Energija je opća mjera za različite oblike gibanja materije. Prema oblicima gibanja tvari razlikuju se i vrste energije - mehanička, električna, kemijska itd. Svaki termodinamički sustav u bilo kojem stanju ima određenu rezervu energije, čije je postojanje dokazao R. Clausius (1850) i nazvan je unutarnjom energijom.
Unutarnja energija (U) je energija svih vrsta gibanja mikročestica koje čine sustav i energija njihove međusobne interakcije.
Unutarnju energiju čini energija translacijskog, rotacijskog i vibracijskog gibanja čestica, energija međumolekularnih i intramolekularnih, intraatomskih i intranuklearnih interakcija itd.
Energija intramolekularne interakcije, t.j. energija interakcije atoma u molekuli često se naziva kemijska energija . Promjena te energije događa se tijekom kemijskih transformacija.
Za termodinamičku analizu nije potrebno znati iz kojih oblika gibanja tvari nastaje unutarnja energija.
Zaliha unutarnje energije ovisi samo o stanju sustava. Posljedično, unutarnja energija se može smatrati jednom od karakteristika ovog stanja zajedno s takvim veličinama kao što su tlak, temperatura.
Svako stanje sustava odgovara strogo definiranoj vrijednosti svakog njegovog svojstva.
Ako homogeni sustav u početnom stanju ima volumen V 1, tlak P 1, temperaturu T 1, unutarnju energiju U 1, električnu vodljivost æ 1 itd., a u konačnom stanju ta svojstva su redom jednaka V 2 , P 2 , T 2 , U 2, æ 2 itd., tada će promjena svakog svojstva tijekom prijelaza sustava iz početnog stanja u konačno stanje biti ista, bez obzira na to na koji način sustav prelazi iz jednog stanja u drugo : prvi, drugi ili treći (sl. 1.4).
Riža. 1.4 Neovisnost svojstava sustava od puta prijelaza
iz normalnog stanja u drugo
Oni. (U 2 - U 1) I \u003d (U 2 - U 1) II \u003d (U 2 - U 1) III (1.4)
Gdje su brojevi I, II, III itd. naznačiti puteve procesa. Dakle, ako se sustav kreće iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) jednim putem, a iz konačnog stanja na početku, drugim putem, t.j. kružni proces (ciklus) je završen, tada će promjena svakog svojstva sustava biti jednaka nuli.
Dakle, promjena funkcije stanja sustava ne ovisi o putu procesa, već ovisi samo o početnim i konačnim stanjima sustava. Beskonačno mala promjena svojstava sustava obično se označava predznakom diferencijala d. Na primjer, dU je beskonačno mala promjena unutarnje energije, itd.
Oblici razmjene energije
U skladu s različitim oblicima gibanja tvari i raznim vrstama energije, postoje različiti oblici razmjene energije (prijenosa energije) – oblici interakcije. U termodinamici se razmatraju dva oblika razmjene energije između sustava i okoline. To je rad i toplina.
Posao. Najočitiji oblik izmjene energije je mehanički rad, koji odgovara mehaničkom obliku gibanja tvari. Nastaje pomicanjem tijela pod djelovanjem mehaničke sile. U skladu s drugim oblicima gibanja tvari razlikuju se i druge vrste rada: električni, kemijski itd. Rad je oblik prijenosa uređenog, organiziranog kretanja, budući da se prilikom obavljanja posla čestice tijela kreću organizirano u jednom smjeru. Na primjer, obavljanje posla kada se plin širi. Molekule plina u cilindru ispod klipa su u kaotičnom, nesređenom gibanju. Kada plin počne pomicati klip, to jest, za obavljanje mehaničkog rada, organizirano kretanje će biti superponirano na nasumično kretanje molekula plina: sve molekule dobivaju neki pomak u smjeru klipa. Električni rad također je povezan s organiziranim kretanjem nabijenih čestica materije u određenom smjeru.
Budući da je rad mjera prenesene energije, njegova količina se mjeri u istim jedinicama kao i energija.
Toplina. Oblik izmjene energije koji odgovara kaotičnom gibanju mikročestica koje čine sustav naziva se izmjena topline, a količina energije koja se prenese pri izmjeni topline naziva se toplina.
Prijenos topline nije povezan s promjenom položaja tijela koja čine termodinamički sustav, a sastoji se u izravnom prijenosu energije od strane molekula jednog tijela na molekule drugog pri njihovom dodiru.
P 
zamislimo izoliranu posudu (sustav) podijeljenu na dva dijela pregradom ab koja provodi toplinu (slika 1.5). Pretpostavimo da se u oba dijela posude nalazi plin.
Riža. 1.5. Na koncept topline
U lijevoj polovici posude temperatura plina je T 1, au desnoj polovini T 2. Ako je T 1 > T 2, tada prosječna kinetička energija ( 
) molekule plina na lijevoj strani posude bit će veće od prosječne kinetičke energije ( 
) u desnoj polovici posude.
Kao rezultat kontinuiranih sudara molekula o pregradu u lijevoj polovici posude, dio njihove energije prenosi se na molekule pregrade. Molekule plina smještene u desnoj polovici posude, sudarajući se s pregradom, dobit će dio energije od njegovih molekula.
Uslijed tih sudara kinetička energija molekula u lijevoj polovici posude će se smanjiti, a u desnoj će se povećati; temperature T 1 i T 2 će se izjednačiti.
Budući da je toplina metafora za energiju, njezina se količina mjeri u istim jedinicama kao i energija. Dakle, prijenos topline i rad su oblici razmjene energije, a količina topline i količina rada mjere su prenesene energije. Razlika između njih je u tome što je toplina oblik prijenosa mikrofizičkog, nesređenog gibanja čestica (i, prema tome, energije tog gibanja), a rad je oblik prijenosa energije uređenog, organiziranog kretanja tvari. .
Ponekad kažu: toplina (ili rad) se dovodi ili uklanja iz sustava, pri čemu treba razumjeti da se ne dovode i uklanjaju toplina i rad, već energija, dakle, takvi izrazi kao što su "rezerva topline" ili "toplina sadržani” ne bi se trebali koristiti.
Budući da su oblici razmjene energije (oblici interakcije) sustava s okolinom, toplina i rad ne mogu biti povezani ni s jednim posebnim stanjem sustava, ne mogu biti njegova svojstva, a time ni funkcije njegovog stanja. To znači da ako sustav prijeđe iz početnog stanja (1) u konačno stanje (2) na različite načine, tada će toplina i rad imati različite vrijednosti za različite prijelazne puteve (slika 1.6)
Konačna količina topline i rada označena je s Q i A, a beskonačno male vrijednosti s δQ i δA. Veličine δQ i δA, za razliku od dU, nisu totalni diferencijal, jer Q i A nisu funkcije stanja.
Kada je put procesa unaprijed određen, rad i toplina će dobiti svojstva funkcija stanja sustava, t.j. njihove će numeričke vrijednosti biti određene samo početnim i konačnim stanjem sustava.
Teme USE kodifikatora Ključne riječi: unutarnja energija, prijenos topline, vrste prijenosa topline.
Čestice bilo kojeg tijela – atomi ili molekule – vrše kaotično neprekidno gibanje (tzv. toplinsko kretanje). Stoga svaka čestica ima neku kinetičku energiju.
Osim toga, čestice tvari međusobno djeluju silama električnog privlačenja i odbijanja, kao i nuklearnim silama. Stoga cijeli sustav čestica danog tijela također ima potencijalnu energiju.
Kinetička energija toplinskog gibanja čestica i potencijalna energija njihove interakcije zajedno tvore novu vrstu energije koja se ne svodi na mehaničku energiju tijela (tj. kinetička energija gibanja tijela kao cjeline i potencijalna energija njegove interakcije s drugim tijelima). Ova vrsta energije naziva se unutarnja energija.
Unutarnja energija tijela je ukupna kinetička energija toplinskog gibanja njegovih čestica plus potencijalna energija njihove međudjelovanja.
Unutarnja energija termodinamičkog sustava zbroj je unutarnjih energija tijela uključenih u sustav.
Dakle, unutarnju energiju tijela tvore sljedeći pojmovi.
1. Kinetička energija kontinuiranog kaotičnog gibanja čestica tijela.
2. Potencijalna energija molekula (atoma), zbog sila međumolekularne interakcije.
3. Energija elektrona u atomima.
4. Intranuklearna energija.
U slučaju najjednostavnijeg modela materije - idealnog plina - može se dobiti eksplicitna formula za unutarnju energiju.
Unutarnja energija jednoatomskog idealnog plina
Potencijalna energija interakcije između čestica idealnog plina je nula (sjetimo se da u modelu idealnog plina zanemarujemo interakciju čestica na udaljenosti). Stoga se unutarnja energija monoatomskog idealnog plina svodi na ukupnu kinetičku energiju translacijske (za poliatomski plin također se mora uzeti u obzir rotacija molekula i vibracije atoma unutar molekula) njegovih atoma. Ova energija se može naći množenjem broja atoma plina prosječnom kinetičkom energijom jednog atoma:
Vidimo da je unutarnja energija idealnog plina (čija masa i kemijski sastav su nepromijenjeni) funkcija samo njegove temperature. Za pravi plin, tekući ili kruti, unutarnja energija će također ovisiti o volumenu - uostalom, kada se volumen promijeni, relativni položaj čestica se mijenja i, kao rezultat, potencijalna energija njihove interakcije.
Državna funkcija
Najvažnije svojstvo unutarnje energije je da je državna funkcija termodinamički sustav. Naime, unutarnja energija je jednoznačno određena skupom makroskopskih parametara koji karakteriziraju sustav i ne ovisi o "prapovijesti" sustava, t.j. o stanju u kojem je sustav bio prije i kako je konkretno završio u ovom stanju.
Dakle, tijekom prijelaza sustava iz jednog stanja u drugo, promjena njegove unutarnje energije određena je samo početnim i konačnim stanjem sustava i ne ovisi s puta prijelaza iz početnog stanja u konačno. Ako se sustav vrati u prvobitno stanje, tada je promjena njegove unutarnje energije nula.
Iskustvo pokazuje da postoje samo dva načina za promjenu unutarnje energije tijela:
Izvođenje mehaničkih radova;
prijenos topline.
Jednostavno rečeno, kuhalo za vodu možete zagrijati na samo dva bitno različita načina: trljati ga nečim ili zapaliti :-) Razmotrimo ove metode detaljnije.
Promjena unutarnje energije: obavljanje posla
Ako je posao obavljen iznad tijela, unutarnja energija tijela se povećava.
Na primjer, čavao nakon udarca čekićem zagrijava se i malo se deformira. Ali temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica tijela. Zagrijavanje čavala ukazuje na povećanje kinetičke energije njegovih čestica: zapravo, čestice se ubrzavaju udarcem čekića i trenjem čavala o dasku.
Deformacija nije ništa drugo do pomicanje čestica jedna u odnosu na drugu; Nakon udarca nokat se deformira kompresijom, njegove se čestice približavaju jedna drugoj, između njih se povećavaju odbojne sile, a to dovodi do povećanja potencijalne energije čestica nokta.
Dakle, unutarnja energija nokta se povećala. To je bio rezultat rada obavljenog na njemu – rad su obavili čekić i sila trenja o dasku.
Ako je posao obavljen sami od sebe tijela, tada se unutarnja energija tijela smanjuje.
Neka se npr. komprimirani zrak u toplinski izoliranoj posudi ispod klipa širi i podiže određeno opterećenje, čime se obavlja rad (proces u toplinski izoliranoj posudi naziva se adijabatski. Proučavat ćemo adijabatski proces razmatrajući prvi zakon termodinamike). Tijekom takvog procesa, zrak će se hladiti - njegove molekule, udarajući nakon pokretnog klipa, daju mu dio svoje kinetičke energije. (Na isti način, nogometaš, zaustavljajući nogom brzo leteću loptu, čini pokret nogom iz loptu i gasi njezinu brzinu.) Stoga se unutarnja energija zraka smanjuje.
Zrak, dakle, radi zbog svoje unutarnje energije: budući da je posuda toplinski izolirana, nema dotoka energije u zrak iz bilo kojeg vanjskog izvora, a zrak može crpiti energiju za rad samo iz vlastitih rezervi.
Promjena unutarnje energije: prijenos topline
Prijenos topline je proces prijenosa unutarnje energije s toplijeg tijela na hladnije, a nije povezan s izvođenjem mehaničkog rada.. Prijenos topline može se izvesti ili izravnim kontaktom tijela, ili putem međumedija (pa čak i kroz vakuum). Prijenos topline se također naziva izmjena topline.
Postoje tri vrste prijenosa topline: vodljivost, konvekcija i toplinsko zračenje.
Sada ćemo ih detaljnije pogledati.
Toplinska vodljivost
Ako stavite željeznu šipku s jednim krajem u vatru, tada je, kao što znamo, ne možete dugo držati u ruci. Ulazeći u područje visoke temperature, atomi željeza počinju intenzivnije vibrirati (tj. stječu dodatnu kinetičku energiju) i nanositi jače udarce svojim susjedima.
Kinetička energija susjednih atoma također se povećava, a sada ti atomi daju dodatnu kinetičku energiju svojim susjedima. Dakle, iz odjeljka u dio, toplina se postupno širi duž štapa - od kraja stavljenog u vatru do naše ruke. Ovo je toplinska vodljivost (slika 1) (Slika s Educationalelectronicsusa.com).
Riža. 1. Toplinska vodljivost
Toplinska vodljivost je prijenos unutarnje energije s više zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane zbog toplinskog gibanja i međudjelovanja čestica tijela..
Toplinska vodljivost različitih tvari je različita. Metali imaju visoku toplinsku vodljivost: srebro, bakar i zlato su najbolji provodnici topline. Toplinska vodljivost tekućina je mnogo manja. Plinovi toliko loše provode toplinu da su već toplinski izolatori: molekule plina slabo međusobno djeluju zbog velikih udaljenosti između njih. Zato se u prozorima izrađuju npr. dvostruki okviri: sloj zraka sprječava izlazak topline).
Stoga su porozna tijela, kao što su cigla, vuna ili krzno, loši provodnici topline. Sadrže zrak u svojim porama. Nije ni čudo što se kuće od cigle smatraju najtoplijim, a po hladnom vremenu ljudi nose bunde i jakne sa slojem dolje ili poliestera.
Ali ako zrak tako slabo provodi toplinu, zašto se onda soba zagrijava od baterije?
To se događa zbog druge vrste prijenosa topline - konvekcije.
Konvekcija
Konvekcija je prijenos unutarnje energije u tekućinama ili plinovima kao rezultat kruženja strujanja i miješanja tvari.
Zrak u blizini baterije zagrijava se i širi. Sila gravitacije koja djeluje na ovaj zrak ostaje ista, ali raste sila uzgona iz okolnog zraka, tako da zagrijani zrak počinje plutati prema stropu. Na njegovo mjesto dolazi hladan zrak (isti proces, ali u mnogo većim razmjerima, stalno se događa u prirodi: tako nastaje vjetar), s kojim se ponavlja isto.
Kao rezultat toga, uspostavlja se cirkulacija zraka, što služi kao primjer konvekcije - distribucija topline u prostoriji vrši se strujama zraka.
Potpuno analogan proces može se promatrati u tekućini. Kada stavite kotlić ili lonac s vodom na štednjak, voda se zagrijava prvenstveno zbog konvekcije (tu je doprinos toplinske vodljivosti vode vrlo neznatan).
Konvekcijske struje u zraku i tekućini prikazane su na sl. 2 (slike iz fizike.arizona.edu).
Riža. 2. Konvekcija
U čvrstim tijelima nema konvekcije: sile interakcije čestica su velike, čestice osciliraju u blizini fiksnih prostornih točaka (čvorova kristalne rešetke) i u takvim uvjetima ne mogu nastati nikakvi tokovi tvari.
Za cirkulaciju konvekcijskih struja prilikom grijanja prostorije potrebno je da zagrijani zrak bilo je mjesta za plutati. Ako je radijator postavljen ispod stropa, tada neće doći do cirkulacije - topli zrak će ostati ispod stropa. Zato se postavljaju aparati za grijanje na dnu sobe. Iz istog razloga stavili su i čajnik na vatra, uslijed čega zagrijani slojevi vode, dižući se, ustupaju mjesto hladnijim.
Naprotiv, klima uređaj treba postaviti što je više moguće: tada će ohlađeni zrak početi tonuti, a na njegovo mjesto doći će topliji zrak. Cirkulacija će ići u suprotnom smjeru u odnosu na kretanje tokova prilikom zagrijavanja prostorije.
toplinsko zračenje
Kako Zemlja dobiva energiju od Sunca? Provođenje topline i konvekcija su isključeni: dijeli nas 150 milijuna kilometara bezzračnog prostora.
Evo treće vrste prijenosa topline - toplinsko zračenje. Zračenje se može širiti i u materiji i u vakuumu. Kako nastaje?
Pokazalo se da su električno i magnetsko polje usko povezane jedno s drugim i da imaju jedno izvanredno svojstvo. Ako se električno polje mijenja s vremenom, ono stvara magnetsko polje, koje se, općenito govoreći, također mijenja s vremenom (više o tome bit će riječi u letku o elektromagnetskoj indukciji). Zauzvrat, izmjenično magnetsko polje stvara izmjenično električno polje, koje opet stvara izmjenično magnetsko polje, koje opet stvara izmjenično električno polje ...
Kao rezultat razvoja ovog procesa, elektromagnetski val- "zakačeni" jedno za drugo električno i magnetsko polje. Poput zvuka, elektromagnetski valovi imaju brzinu i frekvenciju širenja – u ovom slučaju to je frekvencija kojom fluktuiraju veličine i smjerovi polja u valu. Vidljiva svjetlost je poseban slučaj elektromagnetskih valova.
Brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu je ogromna: km/s. Dakle, od Zemlje do Mjeseca, svjetlost putuje nešto više od jedne sekunde.
Frekvencijski raspon elektromagnetskih valova je vrlo širok. O skali elektromagnetskih valova više ćemo govoriti u odgovarajućem listu. Ovdje samo napominjemo da je vidljiva svjetlost mali raspon ove ljestvice. Ispod njega leže frekvencije infracrvenog zračenja, iznad - frekvencije ultraljubičastog zračenja.
Prisjetimo se sada da atomi, budući da su općenito električno neutralni, sadrže pozitivno nabijene protone i negativno nabijene elektrone. Te nabijene čestice, čineći kaotično gibanje zajedno s atomima, stvaraju izmjenična električna polja i tako zrače elektromagnetske valove. Ti se valovi zovu toplinsko zračenje- kao podsjetnik da im je izvor toplinsko gibanje čestica materije.
Svako tijelo je izvor toplinskog zračenja. U tom slučaju zračenje odnosi dio svoje unutarnje energije. Susrevši atome drugog tijela, zračenje ih svojim oscilirajućim električnim poljem ubrzava, a unutarnja energija ovog tijela se povećava. Ovako se grijemo na suncu.
Na uobičajenim temperaturama, frekvencije toplinskog zračenja leže u infracrvenom području, tako da ga oko ne percipira (ne vidimo kako „svjetlimo“). Kada se tijelo zagrije, njegovi atomi počinju emitirati valove viših frekvencija. Željezni čavao može biti užaren - doveden do takve temperature da će njegovo toplinsko zračenje otići u donji (crveni) dio vidljivog raspona. A Sunce nam se čini žuto-bijelim: temperatura na površini Sunca je toliko visoka da u spektru njegovog zračenja postoje sve frekvencije vidljive svjetlosti, pa čak i ultraljubičaste, zahvaljujući kojima se sunčamo.
Pogledajmo još jednom tri tipa prijenosa topline (slika 3) (slike s beodom.com).
Riža. 3. Tri vrste prijenosa topline: vođenje, konvekcija i zračenje
Prema MKT-u, sve tvari su sastavljene od čestica koje su u kontinuiranom toplinskom gibanju i međusobno djeluju. Stoga, čak i ako je tijelo nepomično i ima nultu potencijalnu energiju, ono ima energiju (unutarnju energiju), koja je ukupna energija gibanja i interakcije mikročestica koje čine tijelo. Sastav unutarnje energije uključuje:
- kinetička energija translacijskog, rotacijskog i vibracijskog gibanja molekula;
- potencijalna energija interakcije atoma i molekula;
- intraatomska i intranuklearna energija.
U termodinamici se razmatraju procesi pri temperaturama na kojima nije pobuđeno oscilatorno gibanje atoma u molekulama, t.j. na temperaturama ne većim od 1000 K. U tim se procesima mijenjaju samo prve dvije komponente unutarnje energije. Stoga, pod unutarnja energija u termodinamici razumjeti zbroj kinetičke energije svih molekula i atoma tijela i potencijalne energije njihove interakcije.
Unutarnja energija tijela određuje njegovo toplinsko stanje i mijenja se tijekom prijelaza iz jednog stanja u drugo. U tom stanju tijelo ima dobro definiranu unutarnju energiju, neovisno o procesu kojim je ušao u zadano stanje. Stoga se unutarnja energija vrlo često naziva funkcija stanja tijela.
Budući da molekule u idealnom plinu ne djeluju jedna na drugu, njihova je potencijalna energija nula, a unutarnja energija idealnog plina je kinetička energija svih njegovih molekula.
Prosječna kinetička energija molekule \(~\mathcal h W_k \mathcal i = \frac i2 kT\).
Broj molekula u plinu \(~N = \frac mM N_A\).
Dakle, unutarnja energija idealnog plina
\(~U = N \mathcal h W_k \mathcal i = \frac mM N_A \frac i2 kT .\)
S obzirom na to kN A= R je univerzalna plinska konstanta, imamo
\(~U = \frac i2 \frac mM RT\) je unutarnja energija idealnog plina. (jedan)
Konkretno, za jednoatomski plin \(~U = \frac 32 \frac mM RT\) .
Iz ovih formula jasno je da unutarnja energija idealnog plina ovisi samo o temperaturi i broju molekula i ne ovisi o volumenu ili tlaku. Stoga je promjena unutarnje energije idealnog plina određena samo promjenom njegove temperature i ne ovisi o prirodi procesa u kojem plin prelazi iz jednog stanja u drugo:
\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \frac i2 \frac mM R \Delta T ,\)
gdje je ∆ T = T 2 - T 1 .
Molekule stvarnih plinova međusobno djeluju i stoga imaju potencijalnu energiju W p , što ovisi o udaljenosti između molekula i, posljedično, o volumenu koji zauzima plin.
Dakle, unutarnja energija stvarnog plina ovisi o njegovoj temperaturi, volumenu i molekularnoj strukturi.
Za rješavanje praktičnih pitanja ne igra značajnu ulogu sama unutarnja energija, već njezina promjena Δ U = U 2 - U jedan . Promjena unutarnje energije izračunava se na temelju zakona održanja energije.
Književnost
Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: Teorija. Zadaci. Testovi: Proc. doplatak za ustanove koje pružaju opću. okruženja, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 152-153.
Termodinamika se kao disciplina oblikovala sredinom 19. stoljeća. To se dogodilo nakon otkrića zakona održanja energije. Postoji definitivan odnos između termodinamike i molekularne kinetike. Koje je mjesto unutarnje energije u teoriji? Razmotrimo to u članku.
Statistička mehanika i termodinamika
Izvorna znanstvena teorija toplinskih procesa nije bila molekularno-kinetička. Prva je bila termodinamika. Nastala je u procesu proučavanja optimalnih uvjeta za korištenje topline za izvođenje radova. To se dogodilo sredinom 19. stoljeća, prije nego što je prihvaćena molekularna kinetika. Danas se u tehnologiji i znanosti koriste i termodinamika i molekularno-kinetička teorija. Potonje se u teorijskoj fizici naziva statistička mehanika. Uz termodinamiku, istražuje iste fenomene različitim metodama. Ove dvije teorije se međusobno nadopunjuju. Osnovu termodinamike čine njena dva zakona. Obje se tiču ponašanja energije i utvrđene su empirijski. Ovi zakoni vrijede za svaku tvar, bez obzira na unutarnju strukturu. Statistička mehanika smatra se dubljom i preciznijom znanošću. U usporedbi s termodinamikom, ona je složenija. Koristi se u slučaju kada termodinamički odnosi nisu dovoljni za objašnjenje proučavanih pojava.
Teorija molekularne kinetike
Sredinom 19. stoljeća dokazano je da, uz mehaničku, postoji i unutarnja energija makroskopskih tijela. Uključen je u ravnotežu energetskih prirodnih transformacija. Nakon što je otkrivena unutarnja energija, formuliran je stav o njezinom očuvanju i transformaciji. Dok pak klizi po ledu prestaje pod utjecajem trenja, njegova kinetička (mehanička) energija ne samo da prestaje postojati, već se prenosi na molekule paka i leda. Prilikom kretanja deformira se hrapavost površina tijela koja su podvrgnuta trenju. Istodobno se povećava intenzitet nasumično pokretnih molekula. Kada se oba tijela zagriju, unutarnja energija se povećava. Također je lako promatrati obrnuti prijelaz. Kada se voda zagrije u zatvorenoj epruveti, unutarnja energija (i njezina i dobivena para) počinje rasti. Tlak će se povećati, uzrokujući istiskivanje utikača. Unutarnja energija pare će uzrokovati povećanje kinetičke energije. U procesu širenja, para radi. Istodobno se smanjuje njegova unutarnja energija. Kao rezultat, para se hladi.
Unutarnja energija. opće informacije
Kod slučajnog kretanja svih molekula, zbroj njihovih kinetičkih energija, kao i potencijalnih energija njihovih interakcija, je unutarnja energija. S obzirom na položaj molekula jedna u odnosu na drugu i njihovo kretanje, gotovo je nemoguće izračunati ovaj zbroj. To je zbog ogromnog broja elemenata u makroskopskim tijelima. S tim u vezi, potrebno je moći izračunati vrijednost u skladu s makroskopskim parametrima koji se mogu mjeriti.
Monatomski plin
Tvar se smatra prilično jednostavnom u svojim svojstvima, budući da se sastoji od pojedinačnih atoma, a ne molekula. Monatomski plinovi uključuju argon, helij i neon. Potencijalna energija u ovom slučaju jednaka je nuli. To je zbog činjenice da molekule u idealnom plinu ne djeluju jedna s drugom. Kinetička energija slučajnog molekularnog gibanja je odlučujući faktor za unutarnje (U). Da bismo izračunali U jednoatomnog plina mase m, trebamo pomnožiti kinetičku energiju (prosječnu) 1. atoma s ukupnim brojem svih atoma. Ali treba uzeti u obzir da je kNA=R. Na temelju podataka koje imamo, dobivamo sljedeću formulu: U= 2/3 x m/M x RT, gdje je unutarnja energija izravno proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Sve promjene u U određene su samo T (temperatura) mjerene u početnom i konačnom stanju plina, i nisu izravno povezane s volumenom. To je zbog činjenice da su interakcije njegove potencijalne energije jednake 0 i uopće ne ovise o drugim parametrima sustava makroskopskih objekata. U prisutnosti složenijih molekula, idealan plin će također imati unutarnju energiju izravno proporcionalnu apsolutnoj temperaturi. Ali, moram reći, u ovom slučaju, između U i T, koeficijent proporcionalnosti će se promijeniti. Uostalom, složene molekule izvode ne samo translacijske kretnje, već i rotacijske. Unutarnja energija jednaka je zbroju tih kretanja molekula.
O čemu U ovisi?
Na unutarnju energiju utječe jedan od makroskopskih parametara. Ovo je temperatura. Za stvarne plinove, tekućine i krute tvari potencijalna energija (prosjek) tijekom međudjelovanja molekula nije jednaka nuli. Iako je, ako točnije razmotrimo, za plinove mnogo manji od kinetičkog (prosječnog). Istodobno, za čvrsta i tekuća tijela, usporediva je s njim. No prosječni U ovisi o V tvari, jer se tijekom razdoblja njezine promjene mijenja i prosječna udaljenost koja postoji između molekula. Iz ovoga slijedi da u termodinamici unutarnja energija ne ovisi samo o temperaturi T, već i o V (volumenu). Njihova vrijednost jednoznačno određuje stanje tijela, a time i U.
Svjetski ocean
Teško je zamisliti kakve nevjerojatno velike zalihe energije sadrže oceani. Razmotrimo kolika je unutarnja energija vode. Valja napomenuti da je i toplinski, jer je nastao kao posljedica pregrijavanja tekućeg dijela površine oceana. Dakle, s razlikom, na primjer, od 20 stupnjeva u odnosu na dno vode, dobiva vrijednost od oko 10 ^ 26 J. Prilikom mjerenja struja u oceanu, njegova se kinetička energija procjenjuje na oko 10 ^ 18 J.
Globalni problemi
Postoje globalni problemi koji se mogu staviti na svjetsku razinu. To uključuje:
Iscrpljivanje rezervi fosilnih goriva (prvenstveno nafte i plina);
Značajno onečišćenje okoliša povezano s korištenjem ovih minerala;
Toplinsko "zagađenje", plus povećanje koncentracije atmosferskog ugljičnog dioksida, prijeteći globalnim klimatskim poremećajima;
Korištenje rezervi urana, što dovodi do pojave radioaktivnog otpada, što ima vrlo negativan utjecaj na život svih živih bića;
Korištenje termonuklearne energije.
Zaključak
Sva ta neizvjesnost oko posljedica koje će zasigurno doći ako ne prestanemo trošiti tako dobivenu energiju, tjera znanstvenike i inženjere da gotovo svu svoju pozornost posvete rješavanju ovog problema. Njihova glavna zadaća je pronaći optimalan izvor energije, a također je važno uključiti različite prirodne procese. Među njima su najzanimljiviji: sunce, odnosno sunčeva toplina, vjetar i energija u oceanima.
U mnogim zemljama, mora i oceani se dugo smatraju izvorima energije, a njihovi izgledi postaju sve obećavajući. Ocean je prepun mnogih tajni, njegova je unutarnja energija izvor bez dna. Koliko nam načina pruža vađenje energije (kao što su oceanske struje, energija plime, toplinska energija i drugi) već nas tjera na razmišljanje o njegovoj veličini.
Unutarnja energija je energija kretanja i interakcije molekula.
Kinetička energija svih molekula koje čine tijelo i potencijalna energija njihove interakcije su unutarnja energija tijela.
Kada se tijelo zaustavi, prestaje mehaničko kretanje, ali se povećava nasumično (toplinsko) kretanje njegovih molekula. Mehanička energija se pretvara u unutarnju energiju tijela
Unutarnja energijaovisi o tjelesnoj temperaturi, stanju agregacije tvari i drugim čimbenicima.
Unutarnja energija tijela ne ovisi o mehaničkom kretanju tijela, niti o položaju tog tijela u odnosu na druga tijela.
Ako uzmemo u obzir kinetičku i potencijalnu energiju jedne molekule, onda je to vrlo mala vrijednost, jer je masa molekule mala. Budući da tijelo sadrži mnogo molekula, unutarnja energija tijela, jednaka zbroju energija svih molekula, bit će velika.
Načini promjene unutarnje energije
Kada temperatura poraste, unutarnja energija tijela raste, jer se povećava prosječna brzina kretanja molekula ovog tijela. Obrnuto, kako se temperatura smanjuje, unutarnja energija tijela se smanjuje.
Iskustvo: Ako zagrijete bocu gumenim čepom, čep će nakon nekog vremena izletjeti.
Dakle, unutarnja energija tijela mijenja se kada se mijenja brzina molekula.
Unutarnja energija se može promijeniti na dva načina:
1) obavljanje mehaničkih radova. Unutarnja energija se povećava ako se radi na tijelu, a smanjuje se ako se radi na tijelu.
2) prijenosom topline (toplinsko provođenje, konvekcija, zračenje). Ako tijelo daje toplinu, tada se unutarnja energija smanjuje, a ako prima toplinu, onda se povećava.
Vrste prijenosa topline. Eksperimenti koji ilustriraju vrste prijenosa topline. Prijenos topline u prirodi, tehnologiji, mehanici.
Prijenos topline (prijenos topline) je proces promjene unutarnje energije koji se događa bez obavljanja posla.
1)
Toplinska vodljivost - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi s jednog tijela na drugo pri dodiru ili s jednog njegovog dijela na drugi. Različite tvari imaju različitu toplinsku vodljivost. Toplinska vodljivost metala je visoka, tekućina manja, plinova niska. Kod vođenja topline nema prijenosa tvari.
2) Konvekcija- vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi mlazovima plina i tekućine. Postoje dvije vrste konvekcije: prirodna i prisilna. U krutim tvarima nema konvekcije, jer njihove čestice nemaju veliku pokretljivost. Mnoge manifestacije konvekcije mogu se naći u prirodi i ljudskom životu. Konvekcija također nalazi primjenu u inženjerstvu.
3) Zračenje Vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi elektromagnetskim valovima. Tijela s tamnom površinom bolje apsorbiraju i zrače energiju od tijela svijetle površine. Ovo se koristi u praksi.
* Prilikom izmjene topline, količina predane topline je u apsolutnoj vrijednosti jednaka količini primljene topline, ili je njihov zbroj jednak nuli. To se zove razina toplinske ravnoteže.
