შიდა ენერგეტიკული ასო აღნიშვნა. შეიძინეთ უმაღლესი განათლების დიპლომი იაფად
MKT-ის მიხედვით, ყველა ნივთიერება შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებიც უწყვეტ თერმულ მოძრაობაში არიან და ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ამიტომ, მაშინაც კი, თუ სხეული უმოძრაოა და აქვს ნულოვანი პოტენციური ენერგია, მას აქვს ენერგია (შინაგანი ენერგია), რომელიც არის სხეულის შემადგენელი მიკრონაწილაკების მოძრაობისა და ურთიერთქმედების მთლიანი ენერგია. შიდა ენერგია მოიცავს:
- მოლეკულების მთარგმნელობითი, ბრუნვითი და ვიბრაციული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია;
- ატომებისა და მოლეკულების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია;
- ინტრაატომური და ინტრაბირთვული ენერგია.
თერმოდინამიკაში განიხილება პროცესები იმ ტემპერატურაზე, რომლებშიც მოლეკულებში ატომების ვიბრაციული მოძრაობა არ არის აღგზნებული, ე.ი. არაუმეტეს 1000 K ტემპერატურაზე. ამ პროცესებში იცვლება შიდა ენერგიის მხოლოდ პირველი ორი კომპონენტი. ამიტომ, ქვეშ შინაგანი ენერგიათერმოდინამიკაში ჩვენ გვესმის სხეულის ყველა მოლეკულისა და ატომის კინეტიკური ენერგიის ჯამი და მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია.
სხეულის შინაგანი ენერგია განსაზღვრავს მის თერმულ მდგომარეობას და იცვლება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლისას. მოცემულ მდგომარეობაში სხეულს აქვს სრულიად განსაზღვრული შინაგანი ენერგია, დამოუკიდებელი პროცესისგან, რომლითაც იგი გადავიდა ამ მდგომარეობაში. ამიტომ, შინაგან ენერგიას ხშირად უწოდებენ სხეულის მდგომარეობის ფუნქცია.
შინაგანი ენერგია არის სიდიდე, რომელიც ახასიათებს სხეულის თერმოდინამიკურ მდგომარეობას. ყველა სხეული შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებიც მუდმივად მოძრაობენ და ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. სხეულის შინაგანი ენერგია არის მატერიის ნაწილაკების მოძრაობის კინეტიკური ენერგიის ჯამი და მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია.
ჰ თავისუფლების ხარისხი არის დამოუკიდებელი ცვლადების რაოდენობა, რომლებიც განსაზღვრავენ სხეულის პოზიციას სივრცეში და აღინიშნება მე .
Როგორც ვნახეთ, მატერიალური წერტილის (მონატომური მოლეკულის) პოზიცია მოცემულია სამი კოორდინატით, Ამიტომაც მას აქვს თავისუფლების სამი ხარისხი : მე = 3
შიდა ენერგია დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. თუ ტემპერატურა იცვლება, მაშინ იცვლება შინაგანი ენერგია.
შინაგანი ენერგიის ცვლილება
პრაქტიკული პრობლემების გადასაჭრელად მნიშვნელოვან როლს ასრულებს არა თავად შინაგანი ენერგია, არამედ მისი ცვლილება ΔU = U2 - U1. შიდა ენერგიის ცვლილება გამოითვლება ენერგიის შენარჩუნების კანონების საფუძველზე.
სხეულის შინაგანი ენერგია შეიძლება შეიცვალოს ორი გზით:
1. ჩადენისას მექანიკური მუშაობა.
ა) თუ გარე ძალა იწვევს სხეულის დეფორმაციას, მაშინ იცვლება მანძილი ნაწილაკებს შორის, რომელთაგანაც იგი შედგება და შესაბამისად იცვლება ნაწილაკების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია. არაელასტიური დეფორმაციების დროს, გარდა ამისა, იცვლება სხეულის ტემპერატურა, ე.ი. იცვლება ნაწილაკების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია. მაგრამ როდესაც სხეული დეფორმირებულია, კეთდება მუშაობა, რაც არის სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილების საზომი.
ბ) სხეულის შინაგანი ენერგიაც იცვლება სხვა სხეულთან მისი არაელასტიური შეჯახებისას. როგორც ადრე ვნახეთ, სხეულების არაელასტიური შეჯახების დროს მათი კინეტიკური ენერგია მცირდება, ის გადაიქცევა შინაგან ენერგიად (მაგალითად, თუ კოჭზე დაყრილ მავთულს ჩაქუჩით რამდენჯერმე დაარტყამთ, მავთული გაცხელდება). სხეულის კინეტიკური ენერგიის ცვლილების საზომი კინეტიკური ენერგიის თეორემის მიხედვით არის მოქმედი ძალების მუშაობა. ეს ნამუშევარი ასევე შეიძლება გახდეს შინაგანი ენერგიის ცვლილებების საზომი.
გ) სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილება ხდება ხახუნის ძალის გავლენით, ვინაიდან, როგორც გამოცდილებიდან არის ცნობილი, ხახუნს ყოველთვის თან ახლავს ხახუნის სხეულების ტემპერატურის ცვლილება. ხახუნის ძალის მიერ შესრულებული სამუშაო შეიძლება გახდეს შიდა ენერგიის ცვლილების საზომი.
2. დახმარებით სითბოს გაცვლა. მაგალითად, თუ სხეული მოთავსებულია საწვავის ცეცხლში, მისი ტემპერატურა შეიცვლება, შესაბამისად, შეიცვლება მისი შინაგანი ენერგიაც. თუმცა აქ არანაირი სამუშაო არ გაკეთებულა, რადგან არც სხეულისა და არც მისი ნაწილების თვალსაჩინო მოძრაობა არ იყო.
სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება სამუშაოს შესრულების გარეშე ეწოდება სითბოს გაცვლა(სითბოს გადაცემა).
სითბოს გადაცემის სამი ტიპი არსებობს: გამტარობა, კონვექცია და გამოსხივება.
ა) თბოგამტარობაარის სხეულებს (ან სხეულის ნაწილებს) შორის სითბოს გაცვლის პროცესი მათი უშუალო კონტაქტის დროს, გამოწვეული სხეულის ნაწილაკების თერმული ქაოტური მოძრაობით. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით მეტია მყარი სხეულის მოლეკულების ვიბრაციის ამპლიტუდა. აირების თბოგამტარობა განპირობებულია გაზის მოლეკულებს შორის ენერგიის გაცვლით მათი შეჯახების დროს. სითხეების შემთხვევაში ორივე მექანიზმი მუშაობს. ნივთიერების თერმული კონდუქტომეტრი მყარ მდგომარეობაში მაქსიმალურია და მინიმალური აირის მდგომარეობაში.
ბ) კონვექციაწარმოადგენს სითბოს გადაცემას სითხის ან აირის გაცხელებული ნაკადებით მოცულობის ზოგიერთი უბნიდან სხვებზე.
გ) თბოგაცვლა ზე რადიაციაგანხორციელდა მანძილზე ელექტრომაგნიტური ტალღების საშუალებით.
მათი ურთიერთქმედება.
შინაგანი ენერგია შემოდის ენერგეტიკული გარდაქმნების ბალანსი ბუნებაში.შინაგანი ენერგიის აღმოჩენის შემდეგ ჩამოყალიბდა ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი.განვიხილოთ მექანიკური და შინაგანი ენერგიების ურთიერთ გარდაქმნა. დაე, ტყვიის ბურთი დადგეს ტყვიის ფილაზე. ავწიოთ და გავუშვათ. ბურთი რომ ავწიეთ, პოტენციურ ენერგიას ვაძლევდით. როდესაც ბურთი ეცემა, ის მცირდება, რადგან ბურთი ქვევით და ქვევით ეცემა. მაგრამ სიჩქარის მატებასთან ერთად ბურთის კინეტიკური ენერგია თანდათან იზრდება. ბურთის პოტენციური ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად. მაგრამ შემდეგ ბურთი ტყვიის ფირფიტას მოხვდა და გაჩერდა. მისი ორივე კინეტიკური და პოტენციური ენერგია ფირფიტასთან შედარებით ნულოვანი გახდა. დარტყმის შემდეგ ბურთისა და ფილის შესწავლისას დავინახავთ, რომ მათი მდგომარეობა შეიცვალა: ბურთი ოდნავ გაბრტყელდა და ფილაზე მცირე ჩაღრმავება წარმოიქმნა; როდესაც გავზომეთ მათი ტემპერატურა, აღმოვაჩენთ, რომ ისინი გაცხელდნენ.
გათბობა ნიშნავს სხეულის მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგიის ზრდას. დეფორმაციის დროს იცვლება სხეულის ნაწილაკების შედარებითი პოზიცია და შესაბამისად იცვლება მათი პოტენციური ენერგიაც.
ამრიგად, შეიძლება ითქვას, რომ ბურთის ფირფიტაზე დარტყმის შედეგად, მექანიკური ენერგია, რომელსაც ბურთი ფლობდა ექსპერიმენტის დასაწყისში, გარდაიქმნება. სხეულის შინაგანი ენერგია.
ძნელი არ არის დაკვირვება შინაგანი ენერგიის უკუ გადასვლის მექანიკურ ენერგიად.
მაგალითად, თუ აიღებთ სქელკედლიან შუშის ჭურჭელს და საცობის ნახვრეტით მასში ჰაერს ჩაატარებთ, გარკვეული პერიოდის შემდეგ კორპი ჭურჭლიდან გაფრინდება. ამ დროს ხომალდში ნისლი იქმნება. ნისლის გამოჩენა ნიშნავს, რომ ჭურჭელში ჰაერი გაცივდა და, შესაბამისად, მისი შინაგანი ენერგია შემცირდა. ეს აიხსნება იმით, რომ ჭურჭელში შეკუმშული ჰაერი, რომელიც ამოძრავებს დანამატს (ანუ გაფართოებას), მუშაობდა მისი შიდა ენერგიის შემცირებით. დანამატის კინეტიკური ენერგია გაიზარდა შეკუმშული ჰაერის შიდა ენერგიის გამო.
ამრიგად, სხეულის შინაგანი ენერგიის შეცვლის ერთ-ერთი გზა არის სხეულის (ან სხვა სხეულების) მოლეკულების მუშაობა მოცემულ სხეულზე. სამუშაოს გარეშე შინაგანი ენერგიის შეცვლის გზაა სითბოს გადაცემა.
იდეალური ერთატომური აირის შიდა ენერგია.
ვინაიდან იდეალური გაზის მოლეკულები არ ურთიერთობენ ერთმანეთთან, მათი პოტენციური ენერგია ითვლება ნულამდე. იდეალური აირის შიდა ენერგია განისაზღვრება მხოლოდ მისი მოლეკულების შემთხვევითი გადამყვანი მოძრაობის კინეტიკური ენერგიით. მის გამოსათვლელად, თქვენ უნდა გაამრავლოთ ერთი ატომის საშუალო კინეტიკური ენერგია ატომების რაოდენობაზე 
. Იმის გათვალისწინებით კ N A = Rვიღებთ იდეალური გაზის შიდა ენერგიის მნიშვნელობას:
.
იდეალური მონატომური აირის შიდა ენერგია პირდაპირპროპორციულია მისი ტემპერატურისა. თუ გამოვიყენებთ კლაპეირონ-მენდელეევის განტოლებას, მაშინ იდეალური გაზის შიდა ენერგიის გამოხატულება შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც:
.
უნდა აღინიშნოს, რომ ერთი ატომის საშუალო კინეტიკური ენერგიის გამოთქმის მიხედვით 
და მოძრაობის შემთხვევითობის გამო მოძრაობის სამი შესაძლო მიმართულებიდან თითოეულს ან თითოეულს თავისუფლების ხარისხი, ღერძის გასწვრივ X, იდა ზანგარიშზე იგივე ენერგია.
თავისუფლების ხარისხების რაოდენობაარის მოლეკულის მოძრაობის შესაძლო დამოუკიდებელი მიმართულებების რაოდენობა.
გაზს, რომლის თითოეული მოლეკულა შედგება ორი ატომისგან, ეწოდება დიატომური. თითოეულ ატომს შეუძლია სამი მიმართულებით გადაადგილება, ამიტომ მოძრაობის შესაძლო მიმართულებების საერთო რაოდენობა არის 6. მოლეკულებს შორის კავშირის გამო თავისუფლების ხარისხი მცირდება ერთით, შესაბამისად დიატომური მოლეკულის თავისუფლების ხარისხი არის ხუთი.
დიატომური მოლეკულის საშუალო კინეტიკური ენერგია არის . შესაბამისად, იდეალური დიატომიური აირის შიდა ენერგია უდრის:
.
იდეალური გაზის შიდა ენერგიის ფორმულები შეიძლება განზოგადდეს:
.
სად მეარის გაზის მოლეკულების თავისუფლების გრადუსების რაოდენობა ( მე= 3 მონატომური და მე= 5 დიატომური გაზისთვის).
იდეალური გაზებისთვის, შიდა ენერგია დამოკიდებულია მხოლოდ ერთ მაკროსკოპულ პარამეტრზე - ტემპერატურაზე და არ არის დამოკიდებული მოცულობაზე, რადგან პოტენციური ენერგია ნულის ტოლია (მოცულობა განსაზღვრავს საშუალო მანძილს მოლეკულებს შორის).
რეალური გაზებისთვის პოტენციური ენერგია არ არის ნული. ამრიგად, თერმოდინამიკაში შინაგანი ენერგია ზოგად შემთხვევაში ცალსახად განისაზღვრება ამ სხეულების მდგომარეობის დამახასიათებელი პარამეტრებით: მოცულობა. (V)და ტემპერატურა (T).
ერთიანი სახელმწიფო გამოცდის კოდიფიკატორის თემები: შიდა ენერგია, სითბოს გადაცემა, სითბოს გადაცემის სახეები.
ნებისმიერი სხეულის ნაწილაკები - ატომები თუ მოლეკულები - ასრულებენ ქაოტურ უწყვეტ მოძრაობას (ე.წ თერმული მოძრაობა). ამიტომ, თითოეულ ნაწილაკს აქვს გარკვეული კინეტიკური ენერგია.
გარდა ამისა, მატერიის ნაწილაკები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ელექტრული მიზიდულობისა და მოგერიების ძალების, აგრეთვე ბირთვული ძალების მეშვეობით. ამრიგად, მოცემული სხეულის ნაწილაკების მთელ სისტემას ასევე აქვს პოტენციური ენერგია.
ნაწილაკების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია და მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია ერთად ქმნიან ენერგიის ახალ ტიპს, რომელიც არ მცირდება სხეულის მექანიკურ ენერგიამდე (ანუ მთლიანად სხეულის მოძრაობის კინეტიკური ენერგია და სხვა სხეულებთან მისი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია). ამ ტიპის ენერგიას შიდა ენერგია ეწოდება.
სხეულის შინაგანი ენერგია არის მისი ნაწილაკების თერმული მოძრაობის მთლიანი კინეტიკური ენერგია პლუს მათი ერთმანეთთან ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია..
თერმოდინამიკური სისტემის შიდა ენერგია არის სისტემაში შემავალი სხეულების შინაგანი ენერგიების ჯამი..
ამრიგად, სხეულის შინაგანი ენერგია იქმნება შემდეგი ტერმინებით.
1. სხეულის ნაწილაკების უწყვეტი ქაოტური მოძრაობის კინეტიკური ენერგია.
2. მოლეკულების (ატომების) პოტენციური ენერგია, გამოწვეული მოლეკულათაშორისი ურთიერთქმედების ძალებით.
3. ელექტრონების ენერგია ატომებში.
4. ბირთვული ენერგია.
მატერიის უმარტივესი მოდელის - იდეალური აირის შემთხვევაში - შეიძლება მივიღოთ შინაგანი ენერგიის მკაფიო ფორმულა.
მონატომური იდეალური გაზის შიდა ენერგია
იდეალური აირის ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია ნულის ტოლია (შეგახსენებთ, რომ იდეალური აირის მოდელში ჩვენ უგულებელყოფთ ნაწილაკების ურთიერთქმედებას მანძილზე). მაშასადამე, მონატომური იდეალური გაზის შიდა ენერგია მცირდება მისი ატომების ტრანსლაციის (პოლიატომური გაზისთვის ასევე მოლეკულების ბრუნვა და ატომების ვიბრაცია) მოძრაობის მთლიან კინეტიკურ ენერგიამდე. ეს ენერგია შეიძლება მოიძებნოს გაზის ატომების რაოდენობის გამრავლებით ერთი ატომის საშუალო კინეტიკურ ენერგიაზე:
ჩვენ ვხედავთ, რომ იდეალური გაზის შიდა ენერგია (რომლის მასა და ქიმიური შემადგენლობა უცვლელია) მხოლოდ მისი ტემპერატურის ფუნქციაა. რეალურ აირში, თხევად თუ მყარში, შიდა ენერგია ასევე დამოკიდებული იქნება მოცულობაზე - ყოველივე ამის შემდეგ, როდესაც მოცულობა იცვლება, იცვლება ნაწილაკების შედარებითი განლაგება და, შედეგად, მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია.
სტატუსის ფუნქცია
შინაგანი ენერგიის ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისება ის არის სახელმწიფო ფუნქციათერმოდინამიკური სისტემა. კერძოდ, შიდა ენერგია ცალსახად განისაზღვრება სისტემის დამახასიათებელი მაკროსკოპული პარამეტრების სიმრავლით და არ არის დამოკიდებული სისტემის „პრეისტორიაზე“, ე.ი. იმაზე, თუ რა მდგომარეობაში იყო სისტემა ადრე და რამდენად კონკრეტულად დასრულდა იგი ამ მდგომარეობაში.
ამრიგად, როდესაც სისტემა ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადადის, მისი შინაგანი ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება მხოლოდ სისტემის საწყისი და საბოლოო მდგომარეობებით და არ არის დამოკიდებულისაწყისი მდგომარეობიდან საბოლოო მდგომარეობამდე გადასვლის გზიდან. თუ სისტემა უბრუნდება თავდაპირველ მდგომარეობას, მაშინ მისი შიდა ენერგიის ცვლილება ნულის ტოლია.
გამოცდილება აჩვენებს, რომ სხეულის შინაგანი ენერგიის შეცვლის მხოლოდ ორი გზა არსებობს:
მექანიკური სამუშაოების შესრულება;
სითბოს გადაცემა.
მარტივად რომ ვთქვათ, ქვაბის გაცხელება შეგიძლიათ მხოლოდ ორი ფუნდამენტურად განსხვავებული გზით: მისი რაღაცით გახეხვა ან ცეცხლზე დაყენება :-) განვიხილოთ ეს მეთოდები უფრო დეტალურად.
შინაგანი ენერგიის ცვლილება: შესრულებული სამუშაო
თუ სამუშაო შესრულებულია ზემოთსხეული, შემდეგ სხეულის შინაგანი ენერგია იზრდება.
მაგალითად, ჩაქუჩით დარტყმის შემდეგ ლურსმანი თბება და ოდნავ დეფორმირდება. მაგრამ ტემპერატურა არის სხეულის ნაწილაკების საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი. ფრჩხილის გაცხელება მიუთითებს მისი ნაწილაკების კინეტიკური ენერგიის ზრდაზე: ფაქტობრივად, ნაწილაკები აჩქარებულია ჩაქუჩის დარტყმით და დაფაზე ფრჩხილის ხახუნით.
დეფორმაცია სხვა არაფერია, თუ არა ნაწილაკების გადაადგილება ერთმანეთთან შედარებით; ზემოქმედების შემდეგ ფრჩხილი განიცდის კომპრესიულ დეფორმაციას, მისი ნაწილაკები ერთმანეთს უახლოვდება, მათ შორის მოწინააღმდეგე ძალები იზრდება და ეს იწვევს ფრჩხილის ნაწილაკების პოტენციური ენერგიის ზრდას.
ასე რომ, ფრჩხილის შიდა ენერგია გაიზარდა. ეს იყო მასზე გაწეული სამუშაოს შედეგი - სამუშაო ჩაქუჩით და დაფაზე ხახუნის ძალით შესრულდა.
თუ სამუშაო შესრულებულია საკუთარ თავსსხეული, შემდეგ სხეულის შინაგანი ენერგია მცირდება.
მოდით, მაგალითად, დგუშის ქვეშ თერმულად იზოლირებულ ჭურჭელში შეკუმშული ჰაერი გაფართოვდეს და აწიოს გარკვეული დატვირთვა, რითაც შეასრულოს სამუშაო (თერმულად იზოლირებულ ჭურჭელში პროცესი ე.წ. ადიაბატური. ჩვენ შევისწავლით ადიაბატურ პროცესს თერმოდინამიკის პირველი კანონის გათვალისწინებით). ამ პროცესის დროს ჰაერი გაცივდება - მისი მოლეკულები, რომლებიც ურტყამს მოძრავი დგუშის შემდეგ, აძლევს მას კინეტიკური ენერგიის ნაწილს. (ასევე, ფეხბურთელი, რომელიც აჩერებს სწრაფ მფრინავ ბურთს ფეხით, აკეთებს მოძრაობას. საწყისიბურთი და ასუსტებს მის სიჩქარეს.) ამიტომ ჰაერის შინაგანი ენერგია მცირდება.
ამრიგად, ჰაერი მუშაობს მისი შინაგანი ენერგიის ხარჯზე: ვინაიდან ჭურჭელი თერმულად იზოლირებულია, ჰაერში ენერგიის ნაკადი არ ხდება გარე წყაროებიდან და ჰაერს შეუძლია ენერგიის ამოღება სამუშაოს შესასრულებლად მხოლოდ საკუთარი რეზერვიდან. .
შიდა ენერგიის ცვლილება: სითბოს გადაცემა
სითბოს გადაცემა არის შინაგანი ენერგიის გადაცემის პროცესი უფრო ცხელი სხეულიდან ცივზე, რომელიც არ არის დაკავშირებული მექანიკურ მუშაობასთან.. სითბოს გადაცემა შეიძლება მოხდეს სხეულების პირდაპირი კონტაქტით, ან შუალედური საშუალების მეშვეობით (და თუნდაც ვაკუუმის მეშვეობით). სითბოს გადაცემას ასევე უწოდებენ სითბოს გაცვლა.
სითბოს გადაცემის სამი ტიპი არსებობს: გამტარობა, კონვექცია და თერმული გამოსხივება.
ახლა მათ უფრო დეტალურად განვიხილავთ.
თბოგამტარობა
თუ რკინის ჯოხის ერთ ბოლოს ცეცხლში ჩადებთ, როგორც ვიცით, დიდხანს არ დაიჭერთ ხელში. მაღალი ტემპერატურის რეგიონში მოხვედრის შემდეგ, რკინის ატომები იწყებენ უფრო ინტენსიურ ვიბრაციას (ანუ ისინი იძენენ დამატებით კინეტიკურ ენერგიას) და იწვევენ უფრო ძლიერ ზემოქმედებას მეზობლებზე.
მეზობელი ატომების კინეტიკური ენერგიაც იზრდება და ახლა ეს ატომები დამატებით კინეტიკურ ენერგიას ანიჭებენ მეზობლებს. ასე რომ, განყოფილებიდან განყოფილებამდე სითბო თანდათან ვრცელდება ღეროზე - ცეცხლში მოთავსებული ბოლოდან ჩვენს ხელამდე. ეს არის თბოგამტარობა (ნახ. 1) (სურათი Educationalelectronicsusa.com-დან).
ბრინჯი. 1. თბოგამტარობა
თბოგამტარობა არის შინაგანი ენერგიის გადაცემა სხეულის უფრო გახურებული უბნებიდან ნაკლებად გაცხელებულ ადგილებში თერმული მოძრაობისა და სხეულის ნაწილაკების ურთიერთქმედების გამო..
სხვადასხვა ნივთიერების თბოგამტარობა განსხვავებულია. ლითონებს აქვთ მაღალი თბოგამტარობა: საუკეთესო სითბოს გამტარებია ვერცხლი, სპილენძი და ოქრო. სითხეების თბოგამტარობა გაცილებით ნაკლებია. აირები იმდენად ცუდად ატარებენ სითბოს, რომ ისინი ითვლებიან სითბოს იზოლატორებად: გაზის მოლეკულები, მათ შორის დიდი მანძილის გამო, სუსტად ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ამიტომ, მაგალითად, ფანჯრებს აქვს ორმაგი ჩარჩო: ჰაერის ფენა ხელს უშლის სითბოს გამოსვლას).
ამიტომ, ფოროვანი სხეულები, როგორიცაა აგური, ბამბა ან ბეწვი, სითბოს ცუდი გამტარია. ისინი ფორებში შეიცავს ჰაერს. ეს არ არის ტყუილად, რომ აგურის სახლები ითვლება ყველაზე თბილად, ხოლო ცივ ამინდში ადამიანები ატარებენ ბეწვის ქურთუკებს და ქურთუკებს ქვედა ან სინთეტიკური ფენით.
მაგრამ თუ ჰაერი ასე ცუდად ატარებს სითბოს, მაშინ რატომ ათბობს ოთახი რადიატორისგან?
ეს ხდება სხვა ტიპის სითბოს გადაცემის - კონვექციის გამო.
კონვექცია
კონვექცია არის შინაგანი ენერგიის გადაცემა სითხეებში ან აირებში ნაკადების მიმოქცევისა და ნივთიერების შერევის შედეგად..
ბატარეის მახლობლად ჰაერი თბება და ფართოვდება. გრავიტაციის ძალა, რომელიც მოქმედებს ამ ჰაერზე, იგივე რჩება, მაგრამ მიმდებარე ჰაერიდან ამოწურვის ძალა იზრდება, ასე რომ გახურებული ჰაერი იწყებს ცურვას ჭერისკენ. მის ადგილზე მოდის ცივი ჰაერი (იგივე პროცესი, მაგრამ ბევრად უფრო დიდი მასშტაბით, მუდმივად ხდება ბუნებაში: ასე ჩნდება ქარი), რომლითაც იგივე მეორდება.
შედეგად, იქმნება ჰაერის მიმოქცევა, რომელიც ემსახურება კონვექციის მაგალითს - ოთახში სითბოს გავრცელება ხდება ჰაერის დინებით.
სრულიად მსგავსი პროცესი შეიძლება შეინიშნოს სითხეებში. როდესაც ქვაბს ან წყლის ქვაბს ადგამთ გაზქურაზე, წყალი თბება, უპირველეს ყოვლისა, კონვექციის გამო (წყლის თბოგამტარობის წვლილი ძალზედ უმნიშვნელოა).
ჰაერსა და სითხეში კონვექციის დენები ნაჩვენებია ნახ. 2 (სურათები physics.arizona.edu-დან).
ბრინჯი. 2. კონვექცია
მყარ სხეულებში არ არის კონვექცია: ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების ძალები დიდია, ნაწილაკები ირხევა ფიქსირებულ სივრცულ წერტილებთან (კრისტალური მედის კვანძები) და ასეთ პირობებში მატერიის ნაკადები არ შეიძლება წარმოიქმნას.
ოთახის გათბობისას კონვექციური დენების მიმოქცევისთვის აუცილებელია გაცხელებული ჰაერი გაჩენის ადგილი იყო. თუ რადიატორი დამონტაჟებულია ჭერის ქვეშ, მაშინ ცირკულაცია არ მოხდება - თბილი ჰაერი დარჩება ჭერის ქვეშ. ამიტომ თავსდება გათბობის მოწყობილობები ბოლოშიოთახები. იმავე მიზეზით ქვაბს აყენებენ onხანძარი, რის შედეგადაც წყლის გაცხელებული ფენები ამოდის, გზას უთმობს ცივებს.
პირიქით, კონდიციონერი უნდა განთავსდეს რაც შეიძლება მაღლა: შემდეგ გაციებული ჰაერი დაიწყებს დაცემას და მის ადგილს თბილი ჰაერი დაიკავებს. ცირკულაცია საპირისპირო მიმართულებით წავა ნაკადების მოძრაობასთან შედარებით ოთახის გათბობისას.
თერმული გამოსხივება
როგორ იღებს დედამიწა ენერგიას მზისგან? თბოგამტარობა და კონვექცია გამორიცხულია: ჩვენ გვაშორებს 150 მილიონი კილომეტრი უჰაერო სივრცე.
აქ მუშაობს სითბოს გადაცემის მესამე ტიპი - თერმული გამოსხივება. რადიაციას შეუძლია გავრცელდეს როგორც მატერიაში, ასევე ვაკუუმში. როგორ ჩნდება?
გამოდის, რომ ელექტრული და მაგნიტური ველები ერთმანეთთან მჭიდრო კავშირშია და აქვთ ერთი შესანიშნავი თვისება. თუ ელექტრული ველი დროთა განმავლობაში იცვლება, მაშინ ის წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც, ზოგადად რომ ვთქვათ, ასევე იცვლება დროთა განმავლობაში (ეს უფრო დეტალურად იქნება განხილული ფურცელში ელექტრომაგნიტური ინდუქციის შესახებ). თავის მხრივ, ალტერნატიული მაგნიტური ველი წარმოქმნის ალტერნატიულ ელექტრულ ველს, რომელიც კვლავ წარმოქმნის ალტერნატიულ მაგნიტურ ველს, რომელიც კვლავ წარმოქმნის ალტერნატიულ ელექტრულ ველს...
ამ პროცესის განვითარების შედეგად, ელექტრომაგნიტური ტალღა- ერთმანეთთან „ჩართული“ ელექტრული და მაგნიტური ველები. ბგერის მსგავსად, ელექტრომაგნიტურ ტალღებს აქვს გავრცელების სიჩქარე და სიხშირე - ამ შემთხვევაში, ეს არის სიხშირე, რომლითაც ველების სიდიდე და მიმართულება იცვლება ტალღაში. ხილული სინათლე ელექტრომაგნიტური ტალღების განსაკუთრებული შემთხვევაა.
ვაკუუმში ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების სიჩქარე უზარმაზარია: კმ/წმ. ასე რომ, სინათლე მიდის დედამიწიდან მთვარემდე წამში.
ელექტრომაგნიტური ტალღების სიხშირის დიაპაზონი ძალიან ფართოა. ელექტრომაგნიტური ტალღების მასშტაბის შესახებ დაწვრილებით ვისაუბრებთ შესაბამის ბროშურაში. აქ ჩვენ უბრალოდ აღვნიშნავთ, რომ ხილული შუქი ამ მასშტაბის მცირე დიაპაზონია. მის ქვემოთ არის ინფრაწითელი გამოსხივების სიხშირეები, მის ზემოთ არის ულტრაიისფერი გამოსხივების სიხშირეები.
ახლა გავიხსენოთ, რომ ატომები, მიუხედავად იმისა, რომ ზოგადად ელექტრულად ნეიტრალურია, შეიცავს დადებითად დამუხტულ პროტონებს და უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონებს. ეს დამუხტული ნაწილაკები, რომლებიც ასრულებენ ქაოტურ მოძრაობას ატომებთან ერთად, ქმნიან მონაცვლეობით ელექტრულ ველებს და ამით ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. ამ ტალღებს ე.წ თერმული გამოსხივება- შეგახსენებთ, რომ მათი წყარო მატერიის ნაწილაკების თერმული მოძრაობაა.
თერმული გამოსხივების წყარო არის ნებისმიერი სხეული. ამ შემთხვევაში რადიაცია ატარებს მისი შინაგანი ენერგიის ნაწილს. სხვა სხეულის ატომებთან შეხვედრისას გამოსხივება აჩქარებს მათ თავისი რხევადი ელექტრული ველით და იზრდება ამ სხეულის შინაგანი ენერგია. ასე ვიძირებით მზის სხივებში.
ნორმალურ ტემპერატურაზე თერმული გამოსხივების სიხშირეები დევს ინფრაწითელ დიაპაზონში, ამიტომ თვალი ამას ვერ აღიქვამს (ჩვენ ვერ ვხედავთ როგორ „ბრწყინავთ“). როდესაც სხეული თბება, მისი ატომები იწყებენ უფრო მაღალი სიხშირის ტალღების გამოსხივებას. რკინის ლურსმანი შეიძლება გაცხელდეს წითლად - მიიყვანეთ ისეთ ტემპერატურამდე, რომ მისი თერმული გამოსხივება მიაღწიოს ხილული დიაპაზონის ქვედა (წითელ) ნაწილს. მზე კი ყვითელ-თეთრად გვეჩვენება: მზის ზედაპირზე ტემპერატურა იმდენად მაღალია, რომ მისი გამოსხივების სპექტრი შეიცავს ხილული სინათლის ყველა სიხშირეს და ულტრაიისფერსაც კი, რომლის წყალობითაც ჩვენ გარუჯვაში ვართ.
მოდით კიდევ ერთხელ გადავხედოთ სითბოს გადაცემის სამ ტიპს (სურათი 3) (სურათები beodom.com-დან).
ბრინჯი. 3. სითბოს გადაცემის სამი ტიპი: გამტარობა, კონვექცია და გამოსხივება
თუ საცობით დახურულ სქელკედლიან ქილაში ჩასვით, რომლის ძირი წყლით არის დაფარული, გარკვეული პერიოდის შემდეგ საცობი ქილიდან გამოფრინდება და ქილაში ნისლი წარმოიქმნება. საცობი ქილიდან გამოფრინდა, რადგან იქ ჰაერი მასზე გარკვეული ძალით მოქმედებდა. ჰაერი მუშაობდა, როდესაც შტეფსელი გამოვიდა. ცნობილია, რომ სხეულს შეუძლია სამუშაოს შესრულება, თუ მას ენერგია აქვს. ამიტომ ქილაში ჰაერს აქვს ენერგია.
როგორც კი ჰაერი ასრულებდა სამუშაოს, მისი ტემპერატურა იკლებს და მდგომარეობა იცვლებოდა. ამავდროულად, ჰაერის მექანიკური ენერგია არ შეცვლილა: არც სიჩქარე და არც მდებარეობა დედამიწასთან შედარებით. შესაბამისად, სამუშაო შესრულდა არა მექანიკური, არამედ სხვა ენერგიის გამო. ეს ენერგია არის ქილაში ჰაერის შიდა ენერგია.
შინაგანი ენერგიასხეული არის მისი მოლეკულების მოძრაობის კინეტიკური ენერგიის ჯამი და მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია. Კინეტიკური ენერგია ( ეკ) მოლეკულებს აქვთ, რადგან ისინი მოძრაობაში არიან, პოტენციური ენერგია ( ეპ) როგორც ისინი ურთიერთობენ. შინაგანი ენერგია აღინიშნება ასოებით უ. შიდა ენერგიის ერთეული არის 1 ჯოული (1 ჯ). U = Ek + En.
შინაგანი ენერგიის შეცვლის გზები
რაც უფრო დიდია მოლეკულების მოძრაობის სიჩქარე, მით უფრო მაღალია სხეულის ტემპერატურა, შესაბამისად, შინაგანი ენერგია დამოკიდებულია სხეულის ტემპერატურაზე . ნივთიერების მყარი მდგომარეობიდან თხევად გადაქცევისთვის, მაგალითად, ყინულის წყალად გადაქცევისთვის, თქვენ უნდა მიაწოდოთ მას ენერგია. მაშასადამე, წყალს ექნება უფრო მეტი შინაგანი ენერგია, ვიდრე იმავე მასის ყინულზე და შესაბამისად, შიდა ენერგია დამოკიდებულია სხეულის ფიზიკურ მდგომარეობაზე .
შინაგანი ენერგია შეიძლება შეიცვალოს სამუშაოს შესრულებისას . თუ ტყვიის ნაჭერს ჩაქუჩით რამდენჯერმე დაარტყამთ, შეხებითაც კი მიხვდებით, რომ ტყვიის ნაჭერი გაცხელდება. შესაბამისად, გაიზარდა მისი შინაგანი ენერგია, ისევე როგორც ჩაქუჩის შინაგანი ენერგია. ეს იმიტომ მოხდა, რომ ტყვიის ნაჭერზე მუშაობა გაკეთდა.
თუ სხეული თავად მუშაობს, მაშინ მისი შინაგანი ენერგია მცირდება, ხოლო თუ მასზე მუშაობა კეთდება, მაშინ მისი შინაგანი ენერგია იზრდება.
თუ ცხელ წყალს ჩაასხით ჭიქა ცივ წყალში, ცხელი წყლის ტემპერატურა დაიკლებს, ცივი წყლის ტემპერატურა კი მოიმატებს. განხილულ მაგალითში მექანიკური სამუშაო არ შესრულებულია, სხეულების შინაგანი ენერგია იცვლება სითბოს გადაცემა, რასაც მოწმობს მისი ტემპერატურის კლება.
ცხელი წყლის მოლეკულებს უფრო მეტი კინეტიკური ენერგია აქვთ, ვიდრე ცივი წყლის მოლეკულებს. ცხელი წყლის მოლეკულები ამ ენერგიას გადასცემენ ცივი წყლის მოლეკულებს შეჯახების დროს და ცივი წყლის მოლეკულების კინეტიკური ენერგია იზრდება. ცხელი წყლის მოლეკულების კინეტიკური ენერგია მცირდება.
ნებისმიერ მაკროსკოპულ სხეულს აქვს ენერგია, განისაზღვრება მისი მიკრომდგომარეობით. ეს ენერგიადაურეკა შიდა(აღნიშნა უ). იგი უდრის სხეულის შემადგენელი მიკრონაწილაკების მოძრაობისა და ურთიერთქმედების ენერგიას. Ისე, შინაგანი ენერგია იდეალური გაზიშედგება მისი ყველა მოლეკულის კინეტიკური ენერგიისგან, რადგან ამ შემთხვევაში მათი ურთიერთქმედება შეიძლება უგულებელყოფილი იყოს. ამიტომ ის შინაგანი ენერგიადამოკიდებულია მხოლოდ გაზის ტემპერატურაზე ( უ~თ).
იდეალური გაზის მოდელი ვარაუდობს, რომ მოლეკულები განლაგებულია ერთმანეთისგან რამდენიმე დიამეტრის მანძილზე. აქედან გამომდინარე, მათი ურთიერთქმედების ენერგია გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე მოძრაობის ენერგია და შეიძლება იგნორირებული იყოს.
რეალურ აირებში, სითხეებსა და მყარ სხეულებში მიკრონაწილაკების (ატომები, მოლეკულები, იონები და ა.შ.) ურთიერთქმედება არ შეიძლება უგულებელყო, რადგან ეს მნიშვნელოვნად მოქმედებს მათ თვისებებზე. ამიტომ ისინი შინაგანი ენერგიაშედგება მიკრონაწილაკების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგიისა და მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიისგან. მათი შინაგანი ენერგია, გარდა ტემპერატურისა T,ასევე დამოკიდებული იქნება მოცულობაზე V,ვინაიდან მოცულობის ცვლილება გავლენას ახდენს ატომებსა და მოლეკულებს შორის მანძილს და, შესაბამისად, მათი ერთმანეთთან ურთიერთქმედების პოტენციურ ენერგიაზე.
შინაგანი ენერგია არის სხეულის მდგომარეობის ფუნქცია, რომელიც განისაზღვრება მისი ტემპერატურითთდა ტომი V.
შინაგანი ენერგია ცალსახად განისაზღვრება ტემპერატურაT და სხეულის მოცულობა V, რომელიც ახასიათებს მის მდგომარეობას:U =U(ᲡᲐᲢᲔᲚᲔᲕᲘᲖᲘᲝ)
რომ შიდა ენერგიის შეცვლასხეული, თქვენ რეალურად უნდა შეცვალოთ მიკრონაწილაკების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია, ან მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია (ან ორივე ერთად). მოგეხსენებათ, ეს შეიძლება გაკეთდეს ორი გზით - სითბოს გაცვლით ან სამუშაოს შესრულებით. პირველ შემთხვევაში, ეს ხდება გარკვეული რაოდენობის სითბოს გადაცემის გამო Q;მეორეში - სამუშაოს შესრულების გამო ა.
ამრიგად, სითბოს რაოდენობა და შესრულებული სამუშაო არის სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილების საზომი:
Δ U =Q+ა.
შინაგანი ენერგიის ცვლილება ხდება სხეულის მიერ მიცემული ან მიღებული სითბოს გარკვეული რაოდენობის ან სამუშაოს შესრულების გამო.
თუ მხოლოდ სითბოს გაცვლა ხდება, მაშინ ცვლილება შინაგანი ენერგიახდება გარკვეული რაოდენობის სითბოს მიღებით ან გამოთავისუფლებით: Δ U =ქ.სხეულის გაცხელების ან გაგრილებისას უდრის:
Δ U =ქ = სმ(T 2 - T 1) =სმΔT.
მყარი ნივთიერებების დნობის ან კრისტალიზაციის დროს შინაგანი ენერგიაცვლილებები მიკრონაწილაკების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიის ცვლილების გამო, რადგან ხდება ნივთიერების სტრუქტურაში სტრუქტურული ცვლილებები. ამ შემთხვევაში შინაგანი ენერგიის ცვლილება სხეულის დნობის (კრისტალიზაციის) სითბოს უდრის: Δ. U-Qpl =λ მ,სად λ - მყარი ნივთიერების დნობის (კრისტალიზაციის) სპეციფიკური სითბო.
სითხეების აორთქლება ან ორთქლის კონდენსაცია ასევე იწვევს ცვლილებებს შინაგანი ენერგია, რომელიც უდრის აორთქლების სითბოს: Δ U =Q p =rm,სად რ- სითხის აორთქლების (კონდენსაციის) სპეციფიკური სითბო.
შეცვლა შინაგანი ენერგიასხეული მექანიკური სამუშაოს შესრულების გამო (თბოგაცვლის გარეშე) რიცხობრივად უდრის ამ სამუშაოს მნიშვნელობას: Δ U =ა.
თუ შიდა ენერგიის ცვლილება ხდება სითბოს გაცვლის გამო, მაშინΔ U =Q=სმ(T 2 -T 1),ანΔ U = Q pl = λ მ,ანΔ U =ქn =რმ.
ამრიგად, მოლეკულური ფიზიკის თვალსაზრისით: მასალა საიტიდან
სხეულის შინაგანი ენერგია არის ატომების, მოლეკულების ან სხვა ნაწილაკების თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგიის ჯამი, რომელთაგანაც იგი შედგება და მათ შორის ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია; თერმოდინამიკური თვალსაზრისით, ეს არის სხეულის მდგომარეობის (სხეულების სისტემის) ფუნქცია, რომელიც ცალსახად განისაზღვრება მისი მაკროპარამეტრებით - ტემპერატურა.თდა ტომი V.
ამრიგად, შინაგანი ენერგიაარის სისტემის ენერგია, რომელიც დამოკიდებულია მის შინაგან მდგომარეობაზე. იგი შედგება სისტემის ყველა მიკრონაწილაკის (მოლეკულების, ატომების, იონების, ელექტრონების და სხვ.) თერმული მოძრაობის ენერგიისა და მათი ურთიერთქმედების ენერგიისგან. შინაგანი ენერგიის სრული მნიშვნელობის დადგენა თითქმის შეუძლებელია, ამიტომ გამოითვლება შიდა ენერგიის ცვლილება Δ U,რაც ხდება სითბოს გადაცემის და სამუშაო შესრულების გამო.
სხეულის შინაგანი ენერგია ტოლია თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგიის ჯამისა და მისი შემადგენელი მიკრონაწილაკების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიის ჯამს.
ამ გვერდზე არის მასალა შემდეგ თემებზე:
რაზეა დამოკიდებული მყარი სხეულის შინაგანი ენერგია?
სხეულის შინაგანი ენერგიის შეცვლის მეთოდის მოკლე მიმოხილვა
რა მაკროპარამეტრებზეა დამოკიდებული სხეულის შინაგანი ენერგია?
მოკლე შეტყობინება "სხეულის შინაგანი ენერგიის გამოყენების შესახებ"
-
