Koti Meikki

Sisäisen energian muuttamisprosessi. Sisäinen energia ja tapoja muuttaa sitä

Sisäinen energia kehon ei voi olla vakio. Se voi muuttua missä tahansa kehossa. Jos nostat kehon lämpötilaa, sen sisäinen energia kasvaa, koska. lisääntyy keskinopeus molekyyliliikkeet. Siten kehon molekyylien kineettinen energia kasvaa. Toisaalta, kun lämpötila laskee, kehon sisäinen energia vähenee.

Voimme päätellä: kehon sisäinen energia muuttuu, jos molekyylien nopeus muuttuu. Yritetään määrittää, millä menetelmällä on mahdollista lisätä tai vähentää molekyylien liikkumisnopeutta. Harkitse seuraavaa kokemusta. Kiinnitämme telineeseen ohutseinäisen messinkiputken. Täytä putki eetterillä ja sulje se korkilla. Sitten sidomme sen köydellä ja alamme liikuttaa köyttä intensiivisesti eri suuntiin. Myöhemmin tietty aika, eetteri kiehuu ja höyryn voima työntää korkin ulos. Kokemus osoittaa, että aineen (eetterin) sisäinen energia on kasvanut: loppujen lopuksi se on muuttanut lämpötilaansa kiehuessaan.

Sisäisen energian kasvu johtui putkea köydellä hankaamisesta tehdystä työstä.

Kuten tiedämme, kappaleiden kuumenemista voi tapahtua myös iskujen, taipumisen tai venymisen aikana, toisin sanoen muodonmuutoksen aikana. Kaikissa annetuissa esimerkeissä kehon sisäinen energia kasvaa.

Siten kehon sisäistä energiaa voidaan lisätä tekemällä työtä keholle.

Jos keho itse tekee työn, sen sisäinen energia vähenee.

Mietitäänpä toista kokemusta.

Lasiastiassa, jossa on paksut seinämät ja joka on suljettu korkilla, pumppaamme ilmaa siihen erityisesti tehdyn reiän läpi.

Jonkin ajan kuluttua korkki lentää ulos aluksesta. Sillä hetkellä, kun korkki lentää aluksesta, voimme nähdä sumun muodostumista. Siksi sen muodostuminen tarkoittaa, että aluksen ilma on jäähtynyt. Astiassa oleva paineilma tekee korkkia ulos työnnettäessä jonkin verran työtä. Hän suorittaa tämän työn sisäisen energiansa kustannuksella, joka samalla vähenee. Aluksen ilman jäähtymisen perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä sisäisen energian vähenemisestä. Tällä tavalla, kehon sisäistä energiaa voidaan muuttaa tekemällä tietty määrä työtä.

Sisäistä energiaa voidaan kuitenkin muuttaa toisella tavalla, ilman työtä. Ajatellaanpa esimerkkiä, liedellä olevassa vedenkeittimessä oleva vesi kiehuu. Ilmaa, kuten myös muita huoneen esineitä, lämmittää keskuspatteri. Tällaisissa tapauksissa sisäinen energia kasvaa, koska. kehon lämpötila nousee. Mutta työtä ei ole tehty. Joten päätämme sisäisen energian muutos ei voi tapahtua tietyn työn suorittamisen seurauksena.

Tarkastellaanpa vielä yhtä esimerkkiä.

Kasta metallineula vesilasiin. Molekyylien kineettinen energia kuuma vesi, enemmän kuin kylmien metallihiukkasten kineettinen energia. Kuumavesimolekyylit siirtävät osan kineettisestä energiastaan kylmiin metallihiukkasiin. Siten vesimolekyylien energia vähenee tietyllä tavalla, kun taas metallihiukkasten energia kasvaa. Veden lämpötila laskee ja pinnojen lämpötila hitaasti, lisääntyy. Tulevaisuudessa neulan ja veden lämpötilaero katoaa. Tämän kokemuksen ansiosta näimme muutoksen eri kehojen sisäisessä energiassa. Päättelemme: eri kappaleiden sisäinen energia muuttuu lämmönsiirron seurauksena.

Prosessia, jossa sisäinen energia muunnetaan suorittamatta tiettyä työtä keholle tai itse keholle, kutsutaan lämmönsiirto.

Onko sinulla kysymyksiä? Etkö tiedä miten tehdä läksyjäsi?
Avun saaminen tutorilta -.
Ensimmäinen oppitunti on ilmainen!

blog.site, kopioimalla materiaali kokonaan tai osittain, linkki lähteeseen vaaditaan.

Kehon sisäinen energia ei voi olla vakio. Se voi muuttua missä tahansa kehossa. Jos nostat kehon lämpötilaa, sen sisäinen energia kasvaa, koska. molekyylien keskinopeus kasvaa. Siten kehon molekyylien kineettinen energia kasvaa. Toisaalta, kun lämpötila laskee, kehon sisäinen energia vähenee.

Voimme päätellä: kehon sisäinen energia muuttuu, jos molekyylien nopeus muuttuu. Yritetään määrittää, millä menetelmällä on mahdollista lisätä tai vähentää molekyylien liikkumisnopeutta. Harkitse seuraavaa kokemusta. Kiinnitämme telineeseen ohutseinäisen messinkiputken. Täytä putki eetterillä ja sulje se korkilla. Sitten sidomme sen köydellä ja alamme liikuttaa köyttä intensiivisesti eri suuntiin. Tietyn ajan kuluttua eetteri kiehuu ja höyryn voima työntää korkin ulos. Kokemus osoittaa, että aineen (eetterin) sisäinen energia on kasvanut: loppujen lopuksi se on muuttanut lämpötilaansa kiehuessaan.

Sisäisen energian kasvu johtui putkea köydellä hankaamisesta tehdystä työstä.

Siten kehon sisäistä energiaa voidaan lisätä tekemällä työtä keholle.

Jos keho itse tekee työn, sen sisäinen energia vähenee.

Mietitäänpä toista kokemusta.

Lasiastiassa, jossa on paksut seinämät ja joka on suljettu korkilla, pumppaamme ilmaa siihen erityisesti tehdyn reiän läpi.

Tarkastellaanpa vielä yhtä esimerkkiä.

Kasta metallineula vesilasiin. Kuuman veden molekyylien kineettinen energia on suurempi kuin kylmien metallihiukkasten kineettinen energia. Kuumavesimolekyylit siirtävät osan kineettisestä energiastaan kylmiin metallihiukkasiin. Siten vesimolekyylien energia vähenee tietyllä tavalla, kun taas metallihiukkasten energia kasvaa. Veden lämpötila laskee ja pinnojen lämpötila hitaasti, lisääntyy. Tulevaisuudessa neulan ja veden lämpötilaero katoaa. Tämän kokemuksen ansiosta näimme muutoksen eri kehojen sisäisessä energiassa. Päättelemme: eri kappaleiden sisäinen energia muuttuu lämmönsiirron seurauksena.

Prosessia, jossa sisäinen energia muunnetaan suorittamatta tiettyä työtä keholle tai itse keholle, kutsutaan lämmönsiirto.

Onko sinulla kysymyksiä? Etkö tiedä miten tehdä läksyjäsi?
Saadaksesi tutorin apua - rekisteröidy.
Ensimmäinen oppitunti on ilmainen!

Sivusto, jossa materiaali kopioidaan kokonaan tai osittain, linkki lähteeseen vaaditaan.

Käytännön ongelmien ratkaisemiseksi ei itse sisäisellä energialla ole merkittävää roolia, vaan sen muutoksella Δ U = U 2 - U yksi . Sisäenergian muutos lasketaan energian säilymisen lakien perusteella.

Kehon sisäinen energia voi muuttua kahdella tavalla:

1. Valmistettaessa mekaaninen työ .

a) Jos ulkoinen voima aiheuttaa kappaleen muodonmuutoksen, muuttuvat sen sisältämien hiukkasten väliset etäisyydet, ja siksi hiukkasten vuorovaikutuksen potentiaalienergia muuttuu. Elastisilla muodonmuutoksilla lisäksi kehon lämpötila muuttuu, ts. hiukkasten lämpöliikkeen kineettinen energia muuttuu. Mutta kun keho on epämuodostunut, työtä tehdään, mikä mittaa kehon sisäisen energian muutosta.

b) Kappaleen sisäenergia muuttuu myös sen joustamattoman törmäyksen aikana toiseen kappaleeseen. Kuten näimme aiemmin, kappaleiden joustamattoman törmäyksen aikana niiden liike-energia laskee, se muuttuu sisäiseksi energiaksi (esimerkiksi jos lyöt vasaralla alasimella makaavaa lankaa useita kertoja, lanka kuumenee). Kehon liike-energian muutoksen mitta on kineettisen energian lauseen mukaan vaikuttavien voimien työ. Tämä työ voi toimia myös sisäisen energian muutosten mittarina.

c) Kehon sisäisen energian muutos tapahtuu kitkavoiman vaikutuksesta, koska, kuten kokemuksesta tiedetään, kitkaan liittyy aina muutos hankauskappaleiden lämpötilassa. Kitkavoiman työ voi toimia sisäisen energian muutoksen mittarina.

2. Käyttämällä lämmönsiirto. Esimerkiksi jos kappale asetetaan polttimen liekkiin, sen lämpötila muuttuu ja siksi myös sen sisäinen energia muuttuu. Täällä ei kuitenkaan tehty töitä, koska itse kehossa tai sen osissa ei ollut näkyvää liikettä.

Järjestelmän sisäisen energian muutosta ilman työtä kutsutaan lämmönvaihto(lämmönsiirto).

Lämmönsiirtoa on kolmea tyyppiä: johtuminen, konvektio ja säteily.

a) lämmönjohtokyky on lämmönvaihtoprosessi kappaleiden (tai ruumiinosien) välillä niiden suorassa kosketuksessa kehon hiukkasten lämpökaaoottisen liikkeen vuoksi. Kiinteän kappaleen molekyylien värähtelyjen amplitudi on sitä suurempi, mitä korkeampi sen lämpötila on. Kaasujen lämmönjohtavuus johtuu energianvaihdosta kaasumolekyylien välillä niiden törmäysten aikana. Nesteiden tapauksessa molemmat mekanismit toimivat. Aineen lämmönjohtavuus on suurin kiinteässä tilassa ja pienin kaasumaisessa tilassa.

b) Konvektio on lämmön siirtymistä kuumennetuilla neste- tai kaasuvirroilla niiden käyttämästä tilavuuden osasta toiseen.

c) Lämmönsiirto klo säteilyä suoritetaan etäältä sähkömagneettisten aaltojen avulla.

Tarkastellaanpa yksityiskohtaisemmin, kuinka muuttaa sisäistä energiaa.

Lämmön määrä

Kuten tiedät, erilaisten mekaanisten prosessien aikana mekaaninen energia muuttuu W. Mekaanisen energian muutoksen mitta on järjestelmään kohdistettujen voimien työ:

Lämmönsiirron aikana kehon sisäisessä energiassa tapahtuu muutos. Lämmönsiirron aikana tapahtuvan sisäisen energian muutoksen mitta on lämmön määrä.

Lämmön määrä on sisäisen energian muutoksen mitta lämmönsiirron aikana.

Siten sekä työ että lämmön määrä kuvaavat energian muutosta, mutta eivät ole identtisiä sisäisen energian kanssa. Ne eivät luonnehdi itse järjestelmän tilaa (kuten sisäinen energia), vaan määrittävät energian siirtymisprosessin muodosta toiseen (kappaleesta toiseen) tilan muuttuessa ja ovat olennaisesti riippuvaisia prosessin luonteesta.

Suurin ero työn ja lämmön välillä on se

§ työ luonnehtii järjestelmän sisäisen energian muuttamisprosessia, johon liittyy energian muunnos tyypistä toiseen (mekaanisesta sisäiseen);

§ lämmön määrä luonnehtii sisäisen energian siirtoprosessia kehosta toiseen (kuumemmasta vähemmän kuumaan), johon ei liity energiamuunnoksia.

§ Lämpökapasiteetti, lämpömäärä, joka kuluu muuttamaan lämpötilaa 1 °C:lla. Tiukemman määritelmän mukaan lämpökapasiteetti- termodynaaminen määrä, joka määritellään lausekkeella:

§ jossa Δ K- Delta;T:n järjestelmään välittämän lämmön määrä, joka aiheutti muutoksen sen lämpötilassa. Äärillinen erosuhde Δ K/ΔT kutsutaan keskiarvoksi lämpökapasiteetti, äärettömän pienten arvojen suhde d Q/dT- totta lämpökapasiteetti. Koska d K ei siis ole tilafunktion täydellinen ero lämpökapasiteetti riippuu siirtymäpolusta järjestelmän kahden tilan välillä. Erottaa lämpökapasiteetti järjestelmä kokonaisuutena (J/K), erityinen lämpökapasiteetti[J/(g K)], molaarinen lämpökapasiteetti[J/(mol K)]. Kaikki alla olevat kaavat käyttävät mooliarvoja lämpökapasiteetti.

Kysymys 32:

Sisäistä energiaa voidaan muuttaa kahdella tavalla.

Lämmön määrä (Q) on kehon sisäisen energian muutos, joka tapahtuu lämmönsiirron seurauksena.

Lämmön määrä mitataan SI-järjestelmässä jouleina.
[Q] = 1J.

Aineen ominaislämpökapasiteetti osoittaa, kuinka paljon lämpöä tarvitaan tietyn aineen massayksikkölämpötilan muuttamiseksi 1 °C:lla.
Yksikkö ominaislämpö SI-järjestelmässä:
[c] = 1J/kg C-astetta.

Kysymys 33:

33 Termodynamiikan ensimmäinen laki, järjestelmän vastaanottaman lämmön määrä menee sen sisäisen energian muuttamiseen ja ulkoisten kappaleiden työhön. dQ=dU+dA, missä dQ on alkulämmön määrä, dA on alkeistyö, dU on sisäisen energian lisäys. Termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön soveltaminen isoprosesseihin
Termodynaamisissa järjestelmissä esiintyvien tasapainoprosessien joukossa on isoprosessit, jossa yksi tärkeimmistä tilaparametreista pidetään vakiona.
Isokoorinen prosessi (V= const). Tämän prosessin kaavio (isochore) koordinaateissa R, V on kuvattu suorana linjana, joka on yhdensuuntainen y-akselin kanssa (kuva 81), jossa prosessi 1-2 on isokorinen lämmitys, ja 1 -3 - isokorinen jäähdytys. Isokorisessa prosessissa kaasu ei vaikuta ulkoisiin kappaleisiin, Isoterminen prosessi (T= const). Kuten jo mainittiin § 41, isoterminen prosessi kuvataan Boyle-Mariotten laissa
, jotta lämpötila ei laske kaasun laajenemisen aikana, kaasuun on syötettävä lämpöä vastaava määrä ulkopuolinen työ laajennuksia.

Kysymys 34:

34 Adiabaattinen kutsutaan prosessiksi, jossa ei tapahdu lämmönvaihtoa ( dQ= 0) järjestelmän ja ympäristöön. Adiabaattiset prosessit sisältävät kaikki nopeat prosessit. Esimerkiksi äänen etenemisprosessia väliaineessa voidaan pitää adiabaattisena prosessina, koska ääniaallon etenemisnopeus on niin suuri, että energian vaihto aallon ja väliaineen välillä ei ehdi tapahtua. Moottoreissa käytetään adiabaattisia prosesseja sisäinen palaminen(palavan seoksen paisuminen ja puristaminen sylintereissä), jäähdytysyksiköissä jne.
Termodynamiikan ensimmäisestä säännöstä ( dQ= d U+dA) adiabaattisen prosessin osalta seuraa, että
p /С V =γ , löydämme

Integroimalla yhtälön rajoissa p 1:stä p 2:een ja vastaavasti V 1:stä V2:een ja tehostamalla saamme lausekkeen

Koska tilat 1 ja 2 valitaan mielivaltaisesti, voimme kirjoittaa

Sisäiset energia- ja kaasutyöt

Termodynamiikan perusteet

Toisto. Kokonaismekaanisen energian säilymislaki: suljetun järjestelmän mekaaninen kokonaisenergia, jossa kitka- (vastus)voimat eivät vaikuta, säilyy.

Järjestelmää kutsutaan suljettu jos kaikki sen komponentit ovat vuorovaikutuksessa vain toistensa kanssa.

Työn suorittaminen ja energian vapautuminen termodynaamisten prosessien aikana osoittaa, että termodynaamisilla järjestelmillä on marginaali sisäinen energia.

Alla sisäinen energia järjestelmät U termodynamiikassa ymmärrä liikkeen kineettisen energian summa kaikki järjestelmän mikrohiukkaset(atomit tai molekyylit) ja niiden vuorovaikutuksen potentiaalinen energia. Korostamme, että mekaaninen energia (Maan pinnan alle kohotetun kappaleen potentiaalienergia ja sen liikkeen kineettinen energia kokonaisuutena) ei sisälly sisäiseen energiaan.

Kokemus osoittaa, että on kaksi tapaa muuttaa järjestelmän sisäistä energiaa - tehdä mekaaninen työ järjestelmän yli ja lämmönvaihto muiden järjestelmien kanssa.

Ensimmäinen tapa muuttaa sisäistä energiaa on tehdä mekaanista työtä MUTTA" ulkoiset voimat järjestelmään tai itse järjestelmä ulkoisten kappaleiden yli A (A = -A"). Kun työ on tehty, järjestelmän sisäinen energia muuttuu ulkoisen lähteen energian vaikutuksesta. Joten kun täytät polkupyörän pyörää, järjestelmä lämpenee pumpun toiminnan vuoksi, kitkan avulla esi-isämme saivat tuleen jne.

Toista tapaa muuttaa järjestelmän sisäistä energiaa (työtä tekemättä) kutsutaan lämmönvaihto (lämmönsiirto). Energiamäärää, jonka keho vastaanottaa tai luovuttaa tällaisessa prosessissa, kutsutaan lämmön määrä ja merkitty ∆Q.

Lämmönsiirtoa on kolme tyyppiä: lämmönjohtavuus, konvektio, lämpösäteilyä.

klo lämmönjohtokyky lämpö siirtyy kuumennetusta kappaleesta vähemmän lämmitettyyn niiden välisen lämpökontaktin kautta. Lämmönvaihtoa voi tapahtua myös kehon osien välillä: kuumemmasta osasta vähemmän kuumennettuun ilman kehon muodostavien hiukkasten siirtymistä.

Konvektio- lämmön siirto liikkuvan nesteen tai kaasun virroilla yhdeltä tilavuuden alueelta toiselle. Kun kattilaa kuumennetaan liedellä, lämmönjohtavuus varmistaa lämmön virtauksen kattilan pohjan kautta alempiin (raja)vesikerroksiin, mutta sisäkerrosten lämpeneminen johtuu nimenomaan konvektiosta, joka johtaa lämmitetyn ja kylmän veden sekoittumiseen.

lämpösäteilyä- lämmönsiirto sähkömagneettisten aaltojen avulla. Tässä tapauksessa lämmittimen ja lämmönvastaanottimen välillä ei ole mekaanista kosketusta. Esimerkiksi kun tuot kätesi lyhyen matkan hehkulampun luo, tunnet sen lämpösäteilyn. Maa saa energiaa auringosta myös lämpösäteilyn ansiosta.

Koska sisäinen energia U järjestelmän termodynaamiset parametrit määräävät yksiselitteisesti, silloin se on tilafunktio. Vastaavasti sisäisen energian muutos ΔU kun järjestelmän tila muuttuu (muutos lämpötilassa, tilavuudessa, paineessa, siirtyminen nestetilasta kiinteään tilaan jne.), voidaan löytää kaavalla

ΔU=U 2 - U 1

missä U 1 ja U 2- sisäinen energia ensimmäisessä ja toisessa tilassa. Muutos sisäisessä energiassa ΔU ei riipu järjestelmän välitiloista tällaisen siirtymän aikana, vaan sen määräävät vain energian alku- ja loppuarvot.

Sisäinen energia Termodynamiikan 1. pääsääntö.
Kaikkien kehon hiukkasten kaoottisen liikkeen kineettisten energioiden summaa suhteessa kehon massakeskukseen (molekyylit, atomit) ja niiden vuorovaikutuksen potentiaalisten energioiden summaa kutsutaan sisäiseksi energiaksi.
Kineettinen hiukkasten energia määräytyy nopeuden mukaan, mikä tarkoittaa - lämpötila kehon. potentiaalia- hiukkasten välinen etäisyys, mikä tarkoittaa - äänenvoimakkuutta. Näin ollen: U=U (T,V) - sisäinen energia riippuu tilavuudesta ja lämpötilasta.	U=U(T,V)
Ihanteelliselle kaasulle: U=U (T) , koska jätämme huomiotta etävuorovaikutuksen. on ihanteellisen monoatomisen kaasun sisäenergia. Sisäinen energia on yksiarvoinen tilafunktio (mielivaltaiseen vakioon asti) ja se säilyy suljetussa järjestelmässä. Käänteinen ei ole totta(!) - eri tilat voivat vastata samaa energiaa. U - sisäinen energia N - atomien lukumäärä - keskimääräinen liike-energia K - Boltzmannin vakio m - massa M - moolimassa R on yleinen kaasuvakio Ρ on tiheys v on aineen määrä	Ihanteellinen kaasu:
Joulen kokeet osoittivat työn ja lämmön määrän vastaavuuden, ts. molemmat suureet ovat energian muutoksen mitta, ne voidaan mitata samoissa yksiköissä: 1 cal = 4,1868 J ≈ 4,2 J. Tätä arvoa kutsutaan. lämmön mekaaninen ekvivalentti.

Minkä tahansa kappaleen, atomien tai molekyylien hiukkaset suorittavat kaoottista lakkaamatonta liikettä (ns. lämpöliikettä). Siksi jokaisella hiukkasella on jonkin verran liike-energiaa.

Lisäksi aineen hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa sähköisten veto- ja hylkimisvoimien sekä ydinvoimien kautta. Siksi tietyn kappaleen koko hiukkasjärjestelmällä on myös potentiaalienergiaa.

Hiukkasten lämpöliikkeen kineettinen energia ja niiden vuorovaikutuksen potentiaalienergia muodostuvat yhdessä uutta lajia energiaa, jota ei pelkistetä kehon mekaaniseksi energiaksi (eli koko kehon liikkeen kineettiseksi energiaksi ja sen vuorovaikutuksen potentiaaliseksi energiaksi muiden kappaleiden kanssa). Tällaista energiaa kutsutaan sisäiseksi energiaksi.

Kappaleen sisäenergia on sen hiukkasten lämpöliikkeen kokonaiskineettinen energia plus niiden keskinäisen vuorovaikutuksen potentiaalienergia.

Termodynaamisen järjestelmän sisäinen energia on järjestelmään kuuluvien kappaleiden sisäisten energioiden summa.

Siten kehon sisäinen energia muodostuu seuraavista termeistä.

1. Kehon hiukkasten jatkuvan kaoottisen liikkeen kineettinen energia.

2. Molekyylien (atomien) potentiaalinen energia, joka johtuu molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimista.

3. Elektronien energia atomeissa.

4. ydinvoimaa.

AT Ihanteellisen kaasuaineen yksinkertaisimman mallin tapauksessa sisäiselle energialle voidaan saada eksplisiittinen kaava.

8.1 Monatomisen ideaalikaasun sisäinen energia

Ideaalikaasun hiukkasten välisen vuorovaikutuksen potentiaalienergia on yhtä suuri kuin nolla (muista, että ideaalikaasumallissa jätämme huomiotta hiukkasten vuorovaikutuksen etäisyyden päässä). Siksi monatomisen ideaalikaasun sisäinen energia pienenee sen atomien translaation8 liikkeen kokonaiskineettiseksi energiaksi. Tämä energia saadaan kertomalla kaasuatomien lukumäärä N yhden atomin keskimääräisellä kineettisellä energialla E:

U=NE=N		kT = NA

U=32mRT:

Näemme, että ihanteellisen kaasun sisäinen energia (massa ja kemiallinen koostumus jotka ovat muuttumattomia) on vain sen lämpötilan funktio. Oikean kaasun, nesteen tai kiinteän kappaleen sisäinen energia riippuu myös tilavuudesta, koska tilavuuden muuttuessa keskinäinen järjestely hiukkaset ja sen seurauksena niiden vuorovaikutuksen potentiaalinen energia.

8 Moniatomisessa kaasussa on myös otettava huomioon molekyylien pyöriminen ja atomien värähtely molekyylien sisällä.

8.2 Tilatoiminto

Sisäisen energian tärkein ominaisuus on, että se on termodynaamisen järjestelmän tilan funktio. Nimittäin sisäisen energian määrittää yksiselitteisesti joukko makroskooppisia parametreja, jotka kuvaavat järjestelmää, eikä se riipu järjestelmän "esihistoriasta" eli siitä, missä tilassa järjestelmä oli ennen ja kuinka tarkasti se päätyi tähän tilaan. .

Joten järjestelmän siirtymisen aikana tilasta toiseen sen sisäisen energian muutoksen määräävät vain järjestelmän alku- ja lopputila, eikä se riipu siirtymäpolusta lähtötilasta lopulliseen. Jos järjestelmä palaa alkuperäiseen tilaan, sen sisäisen energian muutos on nolla.

Kokemus osoittaa, että on vain kaksi tapaa muuttaa kehon sisäistä energiaa:

mekaanisten töiden suorittaminen;

lämmönsiirto.

Yksinkertaisesti sanottuna voit lämmittää vedenkeittimen vain kahdella eri tavoilla: hiero jollain tai laita tuleen :-) Tarkastellaanpa näitä menetelmiä tarkemmin.

8.3 Muutos sisäisessä energiassa: työnteko

Jos keholle tehdään työtä, kehon sisäinen energia kasvaa.

Esimerkiksi vasaralla osumisen jälkeen naula lämpenee ja muotoutuu hieman. Mutta lämpötila on kehon hiukkasten keskimääräisen kineettisen energian mitta. Naulan kuumentaminen osoittaa sen hiukkasten liike-energian lisääntymistä: itse asiassa hiukkaset kiihtyvät vasaran iskulla ja naulan kitkalla lautaa vasten.

Muodonmuutos ei ole muuta kuin hiukkasten siirtymistä toisiinsa nähden; Iskun jälkeen kynnelle tapahtuu puristusmuodonmuutos, sen hiukkaset lähestyvät toisiaan, hylkivät voimat lisääntyvät niiden välillä, mikä johtaa kynsihiukkasten potentiaalisen energian kasvuun.

Joten kynnen sisäinen energia on lisääntynyt. Tämä oli tulos sen parissa tehdystä työstä, työn teki vasara ja laudassa oleva kitkavoima.

Jos keho itse tekee työn, kehon sisäinen energia vähenee. Anna esimerkiksi männän alla olevassa lämpöeristetyssä astiassa olevan paineilman laajentua

ja nostaa tiettyä kuormaa tehden siten työtä9. Tällaisen prosessin aikana ilmaa jäähdyttävät sen molekyylit, jotka osuvat liikkuvan männän jälkeen antaen sille osan kineettisestä energiastaan. (Samalla tavalla jalkapalloilija pysäyttää nopeasti lentävän pallon jalkallaan, siirtää sen pois pallosta ja vaimentaa sen nopeutta.) Siksi ilman sisäinen energia laskee.

Ilma siis toimii sisäisen energiansa ansiosta: koska alus on lämpöeristetty, ilmaan ei virtaa energiaa mistään ulkoisista lähteistä, ja ilma voi saada energiaa työhönsä vain omista varannoistaan.

8.4 Muutos sisäisessä energiassa: lämmönsiirto

Lämmönsiirto on sisäisen energian siirto kuumemmasta kappaleesta kylmempään, joka ei liity mekaanisen työn suorittamiseen. Lämmönsiirto voidaan suorittaa joko kappaleiden suoralla kosketuksella tai väliaineen kautta (ja jopa tyhjiön kautta). Lämmönsiirtoa kutsutaan myös lämmönsiirroksi.

9 Prosessia lämpöeristetyssä astiassa kutsutaan adiabaattiseksi. Tutkimme adiabaattista prosessia ottamalla huomioon termodynamiikan ensimmäistä pääsääntöä.

Lämmönsiirtoa on kolmea tyyppiä: johtuminen, konvektio ja lämpösäteily. Nyt tarkastelemme niitä tarkemmin.

8.5 Lämmönjohtokyky

Jos laitat yhden pään rautasauvan tuleen, niin, kuten tiedämme, et voi pitää sitä kädessäsi pitkään. Joutuessaan korkean lämpötilan alueelle rautaatomit alkavat värähdellä intensiivisemmin (eli hankkivat lisää kineettistä energiaa) ja aiheuttavat voimakkaampia iskuja naapureihinsa.

Myös viereisten atomien kineettinen energia kasvaa, ja nyt nämä atomit antavat lisäkineettistä energiaa naapureilleen. Joten osastosta toiseen lämpö leviää vähitellen sauvaa pitkin tuleen asetetusta päästä käsiimme. Tämä on lämmönjohtavuus (kuva 18)10.

Riisi. 18. Lämmönjohtavuus

Lämmönjohtavuus on sisäisen energian siirtymistä kuumemmista kehon osista vähemmän kuumennettuihin lämpöliikkeen ja kehon hiukkasten vuorovaikutuksen seurauksena.

Eri aineiden lämmönjohtavuus on erilainen. Metalleilla on korkea lämmönjohtavuus: hopea, kupari ja kulta ovat parhaita lämmönjohtajia. Nesteiden lämmönjohtavuus on paljon pienempi. Kaasut johtavat lämpöä niin huonosti, että ne kuuluvat jo lämmöneristimiin: niiden välisten suurten etäisyyksien vuoksi kaasumolekyylit ovat heikosti vuorovaikutuksessa keskenään. Siksi esimerkiksi ikkunoihin tehdään kaksoiskehyksiä: ilmakerros estää lämmön karkaamisen).

Siksi huokoiset kappaleet, kuten tiili, villa tai turkis, ovat huonoja lämmönjohtimia. Niiden huokosissa on ilmaa. Ei ihme, että tiilitaloja pidetään lämpimimpänä, ja kylmällä säällä ihmiset käyttävät turkisia ja takkeja, joissa on kerros untuvaa tai pehmustettua polyesteriä.

Mutta jos ilma johtaa lämpöä niin huonosti, niin miksi huone lämpenee akusta? Tämä johtuu erilaisesta lämmönsiirtokonvektiosta.

8.6 Konvektio

Konvektio on sisäisen energian siirtymistä nesteissä tai kaasuissa virtausten kierron ja aineiden sekoittumisen seurauksena.

Akun lähellä oleva ilma lämpenee ja laajenee. Tähän ilmaan vaikuttava painovoima pysyy samana, mutta ympäröivästä ilmasta tuleva kelluva voima kasvaa niin, että lämmitetty ilma alkaa kellua kattoa kohti. Sen tilalle tulee kylmä

10 Kuva nettisivuilta Educationelectronicsusa.com.

air11, jolla sama asia toistetaan.

Tämän seurauksena muodostuu ilmankierto, joka toimii esimerkkinä konvektiosta; lämmön jakautuminen huoneessa tapahtuu ilmavirroilla.

Täysin analoginen prosessi voidaan havaita nesteessä. Kun laitat vedenkeittimen tai kattilan liedelle, vesi lämpenee ensisijaisesti konvektiosta (veden lämmönjohtavuuden osuus on tässä hyvin merkityksetön).

Konvektiovirrat ilmassa ja nesteessä on esitetty12 kuvassa 19.

Riisi. 19. Konvektio

AT kiinteät aineet konvektiota ei ole: hiukkasten vuorovaikutusvoimat ovat suuret, hiukkaset värähtelevät lähellä kiinteitä tilapisteitä (solmuja) kristallihila), eikä ainevirtoja voi muodostua sellaisissa olosuhteissa.

Konvektiovirtojen kiertämiseksi huonetta lämmitettäessä on välttämätöntä, että lämmitetyllä ilmalla on kellua. Jos patteri asennetaan katon alle, lämmintä ilmaa ei kierrä, joten se jää katon alle. Siksi lämmityslaitteet sijoitetaan huoneen alaosaan. Samasta syystä vedenkeitin laitetaan tuleen, minkä seurauksena lämmitetyt vesikerrokset, jotka nousevat, väistyvät kylmemmille.

Päinvastoin, ilmastointilaite tulisi sijoittaa mahdollisimman korkealle: silloin jäähdytetty ilma alkaa laskeutua ja lämpimämpi ilma tulee tilalle. Kierto menee päinvastaiseen suuntaan verrattuna virtausten liikkeeseen huonetta lämmitettäessä.

8.7 lämpösäteilyä

Miten maa saa energiaa auringosta? Lämmön johtuminen ja konvektio ovat poissuljettuja: meitä erottaa 150 miljoonaa kilometriä ilmatonta tilaa.

Kolmas lämmönsiirtotyyppi on lämpösäteily. Säteily voi levitä sekä aineessa että tyhjiössä. Miten se syntyy?

Osoittautuu, että sähköinen magneettikenttä liittyvät läheisesti toisiinsa ja niillä on yksi merkittävä ominaisuus. Jos sähkökenttä muuttuu ajan myötä, niin se synnyttää magneettikentän, joka yleisesti ottaen myös muuttuu ajan myötä13. Vuorotteleva magneettikenttä puolestaan synnyttää vaihtuvan sähkökentän, joka taas tuottaa vaihtuvan magneettikentän, joka taas tuottaa vaihtuvan sähkökentän. . .

11 Sama prosessi, mutta paljon suuremmassa mittakaavassa, tapahtuu jatkuvasti luonnossa: näin syntyy tuuli.

12 kuvaa osoitteesta physics.arizona.edu.

13 Tätä käsitellään tarkemmin sähködynamiikassa, aiheessa sähkömagneettinen induktio.

Tämän prosessin kehityksen seurauksena sähkömagneettinen aalto, joka on "kiinnitetty" sähkö- ja magneettikenttiä, etenee avaruudessa. Kuten ääni elektromagneettiset aallot on tässä tapauksessa etenemisnopeus ja -taajuus, tämä on taajuus, jolla kenttien suuruus ja suunta vaihtelevat aallossa. Näkyvä valo on sähkömagneettisten aaltojen erikoistapaus.

Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tyhjiössä on valtava: 300 000 km/s. Joten maasta kuuhun valo kulkee hieman yli sekunnin.

Sähkömagneettisten aaltojen taajuusalue on hyvin laaja. Puhumme lisää sähkömagneettisten aaltojen mittakaavasta vastaavassa arkissa. Tässä huomautamme vain, että näkyvä valo on tämän mittakaavan pieni alue. Sen alapuolella ovat infrapunasäteilyn taajuudet, ultraviolettisäteilyn taajuudet.

Muista nyt, että atomit, jotka ovat yleensä sähköisesti neutraaleja, sisältävät positiivisesti varautuneita protoneja ja negatiivisesti varautuneita elektroneja. Nämä varautuneet hiukkaset, jotka tekevät kaoottista liikettä yhdessä atomien kanssa, luovat vuorottelevia sähkökenttiä ja siten säteilevät sähkömagneettisia aaltoja. Näitä aaltoja kutsutaan lämpösäteilyksi muistuttamaan, että niiden lähde on ainehiukkasten lämpöliike.

Mikä tahansa keho on lämpösäteilyn lähde. Tässä tapauksessa säteily kuljettaa pois osan sisäisestä energiastaan. Tavattuaan toisen kappaleen atomit säteily kiihdyttää niitä värähtelevällä sähkökentällä, ja tämän kappaleen sisäinen energia kasvaa. Näin paistattelemme auringossa.

Tavallisissa lämpötiloissa lämpösäteilyn taajuudet ovat sisällä infrapuna-alue, jotta silmä ei havaitse sitä (emme näe kuinka loistamme). Kun kehoa kuumennetaan, sen atomit alkavat lähettää korkeataajuisia aaltoja. Rautanaula voidaan lämmittää kuumaksi sellaiseen lämpötilaan, että sen lämpösäteily menee näkyvän alueen alempaan (punaiseen) osaan. Ja aurinko näyttää meistä keltavalkoiselta: Auringon pinnan lämpötila on niin korkea (6000 C), että kaikki taajuudet ovat läsnä sen säteilyn spektrissä. näkyvä valo, ja jopa ultravioletti, jonka ansiosta otamme aurinkoa.

Katsotaanpa vielä kolmea lämmönsiirtotyyppiä (Kuva 20)14.

Riisi. 20. Kolme lämmönsiirtotyyppiä: johtuminen, konvektio, säteily

14 kuvaa osoitteesta beodom.com.