Konkreetset füüsikalist nähtust või nähtuste klassi on mugav käsitleda erineva lähendusastmega mudelite abil. Näiteks gaasi käitumise kirjeldamisel kasutatakse füüsikalist mudelit – ideaalne gaas.
Igal mudelil on rakendatavuse piirid, millest kaugemale tuleb seda täpsustada või rakendada keerukamaid valikuid. Siin käsitleme lihtsat füüsikalise süsteemi siseenergia kirjeldamise juhtumit, mis põhineb gaaside kõige olulisematel omadustel teatud piirides.
Ideaalne gaas
See füüsiline mudel lihtsustab mõningate põhiprotsesside kirjeldamise hõlbustamiseks tõelist gaasi järgmiselt:
- Jätab tähelepanuta gaasimolekulide suuruse. See tähendab, et on nähtusi, mille puhul see parameeter ei ole piisava kirjeldamise jaoks oluline.
- Jätab tähelepanuta molekulidevahelised interaktsioonid, st nõustub sellega, et teda huvitavates protsessides ilmnevad need tühiste ajavahemike järel ega mõjuta süsteemi olekut. Sel juhul on vastastikmõjud absoluutselt elastsed löögid, mille puhul energiakadu ei toimudeformatsioon.
- Jätab tähelepanuta molekulide vastasmõju paagi seintega.
- Oletame, et "gaasimahuti" süsteemi iseloomustab termodünaamiline tasakaal.
See mudel sobib päris gaaside kirjeldamiseks, kui rõhk ja temperatuur on suhteliselt madal.
Füüsilise süsteemi energeetiline seisund
Igal makroskoopilisel füüsilisel süsteemil (keha, gaas või vedelik anumas) on lisaks oma kineetikale ja potentsiaalile veel üks energialiik – sisemine. See väärtus saadakse kõigi füüsilise süsteemi moodustavate alamsüsteemide – molekulide – energiate summeerimisel.
Igal gaasi molekulil on ka oma potentsiaal ja kineetiline energia. Viimane on tingitud molekulide pidevast kaootilisest soojusliikumisest. Nendevahelised erinevad vastasmõjud (elektriline külgetõmme, tõrjumine) on määratud potentsiaalse energiaga.
Tuleb meeles pidada, et kui mõne füüsilise süsteemi osa energiaseisund ei mõjuta süsteemi makroskoopilist olekut, siis seda ei võeta arvesse. Näiteks tavatingimustes ei avaldu tuumaenergia füüsilise objekti oleku muutumises, seega ei pea sellega arvestama. Kuid kõrgel temperatuuril ja rõhul on see juba vajalik.
Seega peegeldab keha siseenergia selle osakeste liikumise ja vastasmõju olemust. See tähendab, et see termin on sünonüüm sageli kasutatavale terminile "soojusenergia".
Monatoomiline ideaalgaas
Monatoomilised gaasid ehk need, mille aatomid pole molekulideks ühendatud, eksisteerivad looduses – need on inertgaasid. Gaasid, nagu hapnik, lämmastik või vesinik, võivad sellises olekus eksisteerida ainult tingimustes, mil selle oleku pidevaks uuendamiseks kulutatakse energiat väljastpoolt, kuna nende aatomid on keemiliselt aktiivsed ja kipuvad ühinema molekuliks.
Võtleme mõne mahuga anumasse paigutatud monatoomilise ideaalgaasi energiaolekut. See on kõige lihtsam juhtum. Mäletame, et aatomite elektromagnetiline interaktsioon omavahel ja anuma seintega ning sellest tulenev alt ka nende potentsiaalne energia on tühine. Seega sisaldab gaasi siseenergia ainult selle aatomite kineetiliste energiate summat.
Seda saab arvutada, korrutades gaasis olevate aatomite keskmise kineetilise energia nende arvuga. Keskmine energia on E=3/2 x R / NA x T, kus R on universaalne gaasikonstant, NA on Avogadro arv, T on gaasi absoluutne temperatuur. Aatomite arv arvutatakse aine koguse korrutamisel Avogadro konstandiga. Üheaatomilise gaasi siseenergia on võrdne U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Siin on m gaasi mass ja M on gaasi molaarmass.
Eeldame, et gaasi keemiline koostis ja mass jäävad alati samaks. Sel juhul, nagu meie saadud valemist näha, sõltub siseenergia ainult gaasi temperatuurist. Päris gaasi puhul tuleb lisaks arvestadatemperatuur, ruumala muutus, kuna see mõjutab aatomite potentsiaalset energiat.
Molekulaargaasid
Ül altoodud valemis iseloomustab number 3 monaatomilise osakese liikumisvabadusastmete arvu – see määratakse koordinaatide arvuga ruumis: x, y, z. Monaatomilise gaasi oleku puhul pole üldse oluline, kas selle aatomid pöörlevad.
Molekulid on sfääriliselt asümmeetrilised, seetõttu tuleb molekulaarsete gaaside energiaseisundi määramisel arvestada nende pöörlemise kineetilise energiaga. Kaheaatomilistel molekulidel on lisaks loetletud translatsioonilise liikumisega seotud vabadusastmetele veel kaks, mis on seotud pöörlemisega ümber kahe vastastikku risti asetseva telje; polüatomilistel molekulidel on kolm sellist sõltumatut pöörlemistelge. Järelikult iseloomustab kaheaatomiliste gaaside osakesi vabadusastmete arv f=5, samas kui mitmeaatomilistel molekulidel on f=6.
Termilisele liikumisele omase juhuslikkuse tõttu on kõik nii pöörleva kui ka translatsioonilise liikumise suunad absoluutselt võrdselt tõenäolised. Iga liikumisviisi keskmine kineetiline energia on sama. Seetõttu võime f väärtuse asendada valemis, mis võimaldab arvutada mis tahes molekulaarse koostisega ideaalse gaasi siseenergia: U=f / 2 x m / M x RT.
Loomulikult näeme valemist, et see väärtus sõltub aine kogusest ehk sellest, kui palju ja millist gaasi võtsime, samuti selle gaasi molekulide struktuurist. Kuna aga leppisime kokku, et massi ja keemilist koostist ei muuda, siis arvestavajame ainult temperatuuri.
Nüüd vaatame, kuidas U väärtus on seotud gaasi muude omadustega – ruumala ja ka rõhuga.
Siseenergia ja termodünaamiline olek
Temperatuur, nagu teate, on üks süsteemi (antud juhul gaasi) termodünaamilise oleku parameetreid. Ideaalses gaasis seostatakse seda rõhu ja mahuga suhtega PV=m / M x RT (nn Clapeyron-Mendelejevi võrrand). Temperatuur määrab soojusenergia. Nii et viimast saab väljendada muude olekuparameetrite kogumina. See on ükskõikne eelmise oleku ega ka selle muutmise viisi suhtes.
Vaatame, kuidas muutub siseenergia, kui süsteem läheb ühest termodünaamilisest olekust teise. Selle muutuse mis tahes sellises üleminekus määrab alg- ja lõppväärtuse erinevus. Kui süsteem naasis algsesse olekusse pärast mõnda vahepealset olekut, võrdub see erinevus nulliga.
Oletame, et oleme paagis gaasi soojendanud (see tähendab, et oleme toonud sinna lisaenergiat). Gaasi termodünaamiline olek on muutunud: selle temperatuur ja rõhk on tõusnud. See protsess toimub helitugevust muutmata. Meie gaasi siseenergia on suurenenud. Pärast seda loobus meie gaas tarnitud energiast, jahtudes algsesse olekusse. Selline tegur, nagu näiteks nende protsesside kiirus, ei oma tähtsust. Sellest tulenev muutus gaasi siseenergias igal kuumutamisel ja jahutamisel on null.
Oluline on see, et sama soojusenergia väärtus võib vastata mitte ühele, vaid mitmele termodünaamilisele olekule.
Soojusenergia muutuse olemus
Energia muutmiseks tuleb tööd teha. Töö võib teha gaasi enda või välise jõu abil.
Esimesel juhul on energiakulu töö tegemiseks tingitud gaasi siseenergiast. Näiteks oli meil surugaas kolviga paagis. Kui kolb vabastada, hakkab paisuv gaas seda tõstma, tehes tööd (et see oleks kasulik, lase kolvil mingit koormust tõsta). Gaasi siseenergia väheneb summa võrra, mis kulub tööle gravitatsiooni- ja hõõrdejõudude vastu: U2=U1 – A. juhul on gaasi töö positiivne, kuna kolvile rakendatava jõu suund on sama, mis kolvi liikumissuund.
Alustame kolvi langetamist, tehes tööd gaasirõhu ja uuesti hõõrdejõudude vastu. Seega teavitame gaasi teatud kogusest energiast. Siin peetakse välisjõudude tööd juba positiivseks.
Lisaks mehaanilisele tööle on olemas ka selline võimalus gaasist energiat võtta või sellele energiat anda, näiteks soojusülekanne (soojusülekanne). Oleme teda juba kohanud gaasikütte näitel. Soojusülekandeprotsesside käigus gaasile ülekantavat energiat nimetatakse soojushulgaks. Soojusülekannet on kolme tüüpi: juhtivus, konvektsioon ja kiirgusülekanne. Vaatame neid lähem alt.
Soojusjuhtivus
Aine võime soojust vahetada,mida teostavad selle osakesed soojusliikumise ajal toimuvate vastastikuste kokkupõrgete käigus üksteisele kineetilise energia ülekandmisega – see on soojusjuhtivus. Kui aine teatud piirkonda kuumutada, see tähendab, et sellele antakse teatud kogus soojust, jaotub siseenergia mõne aja pärast aatomite või molekulide kokkupõrgete kaudu kõigi osakeste vahel keskmiselt ühtlaselt.
On selge, et soojusjuhtivus sõltub tugev alt kokkupõrgete sagedusest ja see omakorda osakeste keskmisest kaugusest. Seetõttu iseloomustab gaasi, eriti ideaalset gaasi, väga madal soojusjuhtivus ja seda omadust kasutatakse sageli soojusisolatsiooniks.
Päris gaasidest on soojusjuhtivus suurem neil, mille molekulid on kõige kergemad ja samas polüaatomilised. Molekulaarne vesinik vastab sellele tingimusele kõige suuremal määral ja radoon kui raskeim üheaatomiline gaas kõige vähem. Mida haruldasem on gaas, seda halvem on soojusjuht.
Üldiselt on energia ülekandmine soojusjuhtivuse kaudu ideaalse gaasi jaoks väga ebaefektiivne protsess.
Konvektsioon
Gaasi jaoks on palju tõhusam seda tüüpi soojusülekanne, näiteks konvektsioon, mille puhul siseenergia jaotatakse gravitatsiooniväljas ringleva ainevoolu kaudu. Kuuma gaasi ülesvool tekib Archimedese jõu mõjul, kuna see on soojuspaisumise tõttu vähem tihe. Üles liikuv kuum gaas asendub pidev alt külmema gaasiga - gaasivoogude ringlus on sisse seatud. Seetõttu on tõhusa ehk kiireima konvektsiooniga kütmise tagamiseks vaja gaasipaaki soojendada altpoolt – täpselt nagu veekeetjat.
Kui on vaja gaasilt mingi osa soojust ära võtta, siis on efektiivsem paigutada külmkapp ülaossa, kuna külmikusse energiat andnud gaas tormab gravitatsiooni mõjul alla.
Gaasi konvektsiooni näide on siseõhu soojendamine küttesüsteemide abil (need paigutatakse ruumis võimalikult madalale) või jahutamine konditsioneeri abil ning looduslikes tingimustes põhjustab termilise konvektsiooni nähtus. õhumasside liikumist ning mõjutab ilma ja kliimat.
Gravitatsiooni puudumisel (kosmoselaeva kaaluta olekus) konvektsiooni, see tähendab õhuvoolude ringlust, ei tuvastata. Seega pole mõtet kosmoseaparaadi pardal gaasipõleteid või tikke süüdata: kuumad põlemisproduktid ei välju ülespoole ning tuleallikasse suunatakse hapnikku ning leek kustub.
Kiirgav ülekanne
Aine võib kuumeneda ka soojuskiirguse toimel, kui aatomid ja molekulid omandavad energiat neelates elektromagnetilisi kvante – footoneid. Madalatel footonsagedustel ei ole see protsess kuigi tõhus. Tuletage meelde, et mikrolaineahju avades leiame seest sooja toitu, kuid mitte kuuma õhku. Kiirguse sageduse suurenemisega suureneb kiirguskuumutuse mõju, näiteks Maa atmosfääri ülemistes kihtides kuumutatakse intensiivselt väga haruldast gaasi jaioniseeritud päikese ultraviolettkiirgusega.
Erinevad gaasid neelavad soojuskiirgust erineval määral. Niisiis, vesi, metaan, süsinikdioksiid neelavad seda üsna tugev alt. Sellel omadusel põhineb kasvuhooneefekti nähtus.
Termodünaamika esimene seadus
Üldiselt taandub siseenergia muutus gaasiküttega (soojusülekanne) ka gaasimolekulide kallal töö tegemisele või neile välisjõu mõjul (mida tähistatakse samamoodi, kuid vastupidiselt). märk). Millist tööd tehakse sellisel viisil ühest olekust teise üleminekul? Sellele küsimusele aitab vastata energia jäävuse seadus, täpsem alt selle konkretiseerimine termodünaamiliste süsteemide käitumise suhtes – termodünaamika esimene seadus.
Seadus ehk universaalne energia jäävuse printsiip oma kõige üldistatumal kujul ütleb, et energia ei sünni mitte millestki ega kao jäljetult, vaid liigub ainult ühest vormist teise. Termodünaamilise süsteemi puhul tuleks seda mõista nii, et süsteemi tehtud tööd väljendatakse süsteemile antava soojushulga (ideaalgaasi) ja selle siseenergia muutuse vahena. Teisisõnu kulutatakse gaasile edastatud soojushulk sellele muudatusele ja süsteemi toimimisele.
See on palju lihtsam alt kirjutatud valemite kujul: dA=dQ – dU ja vastav alt dQ=dU + dA.
Me juba teame, et need kogused ei sõltu viisist, kuidas olekute vahel üleminek toimub. Selle ülemineku kiirus ja sellest tulenev alt ka efektiivsus sõltub meetodist.
Mis puudutab teisttermodünaamika algus, siis määrab see muutuse suuna: soojust ei saa külmem alt (ja seetõttu vähem energeetiliselt) gaasilt kuumemale üle kanda ilma täiendava energiasisendita väljast. Teine seadus viitab ka sellele, et osa süsteemi poolt töö tegemiseks kulutatud energiast paratamatult hajub, läheb kaotsi (ei kao, vaid muutub kasutuskõlbmatuks vormiks).
Termodünaamilised protsessid
Ideaalse gaasi energiaolekute vahelised üleminekud võivad ühe või teise parameetri muutumisel olla erinevad. Erinevat tüüpi üleminekute protsesside siseenergia käitub samuti erinev alt. Vaatleme lühid alt mitut tüüpi selliseid protsesse.
- Isohooriline protsess kulgeb ilma mahu muutumiseta, seetõttu gaas ei tööta. Gaasi siseenergia muutub lõpp- ja algtemperatuuri erinevuse funktsioonina.
- Isobaarne protsess toimub konstantsel rõhul. Gaas töötab ja selle soojusenergia arvutatakse samamoodi nagu eelmisel juhul.
- Isotermilist protsessi iseloomustab konstantne temperatuur ja seega soojusenergia ei muutu. Gaasi poolt vastuvõetav soojushulk kulub täielikult töö tegemiseks.
- Adiabaatiline ehk adiabaatiline protsess toimub soojusülekandeta gaasis, soojusisolatsiooniga paagis. Tööd tehakse ainult soojusenergia arvelt: dA=- dU. Adiabaatilise kokkusurumise korral suureneb soojusenergia vastav alt paisumiselväheneb.
Soojusmootorite toimimise aluseks on mitmesugused isoprotsessid. Seega toimub isohooriline protsess bensiinimootoris silindris oleva kolvi äärmistes asendites ning mootori teine ja kolmas käik on adiabaatilise protsessi näited. Veeldatud gaaside saamisel mängib olulist rolli adiabaatiline paisumine - tänu sellele on võimalik gaasi kondenseerumine. Gaasides esinevad isoprotsessid, mille uurimisel ei saa hakkama ilma ideaalse gaasi siseenergia kontseptsioonita, on iseloomulikud paljudele loodusnähtustele ja neid kasutatakse erinevates tehnikaharudes.
