru energija translacionog, rotacionog i vibracionog kretanja molekula. Posljedično, unutrašnja energija poliatomskog plina je veća od energije jednoatomnog plina na istoj temperaturi.
Ovisnost unutrašnje energije o makroskopskim parametrima.
Utvrdili smo da unutrašnja energija idealnog gasa zavisi od jednog parametra – temperature.
U stvarnim plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima prosječna potencijalna energija interakcije između molekula je nije jednako nuli. Istina, za plinove je mnogo manja od prosječne kinetičke energije molekula, ali za čvrste tvari i tekućine je uporediva s njom.
Prosječna potencijalna energija interakcije između molekula plina ovisi o volumenu tvari, budući da se pri promjeni volumena mijenja i prosječna udaljenost između molekula. Shodno tome, unutrašnja energija realnog gasa u termodinamici u opštem slučaju zavisi, zajedno sa temperaturom T, i od zapremine V.
Da li je moguće reći da unutrašnja energija realnog gasa zavisi od pritiska, na osnovu činjenice da se pritisak može izraziti kroz temperaturu i zapreminu gasa.
Vrijednosti makroskopskih parametara (temperatura T volumena V, itd.) nedvosmisleno određuju stanje tijela. Stoga oni određuju i unutrašnju energiju makroskopskih tijela.
Unutrašnja energija U makroskopskih tijela jedinstveno je određena parametrima koji karakteriziraju stanje ovih tijela: temperaturom i zapreminom.
Uz mehaničku energiju, svako tijelo (ili sistem) ima unutrašnju energiju. Unutrašnja energija je energija odmora. Sastoji se od termičkog haotičnog kretanja molekula koji čine tijelo, potencijalne energije njihovog međusobnog rasporeda, kinetičke i potencijalne energije elektrona u atomima, nukleona u jezgrama itd.
U termodinamici je važno znati ne apsolutnu vrijednost unutrašnje energije, već njenu promjenu.
U termodinamičkim procesima mijenja se samo kinetička energija pokretnih molekula (toplotna energija nije dovoljna za promjenu strukture atoma, a još manje jezgra). Stoga, u stvari pod unutrašnjom energijom u termodinamici mislimo na energiju termički haotičan molekularna kretanja.
Unutrašnja energija U jedan mol idealnog gasa jednak je:
dakle, unutrašnja energija zavisi samo od temperature. Unutrašnja energija U je funkcija stanja sistema, bez obzira na pozadinu.
Jasno je da u opštem slučaju termodinamički sistem može imati i unutrašnju i mehaničku energiju, i različiti sistemi mogu razmjenjivati ove vrste energije.
Razmjena mehanička energija karakterizira savršeno rad A, i razmena unutrašnje energije – količina prenešene toplote Q.
Na primjer, zimi ste bacili snijeg vrući kamen. Zbog rezerve potencijalne energije obavljen je mehanički rad na sabijanju snijega, a zbog rezerve unutrašnje energije snijeg je otopljen. Ako je kamen bio hladan, tj. Ako je temperatura kamena jednaka temperaturi medija, tada će se obavljati samo rad, ali neće doći do izmjene unutrašnje energije.
Dakle, rad i toplota nisu posebni oblici energije. Ne možemo govoriti o rezervi toplote ili rada. Ovo mjera prenesenog drugi sistem mehaničke ili unutrašnje energije. Možemo govoriti o rezervi ovih energija. Osim toga, mehanička energija se može pretvoriti u toplinsku energiju i obrnuto. Na primjer, ako čekićem udarite u nakovanj, onda će se nakon nekog vremena čekić i nakovanj zagrijati (ovo je primjer rasipanje energije).
Možemo dati još mnogo primjera transformacije jednog oblika energije u drugi.
Iskustvo pokazuje da u svim slučajevima, transformacija mehanička energija do grijanja i povrata uvijek se izvodi u strogo ekvivalentnim količinama. Ovo je suština prvog zakona termodinamike, koji slijedi iz zakona održanja energije.
Količina toplote koja se prenosi telu ide za povećanje unutrašnje energije i za obavljanje rada na telu:
| , | (4.1.1) |
- To je ono prvi zakon termodinamike , ili zakon održanja energije u termodinamici.
Pravilo potpisa: ako se toplota prenosi sa okruženje ovaj sistem, i ako sistem obavlja rad na okolnim tijelima, u ovom slučaju . Uzimajući u obzir pravilo predznaka, prvi zakon termodinamike može se zapisati kao:
U ovom izrazu U– funkcija stanja sistema; d U je njegov ukupni diferencijal, a δ Q i δ A oni nisu. U svakom stanju sistem ima određenu i samo ovu vrijednost unutrašnje energije, pa možemo napisati:
 ,
|
Važno je napomenuti da toplota Q i rad A zavisi od toga kako je ostvaren prijelaz iz stanja 1 u stanje 2 (izohorijski, adijabatski, itd.), i unutrašnje energije U ne zavisi. Istovremeno, ne može se reći da sistem ima određenu ove države značenje toplote i rada.
Iz formule (4.1.2) proizilazi da se količina toplote izražava u istim jedinicama kao rad i energija, tj. u džulima (J).
Od posebnog značaja u termodinamici su kružni ili ciklični procesi u kojima se sistem, nakon što prođe kroz niz stanja, vraća u prvobitno stanje. Slika 4.1 prikazuje ciklički proces 1– A–2–b–1, dok je posao A obavljen.
Rice. 4.1
Jer U je onda funkcija stanja
| (4.1.3) |
To vrijedi za bilo koju državnu funkciju.
Ako onda prema prvom zakonu termodinamike, tj. Nemoguće je izgraditi periodično radni motor koji bi obavljao više posla od količine energije koja mu se prenosi izvana. Drugim riječima, vječni motor prve vrste je nemoguć. Ovo je jedna od formulacija prvog zakona termodinamike.
Treba napomenuti da prvi zakon termodinamike ne pokazuje u kom pravcu se odvijaju procesi promene stanja, što je jedan od njegovih nedostataka.
Uvodi se unutrašnja energija U kao funkcija stanja, prema kojoj razlika između topline Q prenesene sistemu i rada W koji sistem obavlja zavisi samo od početnog i konačnog stanja sistema i ne zavisi od putanje tranzicije. , tj. predstavlja promjenu funkcije stanja
gdje su U 1 i U 2 unutrašnja energija sistema u početnom i konačnom stanju, respektivno. Jednačina (1) je izražena kao primijenjena na termodinamiku. procesi, odnosno procesi u kojima se javlja prenos toplote. Za ciklično proces koji vraća sistem u početno stanje. U izohornim procesima, tj. procesi pri konstantnoj zapremini, sistem ne radi zbog ekspanzije, W = 0 i toplota koja se prenosi sistemu jednaka je priraštaju unutrašnje energije: Q v =. Za adijabatsku procesi kada je Q = 0, = - W.
Unutrašnja energija sistema kao funkcija njegovog S, zapremine V i broja m i i-te komponente je . Ovo je posledica prvog i izražava se relacijom:
"
gdje je T aps. t-ra, p-pritisak, -hemijski. potencijal i-te komponente. Znak jednakosti se odnosi na ravnotežne procese, znak nejednakosti na neravnotežne. Za sistem sa datim vrijednostima S, V, m i (u krutoj adijabatskoj ljusci), unutrašnja energija at je minimalna. Gubitak unutrašnje energije u reverzibilnim procesima pri konstantnim V i S jednak je max. koristan rad(cm. ).
Zavisnost unutrašnje energije ravnotežnog sistema o temperaturi i zapremini U =f(T, V) tzv. kalorijski Derivat unutrašnje energije u odnosu na temperaturu pri konstantnoj zapremini jednak je izohornom:
Unutrašnja energija ne zavisi od zapremine i određena je samo zapreminom.
Vrijednost unutrašnje energije supstance se određuje eksperimentalno, mjereno iz njene vrijednosti pri abs. nula t-ry. Određivanje unutrašnje energije zahtijeva podatke o C V (T), toplini i nivou stanja. Promjena unutrašnje energije tokom hemije. p-cije (posebno, standardna unutrašnja energija formiranja supstance) određuje se iz podataka o toplotnim efektima p-cija, kao i iz spektralnih podataka. Teorijski proračun unutrašnje energije vrši se statističkim metodama. , koji definiše unutrašnju energiju kao prosečnu energiju sistema pod datim uslovima izolacije (na primer, pri datim T, V, m i). Unutrašnja energija monoatomskog je zbir prosječne energije ulaza. kretanje i prosječna energija pobuđenih elektronskih stanja; za dvo- i poliatomske, prosječna energija rotacije i njihove vibracije oko pozicije također se dodaju ovoj vrijednosti. Unutrašnja energija 1
Pogodno je razmotriti određeni fizički fenomen ili klasu fenomena koristeći modele različitim stepenima približava se. Na primjer, kada se opisuje ponašanje plina, koristi se fizički model - idealni plin.
Svaki model ima granice primjenjivosti, iza kojih je potrebno pojašnjenje ili korištenje više složene opcije. Ovde ćemo razmotriti jednostavan slučaj opisivanja unutrašnje energije fizičkog sistema na osnovu najbitnijih svojstava gasova u određenim granicama.
Idealan gas
Radi praktičnosti opisivanja nekih fundamentalnih procesa, ovaj fizički model pojednostavljuje stvarni plin na sljedeći način:
- Zanemaruje veličinu molekula plina. To znači da postoje pojave za koje ovaj parametar nije bitan za adekvatan opis.
- Zanemaruje intermolekularne interakcije, odnosno prihvata da se u procesima od interesa one manifestuju u zanemarljivo malim vremenskim periodima i da ne utiču na stanje sistema. U ovom slučaju, interakcije su prirode apsolutno elastičnog udara, u kojem nema gubitka energije zbog deformacije.
- Zanemaruje interakciju molekula sa zidovima rezervoara.
- Pretpostavlja se da sistem gas-rezervoar karakteriše termodinamička ravnoteža.
Ovaj model je pogodan za opisivanje stvarnih gasova ako su pritisci i temperature relativno niski.
Energetsko stanje fizičkog sistema
Svaki makroskopski fizički sistem (telo, gas ili tečnost u posudi) pored sopstvene kinetike i potencijala ima još jednu vrstu energije – unutrašnju. Ova vrijednost se dobija zbrajanjem energija svih podsistema koji čine fizički sistem – molekula.
Svaki molekul u plinu također ima svoj potencijal i kinetičku energiju. Ovo posljednje je posljedica kontinuiranog haotičnog toplinskog kretanja molekula. Određene su različite interakcije između njih (električno privlačenje, odbijanje). potencijalna energija.
Mora se imati na umu da ako energetsko stanje bilo kojeg dijela fizičkog sistema nema nikakav utjecaj na makroskopsko stanje sistema, onda se ono ne uzima u obzir. Na primjer, kada normalnim uslovima nuklearna energija se ne manifestira u promjenama stanja fizičkog objekta, pa je ne treba uzimati u obzir. Ali pri visokim temperaturama i pritiscima to se mora učiniti.
Dakle, unutrašnja energija tijela odražava prirodu kretanja i interakcije njegovih čestica. To znači da je ovaj termin sinonim za često korišteni koncept “ toplotnu energiju».
Monatomski plinovi, odnosno oni čiji atomi nisu spojeni u molekule, postoje u prirodi - to su inertni plinovi. Gasovi kao što su kiseonik, azot ili vodonik mogu postojati u takvom stanju samo u uslovima kada se energija troši izvana za stalno obnavljanje ovog stanja, budući da su njihovi atomi hemijski aktivni i teže da se kombinuju u molekul.
Razmotrimo energetsko stanje jednoatomskog idealnog plina smještenog u posudu određene zapremine. Ovo najjednostavniji slučaj. Sjećamo se da je elektromagnetna interakcija atoma međusobno i sa zidovima posude, a samim tim i njihova potencijalna energija zanemarljiva. Dakle, unutrašnja energija gasa uključuje samo zbir kinetičkih energija njegovih atoma.
Može se izračunati množenjem prosječne kinetičke energije atoma u plinu njihovim brojem. Prosječna energija je jednaka E = 3/2 x R / N A x T, gdje je R univerzalna plinska konstanta, N A je Avogadrov broj, T je apsolutna temperatura plina. Broj atoma izračunavamo množenjem količine tvari Avogadrovom konstantom. Unutrašnja energija jednoatomnog gasa biće jednaka U = N A x m / M x 3/2 x R/N A x T = 3/2 x m / M x RT. Ovdje je m masa, a M molarna masa plina.
Hajde da se pretvaramo hemijski sastav gas i njegova masa uvek ostaju isti. U ovom slučaju, kao što se vidi iz formule koju smo dobili, unutrašnja energija zavisi samo od temperature gasa. Za pravi gas biće potrebno, osim temperature, uzeti u obzir i promenu zapremine, jer to utiče na potencijalnu energiju atoma.
Molekularni gasovi
U gornjoj formuli, broj 3 karakterizira broj stupnjeva slobode kretanja jednoatomne čestice - određen je brojem koordinata u prostoru: x, y, z. Za stanje jednoatomnog gasa, generalno je svejedno da li se njegovi atomi rotiraju.
Molekule su sferno asimetrične, stoga je pri određivanju energetskog stanja molekularnih plinova potrebno uzeti u obzir kinetičku energiju njihove rotacije. Dvoatomske molekule, pored navedenih stupnjeva slobode povezanih s translatornim kretanjem, imaju još dva povezana s rotacijom oko dvije međusobno okomite ose; Poliatomski molekuli imaju tri takve nezavisne ose rotacije. Shodno tome, čestice dvoatomskih gasova karakteriše broj stepena slobode f = 5, dok je za poliatomske molekule f = 6.
Zbog slučajnosti svojstvene termičkom kretanju, svi smjerovi rotacijskog i translacijskog kretanja su potpuno jednako vjerojatni. Prosječna kinetička energija koju daje svaka vrsta kretanja je ista. Stoga možemo zamijeniti vrijednost f u formulu, koja nam omogućava da izračunamo unutrašnju energiju idealnog plina bilo kojeg molekularnog sastava: U = f / 2 x m / M x RT.
Naravno, iz formule vidimo da ta vrijednost zavisi od količine supstance, odnosno od toga koliko smo i kakvog gasa uzeli, kao i od strukture molekula tog gasa. Međutim, pošto smo se dogovorili da nećemo mijenjati maseni i hemijski sastav, potrebno je samo uzeti u obzir temperaturu.
Pogledajmo sada kako je vrijednost U povezana s drugim karakteristikama plina - zapreminom i pritiskom.
Unutrašnja energija i termodinamičko stanje
Temperatura je, kao što je poznato, jedno od stanja sistema (in u ovom slučaju gas). U idealnom gasu, on je povezan sa pritiskom i zapreminom relacijom PV = m / M x RT (tzv. Clapeyron-Mendeljejeva jednačina). Temperatura određuje toplotnu energiju. Dakle, ovo drugo se može izraziti kroz skup drugih parametara stanja. Ona je ravnodušna prema prethodnom stanju, kao i prema načinu njegovog mijenjanja.
Hajde da vidimo kako se unutrašnja energija menja kada sistem prelazi iz jednog termodinamičkog stanja u drugo. Njegova promjena tokom svakog takvog prijelaza određena je razlikom između početne i krajnje vrijednosti. Ako se sistem nakon nekog međustanja vrati u prvobitno stanje, ta razlika će biti jednaka nuli.
Recimo da smo zagrejali gas u rezervoaru (odnosno, dali smo mu dodatnu energiju). Termodinamičko stanje gasa se promenilo: temperatura i pritisak su mu porasli. Ovaj proces se odvija bez promjene jačine zvuka. Unutrašnja energija našeg gasa se povećala. Nakon toga, naš plin je napustio isporučenu energiju, ohladivši se u prvobitno stanje. Faktor kao što je, na primjer, brzina ovih procesa neće imati nikakvog značaja. Rezultirajuća promjena unutrašnje energije plina pri bilo kojoj stopi grijanja i hlađenja je nula.
Važna stvar je da ista vrijednost toplinske energije može odgovarati ne jednom, već nekoliko termodinamičkih stanja.
Priroda promjena u toplinskoj energiji
Da bi se promijenila energija, mora se raditi. Rad se može obaviti samim plinom ili vanjskom silom.
U prvom slučaju, potrošnja energije za obavljanje rada je posljedica unutrašnje energije plina. Na primjer, imali smo komprimirani plin u rezervoaru sa klipom. Ako otpustite klip, gas koji se širi će početi da ga podiže, radeći (da bi bio koristan, pustite da klip podigne neku vrstu težine). Unutrašnja energija gasa će se smanjiti za količinu potrošenu na rad protiv sila gravitacije i trenja: U 2 = U 1 - A. U ovom slučaju, rad gasa je pozitivan, jer je smer sile primenjene na klip poklapa se sa smjerom kretanja klipa.
Počnimo da spuštamo klip, radeći protiv sile pritiska gasa i opet protiv sila trenja. Tako gasu prenosimo određenu količinu energije. Ovdje se rad vanjskih sila već smatra pozitivnim.
Osim toga mehanički rad, postoji i način da se plinu oduzme energija ili da energija, kao što smo već sreli na primjeru zagrijavanja plina. Energija koja se prenosi na gas tokom procesa razmene toplote naziva se količina toplote. Postoje tri vrste prijenosa topline: provodljivost, konvekcija i prijenos zračenja. Pogledajmo ih malo detaljnije.
Toplotna provodljivost
Sposobnost tvari da razmjenjuje toplinu, koju izvode njene čestice prenoseći kinetičku energiju jedna drugoj prilikom međusobnih sudara tokom toplinskog kretanja, je toplotna provodljivost. Ako se određeno područje tvari zagrije, odnosno prenese joj se određena količina topline, unutarnja energija nakon nekog vremena, sudarima atoma ili molekula, u prosjeku će se ravnomjerno rasporediti među svim česticama.
Jasno je da toplotna provodljivost jako zavisi od učestalosti sudara, a to zauzvrat od prosečne udaljenosti između čestica. Zbog toga se gas, posebno idealni gas, odlikuje veoma niskom toplotnom provodljivošću, a ovo svojstvo se često koristi za toplotnu izolaciju.
Od pravih gasova, toplotna provodljivost je veća kod onih čiji su molekuli najlakši i istovremeno poliatomski. Ovaj uslov u najvećoj meri ispunjava molekularni vodonik, a najmanje radon, kao najteži monoatomski gas. Što je plin razrijeđeniji, to je lošiji provodnik topline.
Općenito, prijenos energije toplinskom provodljivošću za idealan plin je vrlo neefikasan proces.
Konvekcija
Mnogo efikasnija za gas je konvekcija, u kojoj se unutrašnja energija distribuira kroz tok materije koja kruži u gravitacionom polju. vrući plin nastaje zbog Arhimedove sile, budući da je manje gust jer se vrući plin koji se kreće prema gore stalno zamjenjuje hladnijim plinom - uspostavlja se cirkulacija plinskih tokova. Stoga, kako bi se osiguralo efikasno, odnosno najbrže, zagrijavanje putem konvekcije, potrebno je zagrijati plinski spremnik odozdo - baš kao kotlić s vodom.
Ako je potrebno ukloniti određenu količinu topline iz plina, onda je efikasnije postaviti hladnjak na vrh, jer će plin koji je predao energiju hladnjaku juriti dolje pod utjecajem gravitacije.
Primjer konvekcije u plinu je zagrijavanje zraka u zatvorenom prostoru korištenjem sistema grijanja (oni su smješteni u prostoriji što je niže moguće) ili hlađenje pomoću klima uređaja, a u prirodnim uslovima fenomen toplinske konvekcije uzrokuje kretanje vazdušnih masa i utiče na vremenske prilike. i klimu.
U nedostatku gravitacije (uz bestežinsko stanje u svemirskom brodu), konvekcija, odnosno cirkulacija zračnih struja, nije uspostavljena. Dakle, nema smisla paliti na brodu svemirski brod plinski gorionici ili šibice: vrući proizvodi sagorijevanja neće se ispuštati prema gore, a kisik neće biti doveden do izvora vatre, a plamen će se ugasiti.
Radiant transfer
Supstanca se može zagrijati i pod utjecajem toplinskog zračenja, kada atomi i molekuli dobijaju energiju apsorbirajući elektromagnetne kvante - fotone. Na niskim frekvencijama fotona ovaj proces nije vrlo efikasan. Setimo se da kada otvorimo mikrotalasnu pećnicu, tamo nalazimo toplu hranu, ali ne i vrući vazduh. Sa povećanjem frekvencije zračenja, povećava se učinak radijacijskog zagrijavanja, na primjer, u gornjim slojevima Zemljine atmosfere, visoko razrijeđeni plin se intenzivno zagrijava i ionizira sunčevim ultraljubičastim zračenjem.
Različiti gasovi apsorbuju toplotno zračenje u različitom stepenu. Dakle, voda, metan, ugljični dioksid ga apsorbiraju prilično snažno. Fenomen efekta staklene bašte zasniva se na ovoj osobini.
Prvi zakon termodinamike
Uopšteno govoreći, promjena unutrašnje energije zagrijavanjem plina (izmjena topline) svodi se i na rad na molekulama plina ili na njima putem vanjske sile (koja se označava na isti način, ali suprotnim predznakom). Kakav posao se obavlja sa ovom metodom prelaska iz jednog stanja u drugo? Na ovo pitanje će nam pomoći zakon održanja energije, tačnije njegova konkretizacija u odnosu na ponašanje termodinamičkih sistema – prvi zakon termodinamike.
Zakon, ili univerzalni princip očuvanja energije, u svom najopštijem obliku kaže da se energija ne rađa ni iz čega i ne nestaje bez traga, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi. U odnosu na termodinamički sistem, ovo se mora shvatiti na način da se rad sistema izrazi kroz razliku između količine toplote koja je data sistemu (idealni gas) i promene njegove unutrašnje energije. Drugim riječima, na ovu promjenu i na rad sistema troši se količina topline koja se prenosi plinu.
Ovo je napisano mnogo jednostavnije u obliku formula: dA = dQ - dU, i, shodno tome, dQ = dU + dA.
Već znamo da ove veličine ne zavise od načina na koji se odvija prelaz između stanja. Brzina ovog prelaza i, kao posledica toga, efikasnost zavise od metode.
Što se tiče drugog zakona termodinamike, on određuje smjer promjene: toplina se ne može prenijeti sa hladnijeg (a samim tim i manje energetski) plina na topliji bez dodatnog utroška energije izvana. Drugi zakon takođe ukazuje da se deo energije koju sistem troši za obavljanje posla neizbežno raspršuje, gubi (ne nestaje, već prelazi u neupotrebljiv oblik).
Termodinamički procesi
Prijelazi između energetskih stanja idealnog plina mogu imati drugačiji karakter promjene u jednom ili drugom njegovom parametru. Unutrašnja energija u procesima tranzicije različite vrste takođe će se ponašati drugačije. Razmotrimo ukratko nekoliko vrsta takvih procesa.
- Izohorični proces se događa bez promjene volumena, stoga plin ne radi nikakav posao. Unutrašnja energija plina mijenja se kao funkcija razlike između konačne i početne temperature.
- Izobarični proces se odvija pri konstantnom pritisku. Plin radi, a njegova toplinska energija se izračunava na isti način kao u prethodnom slučaju.
- Karakteriziran je izotermni proces konstantna temperatura, pa se stoga toplotna energija ne mijenja. Količina topline koju primi plin u potpunosti se troši na rad.
- Adijabatski ili adijabatski proces odvija se u plinu bez prijenosa topline, u toplinski izoliranoj posudi. Rad se obavlja samo zbog utroška toplotne energije: dA = - dU. Tokom adijabatske kompresije, toplotna energija raste, a tokom ekspanzije se shodno tome smanjuje.
U osnovi funkcionisanja toplotnih motora su različiti izoprocesi. Tako se u benzinskom motoru odvija izohorni proces na krajnjim pozicijama klipa u cilindru, a drugi i treći takt motora su primjeri adijabatskog procesa. Prilikom proizvodnje ukapljenih plinova, adijabatsko širenje igra ulogu važnu ulogu- zahvaljujući tome, kondenzacija gasa postaje moguća. Izoprocesi u plinovima, u čijem proučavanju se ne može bez koncepta unutrašnje energije idealnog plina, karakteristični su za mnoge prirodne pojave i nalaze primjenu u raznim granama tehnike.
Svako tijelo ili predmet ima energiju. Na primjer, leteći avion ili lopta koja pada imaju mehaničku energiju. Ovisno o interakciji sa vanjskim tijelima razlikuju se dvije vrste mehaničke energije: kinetička i potencijalna. Svi objekti koji se kreću u prostoru na ovaj ili onaj način imaju kinetičku energiju. Ovo je avion, ptica, lopta koja leti u gol, automobil u pokretu, itd. Druga vrsta mehaničke energije je potencijalna. Ovu energiju posjeduje, na primjer, podignuti kamen ili lopta iznad površine zemlje, sabijena opruga itd. U tom slučaju kinetička energija tijela može se transformirati u potencijalnu energiju i obrnuto.
Avioni, helikopteri i vazdušni brodovi imaju kinetičku energiju
Komprimirana opruga ima potencijalnu energiju
Pogledajmo primjer. Trener podiže loptu i drži je u rukama. Lopta ima potencijalnu energiju. Kada trener baci loptu na tlo, ona ima kinetičku energiju dok leti. Nakon što se lopta odbije, energija također teče sve dok lopta ne legne na teren. U ovom slučaju, i kinetička i potencijalna energija su nula. Ali unutrašnja energija molekula lopte povećala se zbog interakcije s poljem.
Ali postoji i unutrašnja energija molekula tijela, na primjer, iste lopte. Dok ga pomeramo ili podižemo, unutrašnja energija se ne menja. Unutrašnja energija ne zavisi od mehanički uticaj ili kretanje, ali zavisi samo od temperature, stanja agregacije i drugih karakteristika.
Svako tijelo sadrži mnogo molekula, oni mogu imati i kinetičku energiju kretanja i potencijalnu energiju interakcije. Gde unutrašnja energija je zbir energija svih molekula u tijelu.
Kako promijeniti unutrašnju energiju tijela
Unutrašnja energija zavisi od brzine kretanja molekula u telu. Što se brže kreću, veća je energija tijela. To se obično dešava kada se tijelo zagrije. Ako ga ohladimo, dolazi do obrnutog procesa - unutrašnja energija se smanjuje.
Ako zagrijemo tavu vatrom (šporetom), tada radimo na ovom objektu i shodno tome mijenjamo njegovu unutrašnju energiju.
Unutrašnja energija se može promijeniti na dva glavna načina.Rad na telu,povećavamo njegovu unutrašnju energiju i obrnuto, ako tijelo radi, onda se njegova unutrašnja energija smanjuje. Drugi način za promjenu unutrašnje energije jeproces prenosa toplote.Imajte na umu da se u drugoj opciji ne radi na tijelu. Na primjer, stolica koja stoji pored vrućeg radijatora grije se zimi. Prenos toplote se uvek dešava sa tela sa više visoke temperature na tijela sa nižim temperaturama.
Tako se zimi zrak zagrijava iz baterija. Hajde da izvedemo mali eksperiment koji se može izvesti kod kuće. Uzmi čašu vruća voda i stavite u posudu ili posudu sa hladnom vodom. Nakon nekog vremena, temperatura vode u obje posude će postati ista. To je proces prijenosa topline, odnosno mijenjanje unutrašnje energije bez obavljanja posla. Postoje tri načina prenosa toplote: