მოხერხებულია კონკრეტული ფიზიკური ფენომენის ან ფენომენების კლასის განხილვა სხვადასხვა ხარისხის მიახლოების მოდელების გამოყენებით. მაგალითად, გაზის ქცევის აღწერისას გამოიყენება ფიზიკური მოდელი - იდეალური გაზი.
ნებისმიერ მოდელს აქვს გამოყენების საზღვრები, რომლის მიღმაც საჭიროა მისი დახვეწა ან უფრო რთული ვარიანტების გამოყენება. აქ განვიხილავთ ფიზიკური სისტემის შიდა ენერგიის აღწერის მარტივ შემთხვევას, რომელიც დაფუძნებულია აირების ყველაზე არსებით თვისებებზე გარკვეულ საზღვრებში.
იდეალური გაზი
ეს ფიზიკური მოდელი, ზოგიერთი ფუნდამენტური პროცესის აღწერის მოხერხებულობისთვის, ამარტივებს რეალურ გაზს შემდეგნაირად:
- უგულებელყოფს გაზის მოლეკულების ზომას. ეს ნიშნავს, რომ არის ფენომენები, რომელთათვისაც ეს პარამეტრი არ არის აუცილებელი ადეკვატური აღწერისთვის.
- უგულებელყოფს ინტერმოლეკულურ ურთიერთქმედებებს, ანუ იღებს, რომ მისთვის საინტერესო პროცესებში ისინი ჩნდებიან უმნიშვნელო დროის ინტერვალებში და არ ახდენენ გავლენას სისტემის მდგომარეობაზე. ამ შემთხვევაში, ურთიერთქმედება აბსოლუტურად ელასტიური ზემოქმედების ხასიათს ატარებს, რომელშიც არ არის ენერგიის დაკარგვა.დეფორმაცია.
- უგულებელყოფს მოლეკულების ურთიერთქმედებას ავზის კედლებთან.
- ვუშვათ, რომ "გაზ-რეზერვუარის" სისტემა ხასიათდება თერმოდინამიკური წონასწორობით.
ეს მოდელი შესაფერისია რეალური გაზების აღსაწერად, თუ წნევა და ტემპერატურა შედარებით დაბალია.
ფიზიკური სისტემის ენერგეტიკული მდგომარეობა
ნებისმიერ მაკროსკოპულ ფიზიკურ სისტემას (სხეული, გაზი ან სითხე ჭურჭელში) თავისი კინეტიკური და პოტენციალის გარდა, აქვს კიდევ ერთი ტიპის ენერგია - შინაგანი. ეს მნიშვნელობა მიიღება ფიზიკური სისტემის შემადგენელი ყველა ქვესისტემის ენერგიის შეჯამებით - მოლეკულები.
აირში არსებულ თითოეულ მოლეკულას ასევე აქვს საკუთარი პოტენციალი და კინეტიკური ენერგია. ეს უკანასკნელი განპირობებულია მოლეკულების უწყვეტი ქაოტური თერმული მოძრაობით. მათ შორის სხვადასხვა ურთიერთქმედება (ელექტრული მიზიდულობა, მოგერიება) განისაზღვრება პოტენციური ენერგიით.
უნდა გვახსოვდეს, რომ თუ ფიზიკური სისტემის რომელიმე ნაწილის ენერგეტიკული მდგომარეობა არანაირ გავლენას არ ახდენს სისტემის მაკროსკოპულ მდგომარეობაზე, მაშინ ის არ არის გათვალისწინებული. მაგალითად, ნორმალურ პირობებში, ბირთვული ენერგია არ ვლინდება ფიზიკური ობიექტის მდგომარეობის ცვლილებებში, ამიტომ არ არის საჭირო მისი გათვალისწინება. მაგრამ მაღალ ტემპერატურასა და წნევაზე ეს უკვე აუცილებელია.
ამგვარად, სხეულის შინაგანი ენერგია ასახავს მისი ნაწილაკების მოძრაობის ბუნებას და ურთიერთქმედებას. ეს ნიშნავს, რომ ტერმინი სინონიმია ხშირად გამოყენებული ტერმინის "თერმული ენერგია".
მონატომური იდეალური გაზი
მონატომური აირები, ანუ ის, ვისი ატომები არ არის გაერთიანებული მოლეკულებად, არსებობს ბუნებაში - ეს ინერტული აირებია. აირები, როგორიცაა ჟანგბადი, აზოტი ან წყალბადი, შეიძლება არსებობდეს ასეთ მდგომარეობაში მხოლოდ იმ პირობებში, როდესაც ენერგია იხარჯება გარედან ამ მდგომარეობის მუდმივი განახლებისთვის, რადგან მათი ატომები ქიმიურად აქტიურია და მიდრეკილია გაერთიანდეს მოლეკულაში.
მოდით განვიხილოთ გარკვეული მოცულობის ჭურჭელში მოთავსებული ერთატომური იდეალური გაზის ენერგეტიკული მდგომარეობა. ეს უმარტივესი შემთხვევაა. ჩვენ გვახსოვს, რომ ატომების ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება მათ შორის და ჭურჭლის კედლებთან და, შესაბამისად, მათი პოტენციური ენერგია უმნიშვნელოა. ამრიგად, გაზის შიდა ენერგია მოიცავს მხოლოდ მისი ატომების კინეტიკური ენერგიის ჯამს.
ეს შეიძლება გამოითვალოს ატომების საშუალო კინეტიკური ენერგიის გამრავლებით გაზში მათ რიცხვზე. საშუალო ენერგია არის E=3/2 x R / NA x T, სადაც R არის უნივერსალური აირის მუდმივი, NA არის ავოგადროს რიცხვი, T არის გაზის აბსოლუტური ტემპერატურა. ატომების რაოდენობა გამოითვლება მატერიის რაოდენობის ავოგადროს მუდმივზე გამრავლებით. ერთატომური აირის შიდა ენერგია ტოლი იქნება U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. აქ m არის მასა და M არის გაზის მოლური მასა.
ვუშვათ, რომ აირის ქიმიური შემადგენლობა და მისი მასა ყოველთვის იგივე რჩება. ამ შემთხვევაში, როგორც ჩვენ მიერ მიღებული ფორმულიდან ჩანს, შიდა ენერგია დამოკიდებულია მხოლოდ გაზის ტემპერატურაზე. რეალური გაზისთვის საჭირო იქნება გათვალისწინება, გარდატემპერატურა, მოცულობის ცვლილება, რადგან ეს გავლენას ახდენს ატომების პოტენციურ ენერგიაზე.
მოლეკულური აირები
ზემოთ ფორმულაში რიცხვი 3 ახასიათებს მონოატომური ნაწილაკის მოძრაობის თავისუფლების ხარისხების რაოდენობას - იგი განისაზღვრება სივრცეში კოორდინატების რაოდენობით: x, y, z. ერთატომური გაზის მდგომარეობისთვის, საერთოდ არ აქვს მნიშვნელობა ბრუნავს თუ არა მისი ატომები.
მოლეკულები სფერულად ასიმეტრიულია, ამიტომ მოლეკულური აირების ენერგეტიკული მდგომარეობის დადგენისას აუცილებელია მათი ბრუნვის კინეტიკური ენერგიის გათვალისწინება. დიატომურ მოლეკულებს, გარდა ჩამოთვლილი თავისუფლების ხარისხებისა, რომლებიც დაკავშირებულია მთარგმნელობით მოძრაობასთან, აქვთ კიდევ ორი დაკავშირებული ბრუნვასთან ორი ურთიერთ პერპენდიკულარული ღერძის გარშემო; პოლიატომურ მოლეკულებს აქვთ ბრუნვის სამი ასეთი დამოუკიდებელი ღერძი. შესაბამისად, დიატომური აირების ნაწილაკებს ახასიათებთ თავისუფლების ხარისხი f=5, ხოლო პოლიატომურ მოლეკულებს აქვთ f=6.
თერმული მოძრაობის თანდაყოლილი შემთხვევითობის გამო, როგორც ბრუნვის, ისე მთარგმნელობითი მოძრაობის ყველა მიმართულება აბსოლუტურად თანაბრად სავარაუდოა. საშუალო კინეტიკური ენერგია, რომელსაც წვლილი შეაქვს თითოეული ტიპის მოძრაობა იგივეა. აქედან გამომდინარე, ჩვენ შეგვიძლია შევცვალოთ f-ის მნიშვნელობა ფორმულაში, რომელიც საშუალებას გვაძლევს გამოვთვალოთ ნებისმიერი მოლეკულური შემადგენლობის იდეალური აირის შიდა ენერგია: U=f / 2 x m / M x RT.
რა თქმა უნდა, ფორმულიდან ვხედავთ, რომ ეს მნიშვნელობა დამოკიდებულია ნივთიერების რაოდენობაზე, ანუ იმაზე, თუ რამდენი და რა სახის აირი მივიღეთ, ასევე ამ გაზის მოლეკულების სტრუქტურაზე. თუმცა, რადგან შევთანხმდით, რომ მასა და ქიმიური შემადგენლობა არ შეიცვალოს, მაშინ გაითვალისწინეთჩვენ მხოლოდ ტემპერატურა გვჭირდება.
ახლა ვნახოთ, როგორ არის დაკავშირებული U-ის მნიშვნელობა გაზის სხვა მახასიათებლებთან - მოცულობასთან, ასევე წნევასთან.
შიდა ენერგია და თერმოდინამიკური მდგომარეობა
ტემპერატურა, მოგეხსენებათ, სისტემის თერმოდინამიკური მდგომარეობის ერთ-ერთი პარამეტრია (ამ შემთხვევაში აირი). იდეალურ გაზში ის დაკავშირებულია წნევასთან და მოცულობასთან PV=m / M x RT (ე.წ. კლაპეირონ-მენდელეევის განტოლება) მიმართებით. ტემპერატურა განსაზღვრავს სითბოს ენერგიას. ასე რომ, ეს უკანასკნელი შეიძლება გამოიხატოს სხვა მდგომარეობის პარამეტრების სიმრავლით. იგი ინდიფერენტულია როგორც წინა მდგომარეობის მიმართ, ასევე მისი ცვლილების მიმართ.
მოდით ვნახოთ, როგორ იცვლება შიდა ენერგია, როდესაც სისტემა გადადის ერთი თერმოდინამიკური მდგომარეობიდან მეორეზე. მისი ცვლილება ნებისმიერ ასეთ გადასვლაში განისაზღვრება საწყისი და საბოლოო მნიშვნელობების სხვაობით. თუ სისტემა დაბრუნდა თავდაპირველ მდგომარეობას გარკვეული შუალედური მდგომარეობის შემდეგ, მაშინ ეს სხვაობა იქნება ნულის ტოლი.
ვთქვათ, ჩვენ გავაცხელეთ ავზში არსებული გაზი (ანუ მასში დამატებითი ენერგია მივიტანეთ). შეიცვალა გაზის თერმოდინამიკური მდგომარეობა: გაიზარდა მისი ტემპერატურა და წნევა. ეს პროცესი ხმის შეცვლის გარეშე მიმდინარეობს. გაიზარდა ჩვენი გაზის შიდა ენერგია. ამის შემდეგ, ჩვენმა გაზმა დათმო მიწოდებული ენერგია და გაცივდა პირვანდელ მდგომარეობამდე. ისეთ ფაქტორს, როგორიცაა, მაგალითად, ამ პროცესების სიჩქარე, მნიშვნელობა არ ექნება. გაზისა და გაგრილების ნებისმიერი სიჩქარის დროს გაზის შიდა ენერგიის ცვლილება ნულის ტოლია.
მნიშვნელოვანი ის არის, რომ თერმული ენერგიის ერთი და იგივე მნიშვნელობა შეიძლება შეესაბამებოდეს არა ერთ, არამედ რამდენიმე თერმოდინამიკურ მდგომარეობას.
თერმული ენერგიის ცვლილების ბუნება
ენერგიის შესაცვლელად, სამუშაო უნდა გაკეთდეს. სამუშაო შეიძლება შესრულდეს თავად გაზით ან გარე ძალით.
პირველ შემთხვევაში, ენერგიის დახარჯვა სამუშაოს შესრულებისთვის განპირობებულია გაზის შიდა ენერგიით. მაგალითად, ჩვენ გვქონდა შეკუმშული გაზი ავზში დგუშით. თუ დგუში გათავისუფლდება, გაფართოებული გაზი დაიწყებს მის აწევას, სამუშაოს შესრულებას (იმისთვის, რომ ის სასარგებლო იყოს, დგუში აწიოს რაიმე სახის დატვირთვა). გაზის შიდა ენერგია შემცირდება სიმძიმის და ხახუნის ძალების წინააღმდეგ სამუშაოზე დახარჯული რაოდენობით: U2=U1 - A. ამ შემთხვევაში, გაზის მუშაობა დადებითია, რადგან დგუშზე მიმართული ძალის მიმართულება იგივეა, რაც დგუშის მოძრაობის მიმართულება.
დავიწყოთ დგუშის დაწევა, სამუშაოს შესრულება გაზის წნევის და ისევ ხახუნის ძალების წინააღმდეგ. ამრიგად, ჩვენ ვაცნობებთ გაზს გარკვეული რაოდენობის ენერგიის შესახებ. აქ გარე ძალების მუშაობა უკვე დადებითად ითვლება.
გარდა მექანიკური მუშაობისა, არსებობს გაზიდან ენერგიის აღების ან ენერგიის მიცემის ისეთი ხერხიც, როგორიცაა სითბოს გადაცემა (სითბოს გადაცემა). გაზის გაცხელების მაგალითზე უკვე შევხვდით. სითბოს გადაცემის პროცესში გაზზე გადაცემულ ენერგიას სითბოს რაოდენობას უწოდებენ. სითბოს გადაცემის სამი ტიპი არსებობს: გამტარობა, კონვექცია და რადიაციული გადაცემა. მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ მათ.
თერმული კონდუქტომეტრული
ნივთიერების უნარი სითბოს გაცვლის,ხორციელდება მისი ნაწილაკების მიერ თერმული მოძრაობის დროს ურთიერთშეჯახების დროს ერთმანეთზე კინეტიკური ენერგიის გადაცემით - ეს არის თბოგამტარობა. თუ ნივთიერების გარკვეული უბანი გაცხელდება, ანუ სითბოს გარკვეული რაოდენობა გადაეცემა მას, შინაგანი ენერგია გარკვეული პერიოდის შემდეგ, ატომების ან მოლეკულების შეჯახების შედეგად, ყველა ნაწილაკს შორის საშუალოდ თანაბრად გადანაწილდება.
აშკარაა, რომ თბოგამტარობა ძლიერ არის დამოკიდებული შეჯახების სიხშირეზე და ეს, თავის მხრივ, ნაწილაკებს შორის საშუალო მანძილზე. ამიტომ, გაზი, განსაკუთრებით იდეალური გაზი, ხასიათდება ძალიან დაბალი თბოგამტარობით და ეს თვისება ხშირად გამოიყენება თბოიზოლაციისთვის.
რეალური გაზებიდან, თბოგამტარობა უფრო მაღალია მათთვის, ვისი მოლეკულებიც ყველაზე მსუბუქი და ამავე დროს პოლიატომურია. მოლეკულური წყალბადი ყველაზე მეტად აკმაყოფილებს ამ მდგომარეობას, ხოლო რადონი, როგორც უმძიმესი ერთატომური აირი, ყველაზე ნაკლებად. რაც უფრო იშვიათია გაზი, მით უფრო ცუდი სითბოს გამტარია.
ზოგადად, ენერგიის გადაცემა თერმული გამტარობით იდეალური გაზისთვის ძალიან არაეფექტური პროცესია.
კონვექცია
გაზისთვის გაცილებით ეფექტურია სითბოს გადაცემის ეს ტიპი, როგორიცაა კონვექცია, რომელშიც შინაგანი ენერგია ნაწილდება გრავიტაციულ ველში მოცირკულირე მატერიის ნაკადის მეშვეობით. ცხელი აირის აღმავალი ნაკადი წარმოიქმნება არქიმედეს ძალის გამო, რადგან ის ნაკლებად მკვრივია თერმული გაფართოების გამო. ზემოთ მოძრავი ცხელი აირი მუდმივად იცვლება უფრო ცივი გაზით - დამყარებულია გაზის ნაკადების მიმოქცევა.ამიტომ, ეფექტური, ანუ უსწრაფესი გათბობის უზრუნველსაყოფად კონვექციით, აუცილებელია გაზის ავზის გაცხელება ქვემოდან - ისევე როგორც ქვაბი წყლით.
თუ საჭიროა გაზიდან გარკვეული რაოდენობის სითბოს გამოტანა, მაშინ უფრო ეფექტურია მაცივრის ზემოდან დაყენება, რადგან გაზი, რომელიც მაცივარს ენერგიას აძლევდა, გრავიტაციის გავლენის ქვეშ ჩამოვარდება..
გაზში კონვექციის მაგალითია შიდა ჰაერის გათბობა გათბობის სისტემების გამოყენებით (ისინი მოთავსებულია ოთახში რაც შეიძლება დაბლა) ან გაგრილება კონდიციონერის გამოყენებით, ხოლო ბუნებრივ პირობებში თერმული კონვექციის ფენომენი იწვევს. ჰაერის მასების მოძრაობა და გავლენას ახდენს ამინდსა და კლიმატზე.
გრავიტაციის არარსებობის შემთხვევაში (კოსმოსურ ხომალდში უწონადობა), კონვექცია, ანუ ჰაერის დინების მიმოქცევა, არ არის დადგენილი. ასე რომ, აზრი არ აქვს კოსმოსურ ხომალდზე გაზის სანთურების ან ასანთის აანთებას: ცხელი წვის პროდუქტები არ გამოიყოფა ზევით, ჟანგბადი მიეწოდება ცეცხლის წყაროს და ალი ჩაქრება.
გასხივოსნებული ტრანსფერი
ნივთიერება ასევე შეიძლება გაცხელდეს თერმული გამოსხივების მოქმედებით, როდესაც ატომები და მოლეკულები იძენენ ენერგიას ელექტრომაგნიტური კვანტების - ფოტონების შთანთქმით. დაბალ ფოტონის სიხშირეზე, ეს პროცესი არ არის ძალიან ეფექტური. შეგახსენებთ, რომ როდესაც მიკროტალღურ ღუმელს ვხსნით, შიგნით ცხელ საჭმელს ვპოულობთ, მაგრამ არა ცხელ ჰაერს. რადიაციის სიხშირის მატებასთან ერთად იზრდება რადიაციული გათბობის ეფექტი, მაგალითად, დედამიწის ზედა ატმოსფეროში ინტენსიურად თბება ძალიან იშვიათი გაზი დაიონიზირებულია მზის ულტრაიისფერი სხივებით.
სხვადასხვა აირები შთანთქავს თერმულ გამოსხივებას სხვადასხვა ხარისხით. ასე რომ, წყალი, მეთანი, ნახშირორჟანგი მას საკმაოდ ძლიერად შთანთქავს. სათბურის ეფექტის ფენომენი ემყარება ამ თვისებას.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი
ზოგადად რომ ვთქვათ, შიდა ენერგიის ცვლილება გაზის გაცხელებით (სითბოს გადაცემა) ასევე გამოწვეულია სამუშაოს შესრულებაზე ან გაზის მოლეკულებზე ან მათზე გარეგანი ძალის მეშვეობით (რომელიც აღინიშნა იმავე გზით, მაგრამ პირიქით. ნიშანი). რა სამუშაო კეთდება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადასვლის ამ გზით? ამ კითხვაზე პასუხის გაცემაში დაგვეხმარება ენერგიის შენარჩუნების კანონი, უფრო სწორედ მისი დაკონკრეტება თერმოდინამიკური სისტემების ქცევასთან მიმართებაში - თერმოდინამიკის პირველი კანონი.
კანონი, ანუ ენერგიის შენარჩუნების უნივერსალური პრინციპი, ყველაზე განზოგადებული სახით ამბობს, რომ ენერგია არ იბადება არაფრისგან და არ ქრება უკვალოდ, არამედ მხოლოდ ერთი ფორმიდან მეორეში გადადის. თერმოდინამიკურ სისტემასთან მიმართებაში, ეს ისე უნდა იქნას გაგებული, რომ სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაო გამოიხატება სისტემისთვის გადაცემული სითბოს რაოდენობას (იდეალური გაზი) და მისი შიდა ენერგიის ცვლილებას შორის სხვაობით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გაზზე გადაცემული სითბოს რაოდენობა იხარჯება ამ ცვლილებაზე და სისტემის მუშაობაზე.
ეს იწერება ფორმულების სახით ბევრად უფრო ადვილია: dA=dQ – dU და შესაბამისად, dQ=dU + dA.
ჩვენ უკვე ვიცით, რომ ეს სიდიდეები არ არის დამოკიდებული მდგომარეობებს შორის გადასვლის გზაზე. ამ გადასვლის სიჩქარე და, შედეგად, ეფექტურობა დამოკიდებულია მეთოდზე.
რაც შეეხება მეორესთერმოდინამიკის დასაწყისი, შემდეგ ის ადგენს ცვლილების მიმართულებას: სითბო არ შეიძლება გადავიდეს ცივი (და, შესაბამისად, ნაკლებად ენერგიული) გაზიდან უფრო ცხელზე, გარედან დამატებითი ენერგიის შეყვანის გარეშე. მეორე კანონი ასევე მიუთითებს, რომ სისტემის მიერ სამუშაოს შესასრულებლად დახარჯული ენერგიის ნაწილი აუცილებლად იფანტება, იკარგება (არ ქრება, მაგრამ იქცევა გამოუყენებელ ფორმაში).
თერმოდინამიკური პროცესები
იდეალური აირის ენერგეტიკულ მდგომარეობებს შორის გადასვლებს შეიძლება ჰქონდეთ ცვლილებების განსხვავებული შაბლონები მის ამა თუ იმ პარამეტრში. შინაგანი ენერგია სხვადასხვა ტიპის გადასვლების პროცესებში ასევე განსხვავებულად იქცევა. მოდით მოკლედ განვიხილოთ ასეთი პროცესების რამდენიმე ტიპი.
- იზოქორული პროცესი მიმდინარეობს მოცულობის ცვლილების გარეშე, შესაბამისად, გაზი არ მუშაობს. გაზის შიდა ენერგია იცვლება საბოლოო და საწყის ტემპერატურას შორის სხვაობის ფუნქციის მიხედვით.
- იზობარული პროცესი ხდება მუდმივი წნევის დროს. გაზი მუშაობს და მისი თერმული ენერგია გამოითვლება ისევე, როგორც წინა შემთხვევაში.
- იზოთერმული პროცესი ხასიათდება მუდმივი ტემპერატურით და, შესაბამისად, თერმული ენერგია არ იცვლება. გაზის მიერ მიღებული სითბოს რაოდენობა მთლიანად იხარჯება სამუშაოს შესრულებაზე.
- ადიაბატური, ანუ ადიაბატური პროცესი ხდება გაზში სითბოს გადაცემის გარეშე, თერმულად იზოლირებულ ავზში. სამუშაოები კეთდება მხოლოდ თერმული ენერგიის ხარჯზე: dA=- dU. ადიაბატური შეკუმშვით, თერმული ენერგია იზრდება, შესაბამისად, გაფართოებითმცირდება.
თერმული ძრავების ფუნქციონირების საფუძველი სხვადასხვა იზოპროცესებია. ამრიგად, იზოქორული პროცესი მიმდინარეობს ბენზინის ძრავში ცილინდრში დგუშის უკიდურეს პოზიციებზე, ხოლო ძრავის მეორე და მესამე დარტყმა ადიაბატური პროცესის მაგალითებია. თხევადი აირების მიღებისას მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ადიაბატური გაფართოება - მისი წყალობით შესაძლებელია გაზის კონდენსაცია. იზოპროცესები გაზებში, რომელთა შესწავლა შეუძლებელია იდეალური გაზის შიდა ენერგიის კონცეფციის გარეშე, დამახასიათებელია მრავალი ბუნებრივი მოვლენისთვის და გამოიყენება ტექნოლოგიის სხვადასხვა დარგში.
