Жақындау дәрежесі әртүрлі модельдерді пайдалана отырып, белгілі бір физикалық құбылысты немесе құбылыстар класын қарастыру ыңғайлы. Мысалы, газдың әрекетін сипаттау кезінде физикалық модель – идеал газ пайдаланылады.
Кез келген үлгінің қолданылу шегі бар, одан тыс оны нақтылау немесе одан да күрделі опцияларды қолдану қажет. Мұнда біз белгілі бір шектерде газдардың ең маңызды қасиеттеріне негізделген физикалық жүйенің ішкі энергиясын сипаттаудың қарапайым жағдайын қарастырамыз.
Идеал газ
Бұл физикалық модель кейбір іргелі процестерді сипаттауға ыңғайлы болу үшін нақты газды келесідей жеңілдетеді:
- Газ молекулаларының өлшемін елемейді. Бұл барабар сипаттама үшін бұл параметр маңызды емес құбылыстардың бар екенін білдіреді.
- Молекулааралық әрекеттесулерді елемейді, яғни оны қызықтыратын процестерде олардың шамалы уақыт аралықтарында пайда болатынын және жүйенің күйіне әсер етпейтінін қабылдайды. Бұл жағдайда өзара әрекеттесу абсолютті серпімді әсер ету сипатында болады, онда энергия шығыны болмайды.деформация.
- Молекулалардың резервуар қабырғаларымен әрекеттесуін елемейді.
- «Газ-қабат» жүйесі термодинамикалық тепе-теңдікпен сипатталады делік.
Бұл модель қысым мен температура салыстырмалы түрде төмен болса, нақты газдарды сипаттау үшін жарамды.
Физикалық жүйенің энергетикалық күйі
Кез келген макроскопиялық физикалық жүйе (дене, ыдыстағы газ немесе сұйықтық) өзінің кинетикалық және потенциалынан басқа энергияның тағы бір түрі - ішкі. Бұл шама физикалық жүйені құрайтын барлық ішкі жүйелердің – молекулалардың энергияларын жинақтау арқылы алынады.
Газдағы әрбір молекуланың да өз потенциалы мен кинетикалық энергиясы болады. Соңғысы молекулалардың үздіксіз ретсіз жылулық қозғалысына байланысты. Олардың арасындағы әртүрлі әсерлесулер (электрлік тартылыс, тебілу) потенциалдық энергиямен анықталады.
Физикалық жүйенің кез келген бөліктерінің энергетикалық күйі жүйенің макроскопиялық күйіне ешқандай әсер етпейтінін есте сақтау керек, онда ол есепке алынбайды. Мысалы, қалыпты жағдайда ядролық энергия физикалық объект күйінің өзгеруінде көрінбейді, сондықтан оны есепке алудың қажеті жоқ. Бірақ жоғары температура мен қысымда бұл қажет.
Осылайша, дененің ішкі энергиясы оның бөлшектерінің қозғалысы мен өзара әрекеттесу сипатын көрсетеді. Бұл терминнің жиі қолданылатын «жылу энергиясы» терминімен синоним екенін білдіреді.
Монатомдық идеал газ
Бір атомды газдар, яғни атомдары молекулаларға қосылмағандар табиғатта бар - бұл инертті газдар. Оттегі, азот немесе сутегі сияқты газдар мұндай күйде тек осы күйді үнемі жаңарту үшін сырттан энергия жұмсалған жағдайда ғана болуы мүмкін, өйткені олардың атомдары химиялық белсенді және молекулаға қосылуға бейім.
Кейбір көлемді ыдысқа орналастырылған моноатомдық идеал газдың энергетикалық күйін қарастырайық. Бұл ең қарапайым жағдай. Атомдардың өзара және ыдыс қабырғаларымен электромагниттік әсерлесуі, демек, олардың потенциалдық энергиясы шамалы болатыны есімізде. Демек, газдың ішкі энергиясы оның атомдарының кинетикалық энергияларының қосындысын ғана қамтиды.
Оны газдағы атомдардың орташа кинетикалық энергиясын олардың санына көбейту арқылы есептеуге болады. Орташа энергия E=3/2 x R / NA x T, мұндағы R – әмбебап газ тұрақтысы, NA – Авогадро саны, T - абсолютті газ температурасы. Атомдар саны заттың мөлшерін Авогадро тұрақтысына көбейту арқылы есептеледі. Бір атомды газдың ішкі энергиясы тең болады U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x м / M x RT. Мұндағы m – массасы, ал M – газдың молярлық массасы.
Газдың химиялық құрамы мен оның массасы әрқашан өзгеріссіз қалады делік. Бұл жағдайда, біз алған формуладан көрініп тұрғандай, ішкі энергия тек газдың температурасына байланысты болады. Нақты газ үшін, оған қоса, ескеру қажет боладытемпература, көлемнің өзгеруі, өйткені ол атомдардың потенциалдық энергиясына әсер етеді.
Молекулалық газдар
Жоғарыда келтірілген формулада 3 саны бір атомды бөлшектің қозғалыс еркіндік дәрежелерінің санын сипаттайды – ол кеңістіктегі координаталар санымен анықталады: x, y, z. Бір атомды газдың күйі үшін оның атомдарының айналуы маңызды емес.
Молекулалар сфералық симметриялы емес, сондықтан молекулалық газдардың энергетикалық күйін анықтау кезінде олардың айналуының кинетикалық энергиясын ескеру қажет. Екі атомды молекулалар трансляциялық қозғалыспен байланысты аталған еркіндік дәрежелерінен басқа, екі өзара перпендикуляр осьтің айналасында айналумен байланысты тағы екеуі бар; көп атомды молекулалардың үш тәуелсіз айналу осі бар. Демек, екі атомды газдардың бөлшектері еркіндік дәрежесінің санымен f=5 сипатталады, ал көп атомды молекулалар үшін f=6.
Жылулық қозғалысқа тән кездейсоқтыққа байланысты айналмалы және ілгерілемелі қозғалыстың барлық бағыттары бірдей ықтимал. Қозғалыстың әрбір түрімен берілген орташа кинетикалық энергия бірдей. Сондықтан кез келген молекулалық құрамдағы идеал газдың ішкі энергиясын есептеуге мүмкіндік беретін формулаға f мәнін ауыстыруға болады: U=f / 2 x m / M x RT.
Әрине, формуладан бұл шаманың заттың мөлшеріне, яғни қанша және қандай газ алғанымызға, сондай-ақ осы газдың молекулаларының құрылымына байланысты екенін көреміз. Алайда, біз массасы мен химиялық құрамын өзгертпеуге келіскендіктен, ескеріңізбізге тек температура керек.
Енді U мәні газдың басқа сипаттамаларына - көлемге, сондай-ақ қысымға байланысты екенін қарастырайық.
Ішкі энергия және термодинамикалық күй
Температура, өзіңіз білетіндей, жүйенің термодинамикалық күйінің параметрлерінің бірі (бұл жағдайда газ). Идеал газда ол қысым мен көлемге PV=m / M x RT қатынасы бойынша (Клапейрон-Менделеев теңдеуі деп аталады) байланысты. Температура жылу энергиясын анықтайды. Сонымен, соңғысын басқа күй параметрлерінің жиыны арқылы көрсетуге болады. Ол бұрынғы күйге де, оның өзгергеніне де немқұрайлы қарайды.
Жүйе бір термодинамикалық күйден екінші термодинамикалық күйге өткенде ішкі энергия қалай өзгеретінін көрейік. Оның кез келген осындай ауысудағы өзгеруі бастапқы және соңғы мәндер арасындағы айырмашылықпен анықталады. Егер жүйе кейбір аралық күйден кейін бастапқы күйіне оралса, онда бұл айырмашылық нөлге тең болады.
Бактағы газды қыздырдық делік (яғни оған қосымша энергия әкелдік). Газдың термодинамикалық күйі өзгерді: оның температурасы мен қысымы жоғарылады. Бұл процесс дыбыс деңгейін өзгертпей жүреді. Газымыздың ішкі энергиясы артты. Осыдан кейін біздің газ бастапқы күйіне дейін суытып, берілген энергиядан бас тартты. Мысалы, бұл процестердің жылдамдығы сияқты фактор маңызды емес. Кез келген қыздыру мен салқындату жылдамдығында газдың ішкі энергиясының нәтижесіндегі өзгеріс нөлге тең болады.
Маңызды мәселе - жылу энергиясының бірдей мәні бір емес, бірнеше термодинамикалық күйге сәйкес келуі мүмкін.
Жылу энергиясының өзгеру сипаты
Энергияны өзгерту үшін жұмыс істеу керек. Жұмысты газдың өзі немесе сыртқы күшпен орындауға болады.
Бірінші жағдайда жұмысты орындау үшін энергия шығыны газдың ішкі энергиясына байланысты. Мысалы, бізде поршені бар цистернада сығылған газ болды. Егер поршень босатылса, кеңейтілген газ жұмыс істеп, оны көтере бастайды (пайдалы болуы үшін поршень қандай да бір жүкті көтерсін). Газдың ішкі энергиясы ауырлық және үйкеліс күштеріне қарсы жұмысқа жұмсалған шамаға азаяды: U2=U1 – A. Бұл ретте жағдайда, газдың жұмысы оң болады, себебі поршеньге түсетін күштің бағыты поршеньдің қозғалыс бағытымен бірдей.
Поршеньді түсіріп, газ қысымының күшіне қарсы және қайтадан үйкеліс күштеріне қарсы жұмыс жасайық. Осылайша, біз газға белгілі бір энергия мөлшері туралы хабарлаймыз. Мұнда сыртқы күштердің жұмысы қазірдің өзінде оң деп саналады.
Механикалық жұмыстан басқа газдан энергия алудың немесе оған энергия берудің жылу беру (жылу беру) сияқты тәсілі де бар. Біз оны газды жылыту мысалында кездестірдік. Жылу алмасу процестері кезінде газға берілетін энергия жылу мөлшері деп аталады. Жылу берудің үш түрі бар: өткізгіштік, конвекциялық және радиациялық. Оларды толығырақ қарастырайық.
Жылуөткізгіштік
Заттың жылу алмасу қабілеті,жылу қозғалысы кезінде өзара соқтығысқан кезде бір-біріне кинетикалық энергияны беру арқылы оның бөлшектерімен жүзеге асырылады - бұл жылу өткізгіштік. Заттың белгілі бір аймағын қыздырса, яғни оған белгілі мөлшерде жылу берілсе, атомдар немесе молекулалардың соқтығысуы арқылы біраз уақыттан кейін ішкі энергия барлық бөлшектер арасында орта есеппен біркелкі таралады.
Жылуөткізгіштік соқтығыстардың жиілігіне, ал бұл, өз кезегінде, бөлшектер арасындағы орташа қашықтыққа қатты тәуелді екені анық. Сондықтан газ, әсіресе идеалды газ, өте төмен жылу өткізгіштігімен сипатталады және бұл қасиет жиі жылу оқшаулау үшін пайдаланылады.
Нақты газдардың жылу өткізгіштігі молекулалары ең жеңіл және сонымен бірге көп атомды болып табылатындар үшін жоғарырақ. Молекулярлық сутегі бұл шартты ең үлкен дәрежеде, ал ең ауыр моноатомдық газ ретінде радон ең аз дәрежеде жауап береді. Газ неғұрлым сирек болса, оның жылу өткізгіштігі соғұрлым нашар болады.
Жалпы, идеал газ үшін энергияны жылу өткізгіштік арқылы беру өте тиімсіз процесс.
Конвекция
Ішкі энергия гравитациялық өрісте айналатын зат ағыны арқылы таралатын конвекция сияқты жылу берудің бұл түрі газ үшін әлдеқайда тиімдірек. Ыстық газдың жоғары қарай ағыны термиялық кеңеюге байланысты тығыздығы аз болғандықтан, архимед күшінің әсерінен пайда болады. Жоғары қарай қозғалатын ыстық газ үнемі суық газбен ауыстырылады - газ ағындарының айналымы орнатылады. Сондықтан тиімді, яғни конвекция арқылы ең жылдам қыздыруды қамтамасыз ету үшін газ ыдысын суы бар шәйнек сияқты төменнен жылыту қажет.
Егер газдан жылуды біраз алу қажет болса, онда тоңазытқышты жоғарғы жағына қойған тиімдірек, өйткені тоңазытқышқа қуат беретін газ ауырлық күшінің әсерінен төмен қарай ұшады..
Газдағы конвекцияның мысалы ретінде жылу жүйелері арқылы үй ішіндегі ауаны жылыту (олар бөлмеде мүмкіндігінше төмен орналастырылған) немесе кондиционерді пайдаланып салқындату, ал табиғи жағдайларда жылу конвекция құбылысы ауа массаларының қозғалысы және ауа райы мен климатқа әсер етеді.
Ауырлық күші болмаған кезде (ғарыш кемесіндегі салмақсыздықпен) конвекция, яғни ауа ағындарының айналымы орнатылмайды. Сондықтан ғарыш кемесі бортында газ жанарғыларын немесе сіріңкелерді жағудың мағынасы жоқ: ыстық жану өнімдері жоғары қарай шығарылмайды, ал оттегі от көзіне түседі де, жалын сөнеді.
Сәулелі тасымалдау
Атомдар мен молекулалар электромагниттік кванттар – фотондарды жұту арқылы энергия алған кезде зат жылулық сәулеленудің әсерінен де қыза алады. Төмен фотон жиіліктерінде бұл процесс өте тиімді емес. Еске салайық, микротолқынды пешті ашқанда ішінен ыстық тамақты табамыз, бірақ ыстық ауа емес. Радиация жиілігінің ұлғаюымен радиациялық қыздырудың әсері күшейеді, мысалы, Жер атмосферасының жоғарғы қабатында өте сирек кездесетін газ қарқынды түрде қызады жәнекүн ультракүлгін иондалған.
Әртүрлі газдар жылулық сәулеленуді әртүрлі дәрежеде сіңіреді. Сонымен, су, метан, көмірқышқыл газы оны өте күшті сіңіреді. Парниктік эффект құбылысы осы қасиетке негізделген.
Термодинамиканың бірінші заңы
Жалпы айтқанда, газды қыздыру (жылу беру) арқылы ішкі энергияның өзгеруі де газ молекулаларында немесе оларға сыртқы күш арқылы жұмыс істеуге байланысты (ол дәл осылай белгіленеді, бірақ керісінше. белгісі). Бір күйден екінші күйге өтудің бұл жолында қандай жұмыстар атқарылады? Энергияның сақталу заңы бізге бұл сұраққа жауап беруге көмектеседі, дәлірек айтқанда, оның термодинамикалық жүйелердің әрекетіне қатысты нақтылануы – термодинамиканың бірінші заңы.
Энергияның сақталу заңы немесе жалпыға ортақ принципі энергияның жоқтан тумайтынын және із-түзсіз жойылмайтынын, тек бір түрден екіншісіне өтетінін айтады. Термодинамикалық жүйеге қатысты мұны жүйенің атқаратын жұмысы жүйеге берілген жылу мөлшері (идеалды газ) мен оның ішкі энергиясының өзгеруі арасындағы айырмашылықпен өрнектелетіндей етіп түсіну керек. Басқаша айтқанда, газға берілетін жылу мөлшері осы өзгеріске және жүйенің жұмысына жұмсалады.
Бұл формулалар түрінде әлдеқайда оңай жазылады: dA=dQ – dU, сәйкесінше, dQ=dU + dA.
Бұл шамалардың күйлер арасындағы ауысу тәсіліне байланысты емес екенін біз қазірдің өзінде білеміз. Бұл ауысудың жылдамдығы және нәтижесінде тиімділік әдіске байланысты.
Екіншісіне келетін болсақтермодинамиканың басы, содан кейін ол өзгеру бағытын белгілейді: жылуды сырттан қосымша энергия енгізусіз суық (демек, энергиясы аз) газдан ыстыққа ауыстыру мүмкін емес. Екінші заң сондай-ақ жүйенің жұмысты орындауға жұмсаған энергиясының бір бөлігі міндетті түрде шашырап, жоғалатынын (жойылып кетпейді, бірақ жарамсыз түрге айналатынын) көрсетеді.
Термодинамикалық процестер
Идеал газдың энергетикалық күйлері арасындағы ауысулар оның бір немесе басқа параметрлерінде әртүрлі өзгеру үлгілеріне ие болуы мүмкін. Әртүрлі түрдегі ауысу процестеріндегі ішкі энергия да әртүрлі болады. Осындай процестердің бірнеше түрін қысқаша қарастырайық.
- Изохоралық процесс көлем өзгермей жүреді, сондықтан газ жұмыс істемейді. Газдың ішкі энергиясы соңғы және бастапқы температуралар арасындағы айырмашылыққа байланысты өзгереді.
- Изобарикалық процесс тұрақты қысымда жүреді. Газ жұмыс істейді және оның жылу энергиясы алдыңғы жағдайдағыдай есептеледі.
- Изотермиялық процесс тұрақты температурамен сипатталады, демек, жылу энергиясы өзгермейді. Газ алған жылу мөлшері толығымен жұмысқа жұмсалады.
- Адиабаттық немесе адиабаталық процесс жылу өткізбейтін газда, жылу оқшауланған резервуарда жүреді. Жұмыс тек жылу энергиясы есебінен орындалады: dA=- dU. Адиабаталық қысу кезінде жылу энергиясы сәйкесінше кеңеюмен артадыазаюда.
Термоқозғалтқыштардың жұмысының негізінде әртүрлі изопроцестер жатыр. Сонымен изохоралық процесс бензин қозғалтқышында цилиндрдегі поршеньдің шеткі позицияларында жүреді, ал қозғалтқыштың екінші және үшінші жүрістері адиабаталық процеске мысал бола алады. Сұйытылған газдарды алу кезінде адиабаталық кеңею маңызды рөл атқарады - оның арқасында газ конденсациясы мүмкін болады. Газдардағы изопроцестер, оларды зерттеуде идеал газдың ішкі энергиясы түсінігінсіз жүзеге асуы мүмкін емес, көптеген табиғи құбылыстарға тән және техниканың әртүрлі салаларында қолданылады.
