الطاقة مقياس عام لمختلف أشكال حركة المادة. وفقًا لأشكال حركة المادة ، يتم أيضًا تمييز أنواع الطاقة - الميكانيكية والكهربائية والكيميائية ، إلخ. يحتوي أي نظام ديناميكي حراري في أي حالة على قدر معين من الطاقة ، وقد تم إثبات وجودها بواسطة R. Clausius (1850) وحصل على اسم الطاقة الداخلية.
الطاقة الداخلية (U) هي طاقة جميع أنواع حركة الجسيمات الدقيقة التي يتكون منها النظام ، وطاقة تفاعلها مع بعضها البعض.
تتكون الطاقة الداخلية من طاقة الحركة الانتقالية والدورانية والاهتزازية للجسيمات ، وطاقة التفاعلات بين الجزيئات وداخل الجزيئات ، وداخل الذرة والنووية ، إلخ.
طاقة التفاعل الجزيئي ، أي طاقة تفاعل الذرات في الجزيء ، وغالبًا ما تسمى الطاقة الكيميائية ... يحدث تغيير في هذه الطاقة أثناء التحولات الكيميائية.
بالنسبة للتحليل الديناميكي الحراري ، ليست هناك حاجة لمعرفة أشكال حركة المادة التي تتكون منها الطاقة الداخلية.
يعتمد إمداد الطاقة الداخلية فقط على حالة النظام. وبالتالي ، يمكن اعتبار الطاقة الداخلية كأحد خصائص هذه الحالة إلى جانب كميات مثل الضغط ودرجة الحرارة.
تتوافق كل حالة من حالات النظام مع قيمة محددة بدقة لكل خاصية من خصائصه.
إذا كان للنظام المتجانس في الحالة الأولية حجم V 1 ، وضغط P 1 ، ودرجة حرارة T 1 ، والطاقة الداخلية U 1 ، وموصلية كهربائية 1 ، وما إلى ذلك ، وفي الحالة النهائية ، فإن هذه الخصائص تساوي على التوالي V 2 ، P 2 ، T 2 ، U 2 ، æ 2 ، وما إلى ذلك ، فإن التغيير في كل خاصية أثناء انتقال النظام من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية سيكون هو نفسه ، بغض النظر عن الطريقة التي ينتقل بها النظام من حالة إلى أخرى : الأول أو الثاني أو الثالث (الشكل 1.4).
أرز. 1.4 استقلالية خصائص النظام عن مسار انتقاله
من دولة عادية إلى أخرى
أولئك. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)
أين توجد الأرقام I ، II ، III ، إلخ. تشير إلى مسارات العملية. لذلك ، إذا انتقل النظام من الحالة الأولية (1) إلى الحالة النهائية (2) على طول مسار واحد ، ومن الحالة النهائية في البداية - على طول مسار آخر ، أي ستحدث عملية دائرية (دورة) ، ثم يكون التغيير في كل خاصية من خصائص النظام مساويًا للصفر.
وبالتالي ، فإن التغيير في وظيفة حالة النظام لا يعتمد على مسار العملية ، ولكنه يعتمد فقط على الحالات الأولية والنهائية للنظام. عادة ما يتم الإشارة إلى التغيير المتناهي الصغر في خصائص النظام بعلامة التفاضل د. على سبيل المثال ، dU هو تغيير صغير لانهائي في الطاقة الداخلية ، إلخ.
وفقًا لأشكال مختلفة من حركة المادة وأنواع مختلفة من الطاقة ، هناك أشكال مختلفة من تبادل الطاقة (نقل الطاقة) - أشكال التفاعل. في الديناميكا الحرارية ، شكلان من أشكال تبادل الطاقة بين النظام و بيئة... إنه عمل ودفء.
مهنة.الشكل الأكثر وضوحًا لتبادل الطاقة هو العمل الميكانيكي ، والذي يتوافق مع الشكل الميكانيكي لحركة المادة. يتم إنتاجه عندما يتحرك الجسم تحت تأثير قوة ميكانيكية. وفقًا للأشكال الأخرى لحركة المادة ، يتم أيضًا تمييز أنواع أخرى من العمل: كهربائية ، كيميائية ، إلخ. العمل هو شكل من أشكال نقل حركة منظمة ومنظمة ، لأنه عندما يتم العمل ، تتحرك جزيئات الجسم بطريقة منظمة في اتجاه واحد. على سبيل المثال ، القيام بعمل أثناء توسيع الغاز. تكون جزيئات الغاز في الأسطوانة الموجودة أسفل المكبس في حركة فوضوية ومضطربة. عندما يبدأ الغاز في تحريك المكبس ، أي لأداء عمل ميكانيكي ، سيتم فرض حركة منظمة على الحركة العشوائية لجزيئات الغاز: تتلقى جميع الجزيئات بعض الإزاحة في اتجاه حركة المكبس. يرتبط العمل الكهربائي أيضًا بالحركة المنظمة في اتجاه معين لجزيئات المادة المشحونة.
نظرًا لأن الشغل هو مقياس للطاقة المرسلة ، يتم قياس مقدارها بنفس وحدات الطاقة.
حرارة... يسمى شكل تبادل الطاقة المقابل للحركة الفوضوية للجسيمات الدقيقة التي يتكون منها النظام التبادل الحراري، وكمية الطاقة المنقولة أثناء التبادل الحراري تسمى الدفء.
لا يرتبط انتقال الحرارة بالتغيير في وضع الأجسام التي يتكون منها النظام الديناميكي الحراري ، ويتكون من النقل المباشر للطاقة من جزيئات جسم ما إلى جزيئات جسم آخر أثناء ملامستها.
ص 
تخيل وعاءًا منعزلًا (نظامًا) مقسمًا إلى جزأين بواسطة قسم موصل للحرارة AB (الشكل 1.5). لنفترض وجود غاز في كلا الجزأين من الوعاء.
أرز. 1.5 لمفهوم الدفء
في النصف الأيسر من الوعاء ، تكون درجة حرارة الغاز T 1 ، وفي النصف الأيمن T 2. إذا كانت T 1> T 2 ، فإن متوسط الطاقة الحركية ( 
) من جزيئات الغاز على الجانب الأيسر من الوعاء ، ستكون أكبر من متوسط الطاقة الحركية ( 
) في النصف الأيمن من الإناء.
نتيجة للتصادم المستمر للجزيئات مع الحاجز في النصف الأيسر من الوعاء ، يتم نقل جزء من طاقتها إلى جزيئات الحاجز. ستحصل جزيئات الغاز في النصف الأيمن من الوعاء ، عند اصطدامها بالحاجز ، على جزء من الطاقة من جزيئاتها.
نتيجة لهذه الاصطدامات ، ستنخفض الطاقة الحركية للجزيئات في النصف الأيسر من الوعاء ، وفي النصف الأيمن ستزداد ؛ سوف تتساوى درجات الحرارة T 1 و T 2.
نظرًا لأن الحرارة هي ميتا للطاقة ، يتم قياس مقدارها بنفس وحدات الطاقة. وبالتالي ، فإن التبادل الحراري والعمل هما شكلان من أشكال تبادل الطاقة ، وكمية الحرارة وكمية العمل هي مقاييس للطاقة المنقولة. الفرق بينهما هو أن الحرارة هي شكل من أشكال نقل الحركة غير المنتظمة للجسيمات (وبالتالي ، طاقة هذه الحركة) ، والعمل هو شكل من أشكال نقل الطاقة لحركة منظمة ومنظمة للمادة.
يقولون أحيانًا: يتم توفير الحرارة (أو العمل) أو إزالتها من النظام ، بينما يجب أن يكون مفهوماً أنه ليس الحرارة والعمل الذي يتم توفيره وإزالته ، ولكن الطاقة ، لذلك ، لا ينبغي للمرء استخدام تعبيرات مثل "مصدر الحرارة "أو" احتواء الحرارة ".
كأشكال من تبادل الطاقة (أشكال التفاعل) للنظام مع البيئة ، لا يمكن ربط الحرارة والعمل بأي حالة معينة من النظام ، ولا يمكن أن تكون خصائصه ، وبالتالي وظائف حالته. هذا يعني أنه إذا انتقل النظام من الحالة الأولية (1) إلى الحالة النهائية (2) بطرق مختلفة ، فسيكون للحرارة والعمل قيم مختلفة لـ طرق مختلفةالانتقال (الشكل 1.6)
يتم الإشارة إلى المقدار المحدود من الحرارة والعمل بواسطة Q و A ، ويتم الإشارة إلى القيم المتناهية الصغر بواسطة δQ و A ، على التوالي. الكميات δQ و A ، على عكس dU ، ليستا فرقًا كليًا ، منذ ذلك الحين Q و A ليسا من وظائف الدولة.
عندما يتم تحديد مسار العملية مسبقًا ، سيكتسب العمل والحرارة خصائص وظائف حالة النظام ، أي سيتم تحديد قيمها العددية فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام.
السمة الرئيسية للحالة الداخلية النظام الماديهو لها الطاقة الداخلية .
الطاقة الداخلية (يو) يشمل طاقة الحركة الفوضوية (الحرارية) لجميع الجسيمات الدقيقة للنظام (الجزيئات ، والذرات ، والأيونات ، وما إلى ذلك) والطاقة التفاعلية لهذه الجسيمات ، أي الحركية ، والجهد ، وما إلى ذلك ، باستثناء طاقة الراحة الكلية لجميع الجسيمات.
1. في حالة التوازن الديناميكي الحراري ، تتحرك الجسيمات التي تتكون منها الأجسام العيانية بطريقة تجعلها إجمالي الطاقةكل الوقت بالضبط يساوي الطاقة الداخلية للجسم.
2. الطاقة الداخلية هي وظيفة لحالة النظام الفيزيائي.
3. لا تعتمد الطاقة الداخلية لنظام مادي على مسار انتقاله من حالة إلى أخرى ، ولكن يتم تحديدها فقط من خلال قيم الطاقة الداخلية في الحالتين الأولية والنهائية: د ش = ش 2 -يو 1.
4. تتميز الطاقة الداخلية بخاصية الجمع ، أي إنه يساوي إجمالي الطاقة الداخلية للأجسام المدرجة في النظام.
ملحوظة: جزيئات الغاز ، بالإضافة إلى درجات الحرية الانتقالية ، لها أيضًا جزيئات داخلية. على سبيل المثال ، إذا كانت جزيئات الغاز جزيئات ، فبالإضافة إلى الحركة الإلكترونية ، يكون دوران الجزيئات ممكنًا ، وكذلك اهتزازات الذرات التي تتكون منها الجزيئات.
تخضع الحركة الانتقالية لجزيئات الغاز للقوانين الكلاسيكية ، وتكون حركاتها الداخلية ذات طبيعة كمومية. فقط في ظل ظروف معينة يمكن اعتبار درجات الحرية الداخلية كلاسيكية.
لحساب الطاقة الداخلية للغاز المثالي ، يتم استخدام قانون تقسيم الطاقة وفقًا للدرجات الكلاسيكية للحرية. في حالة الغاز المثالي ، تؤخذ في الاعتبار فقط الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجسيمات. إذا كانت جسيمات الغاز عبارة عن ذرات فردية ، فلكل منها ثلاث درجات انتقالية من الحرية.
لذلك ، كل ذرة لها متوسط الطاقة الحركية:
< ه ك > =3 كيلو تي/2.
إذا كان الغاز يتكون من ذرات N ، فإن طاقته الداخلية
ومع ذلك ، إذا كانت درجات الحرية الاهتزازية للجزيئات متحمسة أيضًا ، فإن مساهمتها في الطاقة الداخلية
 .
|
(1.27) |
في الصيغة (1.27) ، يؤخذ في الاعتبار أن كل حركة اهتزازية للجزيئات تتميز بمتوسط حركي ومتوسط الطاقات المحتملةالتي تتساوى مع بعضها البعض. لذلك ، وفقًا لقانون تقسيم الطاقة على درجات الحرية ، فإن درجة الحرية الاهتزازية الواحدة لها متوسط طاقة kT.
وهكذا ، إذا كان الجزيء ثنائي الذرة ، فإن العدد الإجمالي لدرجات حريته يكونأنا= 6. ثلاثة منهم متعدية (أنا سريع = 3) ، اثنان دوراني (أنا vr = 2) وذبذبة واحدة (أنا عدد = 1). في درجات حرارة عندما تكون درجات الحرية الاهتزازية "مجمدة" ، الطاقة الداخلية للجزيئات ثنائية الذرة لغاز مثالي
.
إذا كانت درجات الحرية الاهتزازية "غير مجمدة" ، فإن الطاقة الداخلية للجزيئات ثنائية الذرة للغاز المثالي هي U = U post + U bp + U count =.
وهكذا ، فإن الطاقة الداخلية للغاز المثالي أحادي الذرة
| يو = ن < ه ك> = (3/2) NkT, |
(1.28) |
أين< ه ك > = .
عدد مولات الغاز ن= N / N أ = م/ م ، إذن
نحن نعلم أنه يمكن تغيير الطاقة الداخلية للجسم بطريقتين - عن طريق العمل وعن طريق التبادل الحراري. في تنفيذ أول هذه الطرق ، تتغير الطاقة الداخلية للجسم بمقدار العمل المثالي A ، وفي تنفيذ ثانيهما - بمقدار مساوٍ لكمية الحرارة المنقولة Q.
دعونا نشير إلى الطاقة الداخلية الأولية للجسم من خلال U 1 ، والنهائية (بعد تغييرها) - من خلال U 2. ثم التغيير في الطاقة الداخلية للجسم سيكون مساويا للفرق U 2 -U 1. عادةً ما يُشار إلى التغيير في أي كمية مادية في الفيزياء بالحرف اليوناني أ (دلتا) لذلك ، يمكننا كتابة:
ΔU - التغيير في الطاقة الداخلية
U = U 2 - U 1
يمكن التعبير عن التغيير في الطاقة الداخلية كقيمة إيجابية أو سلبية:
1) إذا زادت الطاقة الداخلية للجسم ، فإن U 2> U 1 ، وبالتالي ، ΔU> 0 ؛
2) إذا انخفضت الطاقة الداخلية للجسم ، ثم U 2< U 1 и, следовательно, ΔU < 0.
اعتمادًا على كيفية تغير الطاقة الداخلية للجسم (عن طريق العمل على الجسم أو عن طريق التبادل الحراري) ، يمكن حساب تغيرها بطريقتين:
ΔU = A - عند أداء العمل (33.1)
ΔU = Q - مع التبادل الحراري (33.2)
بتطبيق المعادلة (33.1) يجب أن نتذكر أن عمل القوى الخارجية المؤثرة على الجسم يظهر على جانبه الأيمن. يختلف عمل الجسد نفسه (أ) عن عمل الجسد في العلامة:
جسد = –A
يمكن أن تكون كمية الحرارة Q إما موجبة أو سالبة:
1) إذا زادت الطاقة الداخلية للجسم في عملية التبادل الحراري ، فإن Q> O (يتلقى الجسم كمية الحرارة) ؛
2) إذا انخفضت الطاقة الداخلية للجسم في عملية التبادل الحراري ، إذن Q<0 (тело отдает количество теплоты).
في الحالة العامة ، يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية للجسم (أو نظام الأجسام) بطريقتين في وقت واحد - سواء عن طريق أداء العمل أو عن طريق التبادل الحراري. بعد ذلك ، لحساب التغيير في الطاقة الداخلية ، يتم استخدام المعادلة
ΔU = A + Q (33.3)
وفقًا لهذه المعادلة ، فإن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي مجموع عمل القوى الخارجية وكمية الحرارة التي يتلقاها النظام.
1. كيف تدل الطاقة الداخلية للجسم والتغير في الطاقة الداخلية للجسم؟ 2. في أي حالة يكون التغير في الطاقة الداخلية للجسم موجبًا وفي أي سلبي؟ 3. ما هي العلامة: أ) كمية الحرارة التي يتلقاها الجسم. ب) كمية الحرارة التي يطلقها الجسم؟ لماذا ا؟ 4. اكتب معادلة يتم من خلالها حساب التغير في طاقة الجسم الداخلية أثناء التبادل الحراري. 5. اكتب معادلة يتم من خلالها حساب التغير في الطاقة الداخلية للجسم عند القيام بعمل عليه. 6. ما هي معادلة حساب التغير في الطاقة الداخلية في الحالة العامة؟
من المناسب النظر في ظاهرة فيزيائية معينة أو فئة من الظواهر باستخدام نماذج بدرجات متفاوتة من التقريب. على سبيل المثال ، عند وصف سلوك الغاز ، يتم استخدام نموذج مادي - غاز مثالي.
أي نموذج له حدود قابلية للتطبيق ، عند تجاوزه حيث يلزم تحسينه أو استخدام خيارات أكثر تعقيدًا. هنا سننظر في حالة بسيطة لوصف الطاقة الداخلية لنظام مادي بناءً على أهم خصائص الغازات ضمن حدود معينة.
لتسهيل وصف بعض العمليات الأساسية ، يبسط هذا النموذج المادي الغاز الحقيقي على النحو التالي:
مثل هذا النموذج مناسب لوصف الغازات الحقيقية إذا كانت الضغوط ودرجات الحرارة منخفضة نسبيًا.
يحتوي أي نظام فيزيائي مجهري (جسم أو غاز أو سائل في وعاء) ، بالإضافة إلى حركته وإمكاناته ، على نوع آخر من الطاقة - داخلي. يتم الحصول على هذه القيمة من خلال تلخيص طاقات جميع الأنظمة الفرعية التي تشكل نظامًا فيزيائيًا - الجزيئات.
كل جزيء في الغاز له أيضًا إمكاناته وطاقته الحركية. هذا الأخير يرجع إلى الحركة الحرارية الفوضوية المستمرة للجزيئات. يتم تحديد التفاعلات المختلفة بينهما (التجاذب الكهربائي ، التنافر) من خلال الطاقة الكامنة.
يجب أن نتذكر أنه إذا لم يكن لحالة الطاقة لأي جزء من أجزاء النظام المادي أي تأثير على الحالة العيانية للنظام ، فلا يتم أخذها في الاعتبار. على سبيل المثال ، في ظل الظروف العادية ، لا تتجلى الطاقة النووية في التغييرات في حالة الجسم المادي ، لذلك لا يلزم أخذها في الاعتبار. ولكن في درجات حرارة وضغوط عالية ، يجب فعل ذلك بالفعل.
وبالتالي ، فإن الطاقة الداخلية للجسم تعكس طبيعة حركة وتفاعل جزيئاته. وهذا يعني أن هذا المصطلح مرادف للمصطلح الشائع الاستخدام "الطاقة الحرارية".
الغازات أحادية الذرة ، أي تلك التي لم يتم دمج ذراتها في جزيئات ، توجد في الطبيعة - هذه غازات خاملة. يمكن أن توجد غازات مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الهيدروجين في حالة مماثلة فقط في ظل الظروف التي يتم فيها إنفاق الطاقة من الخارج للتجديد المستمر لهذه الحالة ، نظرًا لأن ذراتها نشطة كيميائيًا وتميل إلى الاندماج في جزيء.
دعونا نفكر في حالة الطاقة لغاز مثالي أحادي الذرة يوضع في وعاء بحجم معين. هذا هو أبسط الحالات. نتذكر أن التفاعل الكهرومغناطيسي للذرات مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء ، وبالتالي طاقتها الكامنة لا يكاد يذكر. لذا فإن الطاقة الداخلية للغاز تشمل فقط مجموع الطاقات الحركية لذراته.
يمكن حسابها بضرب متوسط الطاقة الحركية للذرات في الغاز في عددها. متوسط الطاقة هو E = 3/2 x R / N A x T ، حيث R هو ثابت الغاز العام ، N A هو رقم Avogadro ، T هو درجة الحرارة المطلقة للغاز. نحسب عدد الذرات بضرب كمية المادة في ثابت أفوجادرو. الطاقة الداخلية للغاز أحادي الذرة ستكون مساوية لـ U = N A x m / M x 3/2 x R / N A x T = 3/2 x m / M x RT. هنا m هي الكتلة و M الكتلة المولية للغاز.
افترض أن التركيب الكيميائي للغاز وكتلته يظلان دائمًا كما هو. في هذه الحالة ، كما يتضح من الصيغة التي حصلنا عليها ، تعتمد الطاقة الداخلية فقط على درجة حرارة الغاز. بالنسبة للغاز الحقيقي ، من الضروري مراعاة تغير الحجم بالإضافة إلى درجة الحرارة ، لأنه يؤثر على الطاقة الكامنة للذرات.
في الصيغة أعلاه ، يميز الرقم 3 عدد درجات حرية الحركة لجسيم أحادي الذرة - يتم تحديده من خلال عدد الإحداثيات في الفضاء: x ، y ، z. بالنسبة لحالة الغاز الأحادي ، لا يهم على الإطلاق ما إذا كانت ذراته تدور.
الجزيئات غير متماثلة كرويًا ؛ لذلك ، عند تحديد حالة الطاقة للغازات الجزيئية ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار الطاقة الحركية لدورانها. تحتوي الجزيئات ثنائية الذرة ، بالإضافة إلى درجات الحرية المدرجة المرتبطة بالحركة الانتقالية ، على اثنين آخرين ، مرتبطين بالدوران حول محورين متعامدين بشكل متبادل ؛ تحتوي الجزيئات متعددة الذرات على ثلاثة محاور دوران مستقلة. وبالتالي ، تتميز جزيئات الغازات ثنائية الذرة بعدد درجات الحرية f = 5 ، بينما الجزيئات متعددة الذرات لها f = 6.
بسبب الفوضى الكامنة في الحركة الحرارية ، فإن جميع اتجاهات كل من الإزاحة الدورانية والانتقالية محتملة تمامًا. متوسط الطاقة الحركية التي يقدمها كل نوع من أنواع الحركة هو نفسه. لذلك ، يمكننا استبدال القيمة f في الصيغة ، مما يسمح لنا بحساب الطاقة الداخلية لغاز مثالي لأي تركيبة جزيئية: U = f / 2 x m / M x RT.
بالطبع ، نرى من الصيغة أن هذه القيمة تعتمد على كمية المادة ، أي على مقدار الغاز الذي نأخذه ، وكذلك على بنية جزيئات هذا الغاز. ومع ذلك ، بما أننا اتفقنا على عدم تغيير الكتلة والتركيب الكيميائي ، فإننا نحتاج فقط إلى مراعاة درجة الحرارة.
الآن سننظر في كيفية ارتباط قيمة U بالخصائص الأخرى للغاز - الحجم ، وكذلك الضغط.
درجة الحرارة ، كما تعلم ، هي إحدى حالات النظام (الغاز في هذه الحالة). في الغاز المثالي ، يرتبط بالضغط والحجم بنسبة PV = m / M x RT (ما يسمى بمعادلة Clapeyron-Mendeleev). تحدد درجة الحرارة الطاقة الحرارية. لذلك يمكن التعبير عن الأخير من خلال مجموعة من معلمات الحالة الأخرى. إنها غير مبالية بالحالة السابقة ، وكذلك بطريقة تغييرها.
دعونا نرى كيف تتغير الطاقة الداخلية عندما ينتقل النظام من حالة ديناميكية حرارية إلى أخرى. يتم تحديد تغييره في أي انتقال من خلال الفرق بين القيم الأولية والنهائية. إذا عاد النظام إلى حالته الأصلية بعد حالة وسيطة ، فسيكون هذا الاختلاف مساوياً للصفر.
لنفترض أننا قمنا بتسخين الغاز في الخزان (أي جلبنا طاقة إضافية إليه). لقد تغيرت الحالة الديناميكية الحرارية للغاز: زادت درجة حرارته وضغطه. تستمر هذه العملية دون تغيير الحجم. زادت الطاقة الداخلية لغازنا. بعد ذلك ، تخلى غازنا عن الطاقة المزودة ، ليبرد إلى حالته الأصلية. عامل مثل سرعة هذه العمليات ، على سبيل المثال ، لن يكون مهمًا. التغير الناتج في الطاقة الداخلية للغاز بأي معدل تسخين وتبريد يساوي صفرًا.
النقطة المهمة هي أنه لا يمكن أن تتوافق حالات ديناميكية حرارية واحدة مع نفس قيمة الطاقة الحرارية.
من أجل تغيير الطاقة ، يلزم العمل. يمكن أن يتم العمل بالغاز نفسه أو بواسطة قوة خارجية.
في الحالة الأولى ، يتم إنفاق الطاقة على أداء العمل بسبب الطاقة الداخلية للغاز. على سبيل المثال ، قمنا بضغط الغاز في خزان بمكبس. إذا تركت المكبس ، فسيقوم الغاز المتوسع برفعه ، ويقوم بعمل (ليكون مفيدًا ، دع المكبس يرفع بعض الوزن). ستنخفض الطاقة الداخلية للغاز بالمقدار الذي ينفق على العمل ضد قوى الجاذبية والاحتكاك: U 2 = U 1 - A. في هذه الحالة ، يكون عمل الغاز موجبًا ، نظرًا لاتجاه القوة المطبقة على المكبس يتزامن مع اتجاه حركة المكبس.
نبدأ في خفض المكبس ، والعمل ضد قوة ضغط الغاز ومرة أخرى ضد قوى الاحتكاك. وبالتالي ، سنعطي الغاز قدرًا معينًا من الطاقة. هنا ، يعتبر عمل القوى الخارجية إيجابيًا بالفعل.
بالإضافة إلى العمل الميكانيكي ، هناك أيضًا طريقة لسحب الطاقة من الغاز أو نقل الطاقة إليه ، حيث التقينا بها بالفعل في مثال تسخين الغاز. تسمى الطاقة المنقولة إلى الغاز أثناء عمليات التبادل الحراري مقدار الحرارة. ينقسم نقل الحرارة إلى ثلاثة أنواع: التوصيل ، والحمل الحراري ، والنقل الإشعاعي. دعونا نعتبرها بمزيد من التفصيل.
قدرة مادة ما على التبادل الحراري التي تقوم بها جسيماتها عن طريق نقل الطاقة الحركية لبعضها البعض أثناء الاصطدامات المتبادلة أثناء الحركة الحرارية هي التوصيل الحراري. إذا تم تسخين منطقة معينة من مادة ما ، أي كمية معينة من الحرارة تم إعطاؤها لها ، فإن الطاقة الداخلية بعد مرور بعض الوقت ، من خلال تصادم الذرات أو الجزيئات ، سيتم توزيعها بين جميع الجسيمات ، في المتوسط ، بشكل موحد .
من الواضح أن التوصيل الحراري يعتمد بشدة على تردد الاصطدام ، والذي بدوره يعتمد على متوسط المسافة بين الجسيمات. لذلك ، يتميز الغاز ، وخاصة الغاز المثالي ، بموصلية حرارية منخفضة للغاية ، وغالبًا ما تستخدم هذه الخاصية للعزل الحراري.
بالنسبة للغازات الحقيقية ، تكون الموصلية الحرارية أعلى بالنسبة لأولئك الذين تكون جزيئاتهم أخف وزنًا وفي نفس الوقت متعددة الذرات. يلبي الهيدروجين الجزيئي هذا الشرط إلى أقصى حد ، والرادون ، باعتباره أثقل غاز أحادي الذرة ، يلبي أقل ما يمكن. كلما زاد تخلخل الغاز ، كلما كان موصل الحرارة أسوأ.
بشكل عام ، يعتبر نقل الطاقة من خلال التوصيل لغاز مثالي عملية غير فعالة للغاية.
أكثر كفاءة بكثير للغاز ، مثل الحمل الحراري ، حيث يتم توزيع الطاقة الداخلية من خلال تدفق المادة المتداولة في مجال الجاذبية. يتشكل الغاز الساخن نتيجة لقوة أرخميدس ، نظرًا لأنه أقل كثافة بسبب التحول نحو الأعلى ، يتم استبدال الغاز الساخن باستمرار بغاز بارد - يتم إنشاء دوران لتيارات الغاز. لذلك ، من أجل ضمان الكفاءة ، أي الأسرع ، التسخين من خلال الحمل الحراري ، من الضروري تسخين الخزان بالغاز من الأسفل - تمامًا مثل الغلاية بالماء.
إذا كان من الضروري إزالة قدر من الحرارة من الغاز ، فمن الأفضل وضع الثلاجة في الأعلى ، لأن الغاز الذي يعطي الطاقة للثلاجة سوف يندفع نحو الأسفل تحت تأثير الجاذبية.
مثال على الحمل الحراري في الغاز هو تسخين الهواء في الغرف باستخدام أنظمة التدفئة (يتم وضعها في الغرفة عند أدنى مستوى ممكن) أو التبريد باستخدام مكيف الهواء ، وفي الظروف الطبيعية ، تتسبب ظاهرة الحمل الحراري في حركة الكتل الهوائية و يؤثر على الطقس والمناخ.
في حالة عدم وجود الجاذبية (مع انعدام الجاذبية في مركبة فضائية) ، لا يتم إنشاء الحمل الحراري ، أي دوران التيارات الهوائية. لذلك لا فائدة من إضاءة مواقد الغاز أو أعواد الثقاب على متن المركبة الفضائية: لن يتم إزالة منتجات الاحتراق الساخن إلى أعلى ، ولن يتم توفير الأكسجين لمصدر الحريق ، وسوف ينطفئ اللهب.
يمكن أيضًا تسخين مادة ما تحت تأثير الإشعاع الحراري ، عندما تكتسب الذرات والجزيئات الطاقة عن طريق امتصاص الفوتونات الكهرومغناطيسية. عند ترددات الفوتون المنخفضة ، لا تكون هذه العملية فعالة للغاية. تذكر أنه عندما نفتح الميكروويف ، نجد الطعام الساخن ، ولكن ليس الهواء الساخن. مع زيادة تردد الإشعاع ، يزداد تأثير تسخين الإشعاع ، على سبيل المثال ، في الغلاف الجوي العلوي للأرض ، يتم تسخين غاز شديد التخلخل وتأينه بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الشمسية.
تمتص الغازات المختلفة الإشعاع الحراري بدرجات مختلفة. لذا فإن الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون تمتصه بقوة. ظاهرة تأثير الصوب الزراعية تقوم على هذه الخاصية.
بشكل عام ، يتم أيضًا تقليل التغيير في الطاقة الداخلية من خلال تسخين الغاز (التبادل الحراري) إلى القيام بعمل إما على جزيئات الغاز أو عليها عن طريق قوة خارجية (والتي يتم الإشارة إليها بنفس الطريقة ، ولكن مع الإشارة المعاكسة ). ما نوع العمل الذي يتم بهذه الطريقة في الانتقال من حالة إلى أخرى؟ سيساعدنا قانون حفظ الطاقة في الإجابة على هذا السؤال ، وبشكل أكثر دقة ، تجسيده فيما يتعلق بسلوك الأنظمة الديناميكية الحرارية - القانون الأول للديناميكا الحرارية.
ينص القانون ، أو المبدأ العالمي للحفاظ على الطاقة ، في أكثر صوره عمومية ، على أن الطاقة لا تولد من لا شيء ولا تختفي دون أثر ، بل تنتقل فقط من شكل إلى آخر. فيما يتعلق بالنظام الديناميكي الحراري ، يجب فهم ذلك بطريقة يتم فيها التعبير عن العمل الذي يؤديه النظام من خلال الفرق بين كمية الحرارة المنقولة إلى النظام (الغاز المثالي) والتغير في طاقته الداخلية. بمعنى آخر ، يتم إنفاق كمية الحرارة المنقولة إلى الغاز على هذا التغيير وعلى تشغيل النظام.
تتم كتابته بسهولة أكبر في شكل معادلات: dA = dQ - dU ، وبالتالي ، dQ = dU + dA.
نحن نعلم بالفعل أن هذه الكميات لا تعتمد على الطريقة التي يتم بها الانتقال بين الدول. تعتمد سرعة هذا الانتقال ، ونتيجة لذلك ، الكفاءة على الطريقة.
أما بالنسبة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فهو يحدد اتجاه التغيير: لا يمكن نقل الحرارة من غاز أكثر برودة (وبالتالي أقل طاقة) إلى غاز أكثر سخونة دون استهلاك إضافي للطاقة من الخارج. يشير المبدأ الثاني أيضًا إلى أن جزءًا من الطاقة التي ينفقها النظام لأداء العمل يتبدد حتمًا ، ويضيع (لا يختفي ، ولكنه يتحول إلى شكل غير قابل للاستخدام).
يمكن أن يكون للتحولات بين حالات الطاقة للغاز المثالي صفة مختلفة للتغيير في واحدة أو أخرى من معلماته. الطاقة الداخلية في عمليات التحولات لأنواع مختلفة سوف تتصرف أيضًا بشكل مختلف. دعونا نفكر بإيجاز في عدة أنواع من هذه العمليات.
العديد من المعالجات المتشابهة تكمن وراء عمل المحركات الحرارية. لذلك ، تحدث عملية التماثل الصدري في محرك بنزين في المواضع القصوى للمكبس في الأسطوانة ، والضربات الثانية والثالثة للمحرك هي أمثلة على عملية ثابتة الحرارة. عند إنتاج الغازات المسالة ، يلعب التمدد الأديباتي دورًا مهمًا - بفضله ، يصبح تكثيف الغاز ممكنًا. تعتبر المعالجات المتساوية في الغازات ، التي لا يمكن الاستغناء عنها في دراستها بدون مفهوم الطاقة الداخلية للغاز المثالي ، من سمات العديد من الظواهر الطبيعية وتجد تطبيقًا في مختلف فروع التكنولوجيا.
صفحة 1
الطاقة الداخلية للمادة هي طاقة الجزيئات التي تتكون منها المادة. في العمليات الديناميكية الحرارية العادية ، تخضع الأجزاء الحركية والمحتملة للطاقة الداخلية فقط للتغييرات. الأول يعتمد على سرعات حركة الجزيئات (متعدية ، دورانية ، اهتزازية) ، والثاني بسبب وجود قوى التفاعل (التجاذب أو التنافر) بين الجزيئات والمسافة بينها.
الطاقة الداخلية لمادة ما هي طاقتها الكلية ، والتي تتكون من الطاقات الحركية والمحتملة للذرات والجزيئات التي تتكون منها المادة ، وكذلك الجسيمات الأولية التي تشكل الذرات والجزيئات.
تعتمد الطاقة الداخلية لمادة ما على حالتها الفيزيائية فقط ولا تعتمد على الطريقة أو الطريقة التي يتم بها إحضار المادة المعينة إلى هذه الحالة. هذا يتبع مباشرة من قانون الحفاظ على الطاقة. في الواقع ، دعونا نحدد بالأرقام 1 و 2 حالتين تعسفيتين للنظام. دع V يكون الطاقة المستهلكة في هذا الانتقال. دعونا الآن نجبر النظام على إجراء الانتقال الأول في الاتجاه الأمامي ، والثاني في الاتجاه المعاكس. في الانتقال الأول ، الطاقة [/ سيتم إنفاقها ، في الثانية ، سيتم إعطاء U ، وبالتالي ، تتلقى الهيئات الخارجية المحيطة بالنظام الطاقة U - V ، ولا تحدث أي تغييرات في النظام نفسه. U موجب أو سلبي ، غير مبال ؛ على أي حال ، قادنا تفكيرنا إلى تناقض مع قانون الحفاظ على الطاقة.
لا تعتمد الطاقة الداخلية لمادة ما في ظل ظروف معينة على طبيعتها الكيميائية فحسب ، بل تعتمد أيضًا على حالة التجميع والبلورات على تعديلها.
الطاقة الداخلية لمادة ما هي طاقتها الكلية ، والتي تتلخص من الطاقات الحركية والطاقات الكامنة للذرات والجزيئات التي تتكون منها المادة ، وكذلك الجسيمات الأولية التي تشكل الذرات والجزيئات. وهي تشمل: 1) طاقة الحركة الانتقالية والدورانية والاهتزازية لجميع الجسيمات ؛ 2) الطاقة الكامنة للتفاعل (التجاذب والتنافر) بينهما ؛ 3) الطاقة الكيميائية الجزيئية. 4) الطاقة الذرية ؛ 5) الطاقة النووية. 6) طاقة الجاذبية. 7) طاقة مشعة تملأ الفراغ الذي يشغله الجسم وتوفر التوازن الحراري داخل الجسم بين أجزائه الفردية. لا تشمل الطاقة الداخلية الطاقة الكامنة بسبب موقع النظام في الفضاء ، والطاقة الحركية لحركة النظام ككل.
يتم تحويل الطاقة الداخلية لمادة ما إلى طاقة إشعاعية.
الطاقة الداخلية للمادة هي مجموع الطاقات الحركية لجميع الجزيئات والطاقات المحتملة للتفاعل بين الجزيئات. فكلما زادت كمية الطاقة الداخلية ، زاد احتواء الجسم للحرارة وارتفعت درجة حرارته.
تحدث الزيادة في الطاقة الداخلية لمادة ما أثناء التبخر دون تغيير في درجة الحرارة بشكل أساسي بسبب حقيقة أنه أثناء الانتقال إلى البخار ، يزداد متوسط المسافة بين الجزيئات. في الوقت نفسه ، تزداد طاقتها الكامنة ، لأنه من أجل تحريك الجزيئات عبر مسافات كبيرة ، من الضروري بذل جهد للتغلب على قوى جذب الجزيئات لبعضها البعض.
تُفهم الطاقة الداخلية لمادة ما على أنها مجموع الطاقة الحركية لحركة الجزيئات ، والطاقة الكامنة لتفاعلها ، وكذلك طاقة اهتزاز الذرات داخل الجزيئات. عند تحديد حالة الجسم ، يتم تحديد مقدار الطاقة الداخلية بدقة ، لذلك يُشار أيضًا إلى معلمات حالة الجسم.
في هذه الحالة ، يتم تحويل الطاقة الداخلية لمادة ما إلى طاقة إشعاعية (طاقة الفوتونات أو الموجات الكهرومغناطيسية) ، والتي عند سقوطها على أجسام قادرة على امتصاصها ، تتحول مرة أخرى إلى طاقة داخلية. على سبيل المثال ، عندما تحلق مركبة فضائية في الفضاء بين الكواكب ، فإن سطحها يمتص الإشعاع من الشمس.
نظرًا لأن الطاقة الداخلية للمواد هي دالة للحجم والضغط ودرجة الحرارة ، فمن الواضح أن التأثيرات الحرارية للتفاعلات تعتمد على الظروف التي تحدث فيها هذه التفاعلات. إن تأثير درجة الحرارة على التأثيرات الحرارية للعمليات له أهمية قصوى.
بيّن أن الطاقة الداخلية لمادة ما مع معادلة الحالة بالصيغة pTf (V) لا تعتمد على الحجم.
بيّن أن الطاقة الداخلية لمادة ما مع معادلة الحالة بالصيغة p / (F) T لا تعتمد على الحجم.
نظرًا للتغير في الطاقة الداخلية لمادة ما أثناء التسخين ، فإن جميع الخصائص الفيزيائية للمادة الأخيرة تقريبًا تعتمد بدرجة أكبر أو أقل على درجة الحرارة ، ولكن لقياسها ، إن أمكن ، يتم اختيار تلك الخصائص التي تتغير بشكل لا لبس فيه مع التغيير في درجة الحرارة ، لا تتأثر بعوامل أخرى ويسهل قياسها نسبيًا. تتوافق هذه المتطلبات تمامًا مع خصائص مواد العمل مثل التمدد الحجمي ، والتغير في الضغط في الحجم المغلق ، والتغير في المقاومة الكهربائية ، وحدوث القوة الدافعة الكهروحرارية ، وشدة الإشعاع ، والتي تعد أساس الجهاز لقياس درجة الحرارة.
