من المناسب النظر في ظاهرة فيزيائية معينة أو فئة من الظواهر باستخدام نماذج بدرجات متفاوتة من التقريب. على سبيل المثال ، عند وصف سلوك الغاز ، يتم استخدام نموذج مادي - غاز مثالي.
أي نموذج له حدود قابلية للتطبيق ، وبعد ذلك يحتاج إلى تحسين أو تطبيق خيارات أكثر تعقيدًا. هنا نعتبر حالة بسيطة لوصف الطاقة الداخلية لنظام مادي بناءً على أهم خصائص الغازات ضمن حدود معينة.
الغاز المثالي
هذا النموذج المادي ، لتسهيل وصف بعض العمليات الأساسية ، يبسط الغاز الحقيقي على النحو التالي:
- يهمل حجم جزيئات الغاز. هذا يعني أن هناك ظواهر لا تعتبر هذه المعلمة ضرورية لوصف مناسب.
- يهمل التفاعلات بين الجزيئات ، أي أنه يقبل أنه في العمليات التي تهمه تظهر في فترات زمنية لا تذكر ولا تؤثر على حالة النظام. في هذه الحالة ، تكون التفاعلات في طبيعة تأثير مرن تمامًا ، حيث لا يوجد فقد للطاقةتشوه
- يهمل تفاعل الجزيئات مع جدران الخزان.
- افترض أن نظام "خزان الغاز" يتميز بالتوازن الديناميكي الحراري.
هذا النموذج مناسب لوصف الغازات الحقيقية إذا كانت الضغوط ودرجات الحرارة منخفضة نسبيًا.
حالة الطاقة لنظام مادي
أي نظام فيزيائي مجهري (جسم أو غاز أو سائل في وعاء) لديه ، بالإضافة إلى حركته وإمكاناته ، نوع آخر من الطاقة - داخلي. يتم الحصول على هذه القيمة من خلال تلخيص طاقات جميع الأنظمة الفرعية التي تشكل النظام الفيزيائي - الجزيئات.
لكل جزيء في الغاز أيضًا إمكاناته وطاقته الحركية. هذا الأخير يرجع إلى الحركة الحرارية الفوضوية المستمرة للجزيئات. يتم تحديد التفاعلات المختلفة بينهما (التجاذب الكهربائي ، التنافر) من خلال الطاقة الكامنة.
يجب أن نتذكر أنه إذا لم يكن لحالة الطاقة لأي جزء من أجزاء النظام المادي أي تأثير على الحالة العيانية للنظام ، فلا يتم أخذها في الاعتبار. على سبيل المثال ، في ظل الظروف العادية ، لا تتجلى الطاقة النووية في التغييرات في حالة الجسم المادي ، لذلك لا يلزم أخذها في الاعتبار. لكن في درجات حرارة وضغوط عالية ، هذا ضروري بالفعل.
وهكذا فإن الطاقة الداخلية للجسم تعكس طبيعة حركة وتفاعل جزيئاته. هذا يعني أن المصطلح مرادف للمصطلح الشائع "الطاقة الحرارية".
غاز مثالي أحادي الذرة
الغازات الأحادية ، أي تلك التي لا تتحد ذراتها في جزيئات ، موجودة في الطبيعة - هذه غازات خاملة. يمكن أن توجد غازات مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الهيدروجين في مثل هذه الحالة فقط في ظل ظروف يتم فيها إنفاق الطاقة من الخارج لتجديد هذه الحالة باستمرار ، نظرًا لأن ذراتها نشطة كيميائيًا وتميل إلى الاندماج في جزيء.
دعونا ننظر في حالة الطاقة لغاز مثالي أحادي الذرة يوضع في وعاء بحجم معين. هذا هو أبسط الحالات. نتذكر أن التفاعل الكهرومغناطيسي للذرات فيما بينها ومع جدران الوعاء ، وبالتالي طاقتها الكامنة لا يكاد يذكر. لذا فإن الطاقة الداخلية للغاز تشمل فقط مجموع الطاقات الحركية لذراته.
يمكن حسابه بضرب متوسط الطاقة الحركية للذرات في الغاز بعددهم. متوسط الطاقة هو E=3/2 x R / NAx T ، حيث R هو ثابت الغاز العالمي ، NAهو رقم Avogadro ، T هي درجة حرارة الغاز المطلقة. يتم حساب عدد الذرات بضرب كمية المادة في ثابت أفوجادرو. الطاقة الداخلية للغاز أحادي الذرة ستكون مساوية لـ U=NAx m / M x 3/2 x R / NAx T=3/2 × م / م × رت. هنا m هي الكتلة و M الكتلة المولية للغاز.
افترض أن التركيب الكيميائي للغاز وكتلته يظلان دائمًا كما هو. في هذه الحالة ، كما يتضح من الصيغة التي حصلنا عليها ، تعتمد الطاقة الداخلية فقط على درجة حرارة الغاز. بالنسبة للغاز الحقيقي ، سيكون من الضروري مراعاة ، بالإضافة إلىتغير في الحجم لأنه يؤثر على الطاقة الكامنة للذرات.
غازات جزيئية
في الصيغة أعلاه ، يميز الرقم 3 عدد درجات حرية الحركة لجسيم أحادي الذرة - يتم تحديده من خلال عدد الإحداثيات في الفضاء: x ، y ، z. بالنسبة لحالة الغاز أحادي الذرة ، لا يهم إطلاقاً ما إذا كانت ذراته تدور أم لا.
الجزيئات غير متناظرة كرويًا ، لذلك ، عند تحديد حالة الطاقة للغازات الجزيئية ، من الضروري مراعاة الطاقة الحركية لدورانها. الجزيئات ثنائية الذرة ، بالإضافة إلى درجات الحرية المدرجة المرتبطة بالحركة الانتقالية ، لها اثنان آخران مرتبطان بالدوران حول محورين متعامدين بشكل متبادل ؛ تحتوي الجزيئات المتعددة الذرات على ثلاثة محاور مستقلة للدوران. وبالتالي ، تتميز جزيئات الغازات ثنائية الذرة بعدد درجات الحرية f=5 ، بينما الجزيئات متعددة الذرات لها f=6.
نظرًا للعشوائية المتأصلة في الحركة الحرارية ، فإن جميع اتجاهات كل من الحركة الدورانية والحركة الانتقالية محتملة تمامًا. متوسط الطاقة الحركية التي يساهم بها كل نوع من أنواع الحركة هو نفسه. لذلك ، يمكننا استبدال قيمة f في الصيغة ، مما يسمح لنا بحساب الطاقة الداخلية للغاز المثالي لأي تركيبة جزيئية: U=f / 2 x m / M x RT.
بالطبع ، نرى من الصيغة أن هذه القيمة تعتمد على كمية المادة ، أي على مقدار ونوع الغاز الذي نأخذه ، وكذلك على بنية جزيئات هذا الغاز. ومع ذلك ، بما أننا اتفقنا على عدم تغيير الكتلة والتركيب الكيميائي ، فحينئذٍ نأخذ في الاعتبارنحتاج فقط درجة الحرارة
الآن دعونا نلقي نظرة على كيفية ارتباط قيمة U بالخصائص الأخرى للغاز - الحجم ، وكذلك الضغط.
الطاقة الداخلية والحالة الديناميكية الحرارية
درجة الحرارة ، كما تعلم ، هي إحدى معلمات الحالة الديناميكية الحرارية للنظام (الغاز في هذه الحالة). في الغاز المثالي ، يرتبط بالضغط والحجم بالعلاقة PV=m / M x RT (ما يسمى بمعادلة Clapeyron-Mendeleev). تحدد درجة الحرارة الطاقة الحرارية. لذلك يمكن التعبير عن الأخير من حيث مجموعة من معلمات الحالة الأخرى. إنه غير مبال بالحالة السابقة ، وكذلك بالطريقة التي تم تغييرها بها.
دعونا نرى كيف تتغير الطاقة الداخلية عندما ينتقل النظام من حالة ديناميكية حرارية إلى أخرى. يتم تحديد تغييره في أي انتقال من خلال الفرق بين القيم الأولية والنهائية. إذا عاد النظام إلى حالته الأصلية بعد حالة وسيطة ، فسيكون هذا الاختلاف مساوياً للصفر.
افترض أننا قمنا بتسخين الغاز في الخزان (أي أننا جلبنا طاقة إضافية إليه). لقد تغيرت الحالة الديناميكية الحرارية للغاز: زادت درجة حرارته وضغطه. تستمر هذه العملية دون تغيير الحجم. زادت الطاقة الداخلية لغازنا. بعد ذلك ، تخلى غازنا عن الطاقة المزودة ، ليبرد إلى حالته الأصلية. عامل مثل سرعة هذه العمليات ، على سبيل المثال ، لن يكون مهمًا. التغير الناتج في الطاقة الداخلية للغاز بأي معدل تسخين وتبريد يساوي صفر.
النقطة المهمة هي أن نفس قيمة الطاقة الحرارية لا يمكن أن تتوافق مع حالة واحدة ، ولكن مع العديد من الحالات الديناميكية الحرارية.
طبيعة التغيير في الطاقة الحرارية
لتغيير الطاقة ، يجب القيام بالعمل. يمكن أن يتم العمل بالغاز نفسه أو بقوة خارجية.
في الحالة الأولى ، يعود إنفاق الطاقة على أداء العمل إلى الطاقة الداخلية للغاز. على سبيل المثال ، قمنا بضغط الغاز في خزان بمكبس. إذا تم تحرير المكبس ، فسيبدأ الغاز المتوسع في رفعه ، والقيام بعمل (حتى يكون مفيدًا ، دع المكبس يرفع نوعًا من الحمل). ستنخفض الطاقة الداخلية للغاز بالمقدار الذي ينفق على العمل ضد قوى الجاذبية والاحتكاك: U2=U1- A. في هذا في الحالة ، يكون عمل الغاز موجبًا لأن اتجاه القوة المؤثرة على المكبس هو نفس اتجاه حركة المكبس.
دعونا نبدأ في خفض المكبس ، والعمل ضد قوة ضغط الغاز ومرة أخرى ضد قوى الاحتكاك. وبالتالي ، سنبلغ الغاز بكمية معينة من الطاقة. هنا يعتبر عمل القوى الخارجية إيجابياً بالفعل.
بالإضافة إلى العمل الميكانيكي ، هناك أيضًا طريقة لأخذ الطاقة من الغاز أو إعطائه الطاقة ، مثل نقل الحرارة (نقل الحرارة). لقد قابلناه بالفعل في مثال تسخين الغاز. تسمى الطاقة المنقولة إلى الغاز أثناء عمليات نقل الحرارة مقدار الحرارة. هناك ثلاثة أنواع من نقل الحرارة: التوصيل ، والحمل الحراري ، والنقل الإشعاعي. دعونا نلقي نظرة فاحصة عليهم
التوصيل الحراري
قدرة المادة على تبادل الحرارة ،تتم بواسطة جزيئاتها عن طريق نقل الطاقة الحركية لبعضها البعض أثناء الاصطدامات المتبادلة أثناء الحركة الحرارية - هذه هي الموصلية الحرارية. إذا تم تسخين منطقة معينة من المادة ، أي يتم نقل كمية معينة من الحرارة إليها ، فإن الطاقة الداخلية بعد فترة ، من خلال تصادم الذرات أو الجزيئات ، سيتم توزيعها بين جميع الجسيمات في المتوسط بشكل موحد.
من الواضح أن التوصيل الحراري يعتمد بشدة على تواتر الاصطدامات ، وهذا بدوره على متوسط المسافة بين الجسيمات. لذلك ، يتميز الغاز ، وخاصة الغاز المثالي ، بموصلية حرارية منخفضة جدًا ، وغالبًا ما تستخدم هذه الخاصية للعزل الحراري.
بالنسبة للغازات الحقيقية ، تكون الموصلية الحرارية أعلى بالنسبة لأولئك الذين تكون جزيئاتهم أخف وزنًا وفي نفس الوقت متعددة الذرات. يستوفي الهيدروجين الجزيئي هذا الشرط إلى أقصى حد ، والرادون ، باعتباره أثقل غاز أحادي الذرة ، إلى الحد الأدنى. كلما ندر الغاز كلما كان الموصل الحراري أسوأ.
بشكل عام ، يعتبر نقل الطاقة من خلال التوصيل الحراري لغاز مثالي عملية غير فعالة للغاية.
الحمل الحراري
أكثر كفاءة بالنسبة للغاز هو هذا النوع من نقل الحرارة ، مثل الحمل الحراري ، حيث يتم توزيع الطاقة الداخلية من خلال تدفق المادة المتداولة في مجال الجاذبية. يتشكل التدفق الصاعد للغاز الساخن بسبب قوة أرخميدس ، لأنه أقل كثافة بسبب التمدد الحراري. يتم استبدال الغاز الساخن المتجه لأعلى باستمرار بغاز أكثر برودة - يتم إنشاء دوران لتدفق الغاز.لذلك ، من أجل ضمان الكفاءة ، أي التسخين الأسرع من خلال الحمل الحراري ، من الضروري تسخين خزان الغاز من الأسفل - تمامًا مثل الغلاية بالماء.
إذا كان من الضروري إزالة قدر من الحرارة من الغاز ، فمن الأفضل وضع الثلاجة في الأعلى ، لأن الغاز الذي يعطي الطاقة للثلاجة سوف يندفع تحت تأثير الجاذبية
مثال على الحمل الحراري في الغاز هو تسخين الهواء الداخلي باستخدام أنظمة التدفئة (يتم وضعها في الغرفة عند أدنى مستوى ممكن) أو التبريد باستخدام مكيف الهواء ، وفي الظروف الطبيعية ، تسبب ظاهرة الحمل الحراري حركة الكتل الهوائية وتؤثر على الطقس والمناخ
في غياب الجاذبية (مع انعدام الوزن في سفينة الفضاء) ، لا يتم إنشاء الحمل الحراري ، أي دوران التيارات الهوائية. لذلك لا معنى لإشعال مواقد الغاز أو أعواد الثقاب على متن المركبة الفضائية: لن يتم تفريغ منتجات الاحتراق الساخن لأعلى ، وسيتم توفير الأكسجين لمصدر الحريق ، وسوف ينطفئ اللهب.
نقل مشع
يمكن أن تسخن المادة أيضًا تحت تأثير الإشعاع الحراري ، عندما تكتسب الذرات والجزيئات الطاقة عن طريق امتصاص الفوتونات الكهرومغناطيسية. عند ترددات الفوتون المنخفضة ، لا تكون هذه العملية فعالة للغاية. تذكر أنه عندما نفتح فرن الميكروويف ، نجد الطعام الساخن بالداخل ، ولكن ليس الهواء الساخن. مع زيادة تواتر الإشعاع ، يزداد تأثير تسخين الإشعاع ، على سبيل المثال ، في الغلاف الجوي العلوي للأرض ، يتم تسخين الغاز شديد التخلخل بشكل مكثف وتأين بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الشمسية.
تمتص الغازات المختلفة الإشعاع الحراري بدرجات متفاوتة. لذا فإن الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون تمتصه بقوة. ظاهرة تأثير الاحتباس الحراري تقوم على هذه الخاصية
القانون الأول للديناميكا الحرارية
بشكل عام ، فإن التغيير في الطاقة الداخلية من خلال تسخين الغاز (نقل الحرارة) ينخفض أيضًا إلى القيام بعمل إما على جزيئات الغاز أو عليها من خلال قوة خارجية (والتي يتم الإشارة إليها بنفس الطريقة ، ولكن بالعكس) وقع). ما هو العمل الذي يتم بهذه الطريقة للانتقال من دولة إلى أخرى؟ سيساعدنا قانون الحفاظ على الطاقة في الإجابة على هذا السؤال ، وبشكل أكثر دقة ، تجسيده فيما يتعلق بسلوك الأنظمة الديناميكية الحرارية - القانون الأول للديناميكا الحرارية.
القانون ، أو المبدأ العالمي للحفاظ على الطاقة ، في أكثر صوره عمومية ، يقول أن الطاقة لا تولد من لا شيء ولا تختفي بدون أثر ، بل تنتقل فقط من شكل إلى آخر. فيما يتعلق بالنظام الديناميكي الحراري ، يجب فهم ذلك بطريقة يتم فيها التعبير عن العمل الذي يقوم به النظام من حيث الفرق بين كمية الحرارة المنقولة إلى النظام (الغاز المثالي) والتغير في طاقته الداخلية. بمعنى آخر ، يتم إنفاق كمية الحرارة التي يتم توصيلها إلى الغاز على هذا التغيير وعلى تشغيل النظام.
هذا مكتوب في شكل صيغ أسهل بكثير: dA=dQ - dU ، وبالتالي ، dQ=dU + dA.
نعلم بالفعل أن هذه الكميات لا تعتمد على الطريقة التي يتم بها الانتقال بين الدول. سرعة هذا الانتقال ، ونتيجة لذلك ، تعتمد الكفاءة على الطريقة.
اما الثانيبداية الديناميكا الحرارية ، ثم تحدد اتجاه التغيير: لا يمكن نقل الحرارة من غاز أكثر برودة (وبالتالي أقل نشاطا) إلى غاز أكثر سخونة بدون مدخلات طاقة إضافية من الخارج. يشير القانون الثاني أيضًا إلى أن جزءًا من الطاقة التي ينفقها النظام لأداء العمل يتبدد حتمًا ، ويضيع (لا يختفي ، بل يتحول إلى شكل غير قابل للاستخدام).
العمليات الديناميكية الحرارية
يمكن أن يكون للتحولات بين حالات الطاقة للغاز المثالي أنماط مختلفة من التغيير في واحدة أو أخرى من معاييره. الطاقة الداخلية في عمليات التحولات لأنواع مختلفة سوف تتصرف أيضًا بشكل مختلف. دعونا نفكر بإيجاز في عدة أنواع من هذه العمليات.
- تستمر العملية المتساوية دون تغيير في الحجم ، وبالتالي ، لا يعمل الغاز. تتغير الطاقة الداخلية للغاز كدالة للاختلاف بين درجات الحرارة الأولية والنهائية.
- تحدث عملية متساوية الضغط تحت ضغط مستمر. يعمل الغاز وطاقته الحرارية تحسب بنفس الطريقة كما في الحالة السابقة.
- تتميز العملية المتساوية بدرجة حرارة ثابتة ، وبالتالي لا تتغير الطاقة الحرارية. يتم إنفاق كمية الحرارة التي يتلقاها الغاز بالكامل على القيام بالعمل.
- تتم عملية ثابت الحرارة أو ثابت الحرارة في غاز بدون نقل حرارة ، في خزان معزول حرارياً. يتم العمل فقط على حساب الطاقة الحرارية: dA=- dU. مع ضغط ثابت الحرارة ، تزداد الطاقة الحرارية مع التمدد على التواليتناقص.
العديد من المعالجات المتشابهة تكمن وراء عمل المحركات الحرارية. وبالتالي ، تحدث عملية التساوي الصدري في محرك بنزين في المواضع القصوى للمكبس في الأسطوانة ، وتعد الضربات الثانية والثالثة للمحرك أمثلة على عملية ثابتة الحرارة. عند الحصول على الغازات المسالة ، يلعب التمدد الحراري دورًا مهمًا - بفضله ، يصبح تكثيف الغاز ممكنًا. تعتبر المعالجات المتساوية في الغازات ، التي لا يمكن الاستغناء عنها في دراستها بدون مفهوم الطاقة الداخلية للغاز المثالي ، من سمات العديد من الظواهر الطبيعية وتستخدم في مختلف فروع التكنولوجيا.
