Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: iç enerji, ısı transferi, ısı transfer çeşitleri.

Herhangi bir cismin parçacıkları - atomlar veya moleküller - kaotik sürekli hareket gerçekleştirir (sözde termal hareket). Bu nedenle her parçacığın bir miktar kinetik enerjisi vardır.

Ek olarak, madde parçacıkları birbirleriyle elektriksel çekim ve itme kuvvetlerinin yanı sıra nükleer kuvvetler yoluyla da etkileşime girer. Bu nedenle, belirli bir cismin tüm parçacık sistemi de potansiyel enerjiye sahiptir.

Parçacıkların termal hareketinin kinetik enerjisi ve etkileşimlerinin potansiyel enerjisi, vücudun mekanik enerjisine indirgenmeyen yeni bir enerji türü oluşturur (yani, bir bütün olarak vücudun hareketinin kinetik enerjisi ve diğer cisimlerle etkileşiminin potansiyel enerjisi). Bu enerji türüne iç enerji denir.

Bir cismin iç enerjisi, parçacıklarının termal hareketinin toplam kinetik enerjisi artı birbirleriyle etkileşimlerinin potansiyel enerjisidir..

Bir termodinamik sistemin iç enerjisi, sisteme dahil olan cisimlerin iç enerjilerinin toplamıdır..

Böylece vücudun iç enerjisi aşağıdaki terimlerle oluşur.

1. Vücut parçacıklarının sürekli kaotik hareketinin kinetik enerjisi.
2. Moleküller arası etkileşim kuvvetlerinden dolayı moleküllerin (atomların) potansiyel enerjisi.
3. Atomlardaki elektronların enerjisi.
4. Çekirdek içi enerji.

Maddenin en basit modelinde (ideal gaz) iç enerji için açık bir formül elde edilebilir.

Tek atomlu ideal gazın iç enerjisi

İdeal bir gazın parçacıkları arasındaki etkileşimin potansiyel enerjisi sıfırdır (ideal gaz modelinde belirli bir mesafedeki parçacıkların etkileşimini ihmal ettiğimizi hatırlayın). Bu nedenle, tek atomlu bir ideal gazın iç enerjisi, atomlarının öteleme hareketinin (çok atomlu bir gaz için moleküllerin dönüşü ve moleküller içindeki atomların titreşimleri de dikkate alınmalıdır) toplam kinetik enerjisine indirgenir. Bu enerji, gaz atomlarının sayısı bir atomun ortalama kinetik enerjisiyle çarpılarak bulunabilir:

İdeal bir gazın (kütlesi ve kimyasal bileşimi değişmeyen) iç enerjisinin yalnızca sıcaklığının bir fonksiyonu olduğunu görüyoruz. Gerçek bir gaz, sıvı veya katıda, iç enerji de hacme bağlı olacaktır - sonuçta hacim değiştiğinde, parçacıkların göreceli düzeni ve bunun sonucunda etkileşimlerinin potansiyel enerjisi değişir.

Durum işlevi

İç enerjinin en önemli özelliği, durum fonksiyonu Termodinamik sistem. Yani, iç enerji, sistemi karakterize eden bir dizi makroskobik parametre tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir ve sistemin "tarihöncesine" bağlı değildir; sistemin daha önce hangi durumda olduğu ve spesifik olarak bu duruma nasıl geldiği hakkında.

Böylece bir sistem bir durumdan diğerine geçerken iç enerjisindeki değişim yalnızca sistemin başlangıç ​​ve son durumları tarafından belirlenir ve bağlı değil başlangıç ​​durumundan son duruma geçiş yolundan. Sistem orijinal durumuna dönerse iç enerjisindeki değişim sıfırdır.

Deneyimler, bir bedenin iç enerjisini değiştirmenin yalnızca iki yolu olduğunu göstermektedir:

Mekanik işlerin yapılması;
ısı transferi.

Basitçe söylemek gerekirse, bir su ısıtıcısını yalnızca temelde iki farklı şekilde ısıtabilirsiniz: onu bir şeyle ovalayarak veya ateşe vererek :-) Bu yöntemleri daha ayrıntılı olarak ele alalım.

İç enerjideki değişim: yapılan iş

Eğer iş yapılırsa üstünde vücut, daha sonra vücudun iç enerjisi artar.

Örneğin çekiçle vurulan çivi ısınır ve hafifçe deforme olur. Ancak sıcaklık, bir cisimdeki parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir çivinin ısıtılması, parçacıklarının kinetik enerjisinde bir artış olduğunu gösterir: aslında parçacıklar, bir çekicin darbesi ve çivinin tahta üzerindeki sürtünmesi ile hızlanır.

Deformasyon, parçacıkların birbirine göre yer değiştirmesinden başka bir şey değildir; Çarpma sonrasında çivide basınç deformasyonu meydana gelir, parçacıkları birbirine yaklaşır, aralarındaki itme kuvvetleri artar ve bu da çivi parçacıklarının potansiyel enerjisinin artmasına neden olur.

Böylece çivinin iç enerjisi artmıştır. Bu, üzerinde yapılan işin sonucuydu; iş, çekiç ve tahta üzerindeki sürtünme kuvveti tarafından yapılıyordu.

Eğer iş yapılırsa kendimizi vücut, daha sonra vücudun iç enerjisi azalır.

Örneğin, bir pistonun altındaki ısıl yalıtımlı bir kaptaki basınçlı havanın genleşip belirli bir yükü kaldırmasına ve böylece iş yapmasına izin verin (ısıl yalıtımlı bir kaptaki işleme denir) adyabatik. Adyabatik süreci termodinamiğin birinci yasasını dikkate alarak inceleyeceğiz). Bu işlem sırasında hava soğuyacaktır - hareketli pistonun ardından çarpan molekülleri ona kinetik enerjilerinin bir kısmını verir. (Aynı şekilde hızlı uçan bir topu ayağıyla durduran bir futbolcu da onunla bir hareket yapar. itibaren top ve hızını azaltır.) Dolayısıyla havanın iç enerjisi azalır.

Dolayısıyla hava, kendi iç enerjisi pahasına çalışır: kap termal olarak yalıtılmış olduğundan, herhangi bir dış kaynaktan havaya enerji akışı yoktur ve hava, iş yapmak için yalnızca kendi rezervlerinden enerji çekebilir. .

İç enerjideki değişim: ısı transferi

Isı transferi, mekanik işin performansıyla ilişkili olmayan, iç enerjinin daha sıcak bir gövdeden daha soğuk bir gövdeye aktarılması işlemidir.. Isı transferi, cisimlerin doğrudan teması yoluyla veya bir ara ortam (ve hatta bir vakum yoluyla) yoluyla gerçekleşebilir. Isı transferine de denir Isı değişimi.

Üç tür ısı transferi vardır: iletim, konveksiyon ve termal radyasyon.

Şimdi onlara daha detaylı bakacağız.

Termal iletkenlik

Bir demir çubuğun bir ucunu ateşe sokarsanız, bildiğimiz gibi, onu elinizde uzun süre tutamazsınız. Yüksek sıcaklıktaki bir bölgeye gelindiğinde demir atomları daha yoğun titremeye başlar (yani ek kinetik enerji kazanırlar) ve komşuları üzerinde daha güçlü etkilere neden olurlar.

Komşu atomların kinetik enerjisi de artar ve artık bu atomlar komşularına ek kinetik enerji verirler. Böylece, bölümden bölüme ısı, ateşe yerleştirilen uçtan elimize kadar çubuk boyunca yavaş yavaş yayılır. Bu, termal iletkenliktir (Şekil 1) (Resim, educationelectronicsusa.com sitesinden).

Pirinç. 1. Isı iletkenliği

Termal iletkenlik, termal hareket ve vücut parçacıklarının etkileşimi nedeniyle iç enerjinin vücudun daha fazla ısıtılmış bölgelerinden daha az ısıtılan bölgelerine aktarılmasıdır..

Farklı maddelerin termal iletkenliği farklıdır. Metaller yüksek ısı iletkenliğine sahiptir: en iyi ısı iletkenleri gümüş, bakır ve altındır. Sıvıların ısıl iletkenliği çok daha azdır. Gazlar ısıyı o kadar zayıf iletirler ki, ısı yalıtkanları olarak kabul edilirler: gaz molekülleri, aralarındaki büyük mesafeler nedeniyle birbirleriyle zayıf bir şekilde etkileşime girer. Bu nedenle, örneğin pencereler çift çerçevelidir: bir hava tabakası ısının kaçmasını önler).

Bu nedenle tuğla, pamuk yünü veya kürk gibi gözenekli cisimler zayıf ısı iletkenleridir. Gözeneklerinde hava bulunur. Tuğla evlerin en sıcak olduğu düşünülmesi boşuna değil ve soğuk havalarda insanlar kuş tüyü veya sentetik dolgulu kürk mantolar ve ceketler giyiyor.

Ancak hava ısıyı bu kadar zayıf iletiyorsa, oda neden radyatörden ısınıyor?

Bu, başka bir ısı transferi türü olan konveksiyon nedeniyle olur.

Konveksiyon

Konveksiyon, akışların dolaşımı ve maddenin karışması sonucu sıvı veya gazlarda iç enerjinin aktarılmasıdır..

Akünün yakınındaki hava ısınır ve genleşir. Bu havaya etki eden yer çekimi kuvveti aynı kalır ancak çevredeki havadan gelen kaldırma kuvveti artar, böylece ısınan hava tavana doğru yüzmeye başlar. Onun yerine soğuk hava gelir (aynı süreç, ancak çok daha büyük ölçekte, doğada sürekli olarak meydana gelir: rüzgar bu şekilde ortaya çıkar), aynı şey tekrarlanır.

Sonuç olarak, konveksiyonun bir örneği olan hava sirkülasyonu oluşturulur - ısının odadaki yayılması hava akımları tarafından gerçekleştirilir.

Sıvılarda tamamen benzer bir süreç gözlemlenebilir. Ocağa bir çaydanlık veya su kabı koyduğunuzda, su öncelikle konveksiyon nedeniyle ısıtılır (suyun ısıl iletkenliğinin katkısı çok önemsizdir).

Hava ve sıvıdaki konveksiyon akımları Şekil 2'de gösterilmektedir. 2 (fizik.arizona.edu'dan görüntüler).

Pirinç. 2. Konveksiyon

Katılarda konveksiyon yoktur: Parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetleri büyüktür, parçacıklar sabit uzaysal noktaların (kristal kafes düğümleri) yakınında salınır ve bu koşullar altında hiçbir madde akışı oluşamaz.

Bir odayı ısıtırken konveksiyon akımlarının dolaşımı için, ısıtılan havanın ortaya çıkacak yer vardı. Radyatör tavanın altına monte edilirse sirkülasyon gerçekleşmeyecek - sıcak hava tavanın altında kalacaktır. Bu nedenle ısıtma cihazları yerleştirilir. altta Odalar. Su ısıtıcısının çalıştırılmasıyla aynı nedenden dolayı Açık ateş, bunun sonucunda ısınan su katmanları, yerini daha soğuk olanlara bırakır.

Aksine, klima mümkün olduğu kadar yükseğe yerleştirilmelidir: daha sonra soğutulan hava alçalmaya başlayacak ve yerini daha sıcak hava alacaktır. Odayı ısıtırken dolaşım, akışların hareketine kıyasla ters yönde ilerleyecektir.

Termal radyasyon

Dünya Güneş'ten nasıl enerji alıyor? Isı iletimi ve taşınım hariç tutulmuştur: 150 milyon kilometrelik havasız alanla ayrılmış durumdayız.

Üçüncü tür ısı transferi burada işe yarar - termal radyasyon. Radyasyon hem madde içinde hem de boşlukta yayılabilir. Nasıl ortaya çıkıyor?

Elektrik ve manyetik alanların birbiriyle yakından ilişkili olduğu ve dikkate değer bir özelliğe sahip olduğu ortaya çıktı. Bir elektrik alanı zamanla değişirse, genel olarak konuşursak, zamanla da değişen bir manyetik alan üretir (bu, elektromanyetik indüksiyonla ilgili sayfada daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır). Buna karşılık, alternatif bir manyetik alan, alternatif bir elektrik alanı üretir, bu da yine alternatif bir manyetik alan üretir, bu da yine alternatif bir elektrik alanı üretir...

Bu sürecin gelişimi sonucunda; elektromanyetik dalga- elektrik ve manyetik alanlar birbiriyle “bağlantılıdır”. Ses gibi, elektromanyetik dalgaların da bir yayılma hızı ve bir frekansı vardır; bu durumda bu, alanların büyüklüğünün ve yönünün dalgada dalgalandığı frekanstır. Görünür ışık, elektromanyetik dalgaların özel bir durumudur.

Elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızı çok büyüktür: km/s. Yani ışık Dünya'dan Ay'a bir saniyeden biraz daha uzun bir sürede ulaşır.

Elektromanyetik dalgaların frekans aralığı çok geniştir. İlgili broşürde elektromanyetik dalgaların ölçeği hakkında daha fazla konuşacağız. Burada sadece görünür ışığın bu ölçeğin çok küçük bir aralığı olduğuna dikkat çekiyoruz. Altında kızılötesi radyasyonun frekansları, üstünde ise ultraviyole radyasyonun frekansları vardır.

Şimdi, atomların genellikle elektriksel olarak nötr olmasına rağmen pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü elektronlar içerdiğini hatırlayın. Atomlarla birlikte kaotik bir hareket gerçekleştiren bu yüklü parçacıklar, alternatif elektrik alanları oluşturarak elektromanyetik dalgalar yayarlar. Bu dalgalara denir termal radyasyon- kaynaklarının madde parçacıklarının termal hareketi olduğunu hatırlatmak için.

Termal radyasyonun kaynağı herhangi bir cisimdir. Bu durumda radyasyon, iç enerjisinin bir kısmını taşır. Başka bir cismin atomlarıyla karşılaşan radyasyon, salınımlı elektrik alanıyla onları hızlandırır ve bu cismin iç enerjisi artar. Güneş ışınlarının tadını bu şekilde çıkarıyoruz.

Normal sıcaklıklarda, termal radyasyonun frekansları kızılötesi aralıkta bulunur, bu nedenle göz onu algılamaz (nasıl "parladığımızı" görmeyiz). Bir cisim ısındığında atomları daha yüksek frekanslı dalgalar yaymaya başlar. Bir demir çivi kırmızı sıcakta ısıtılabilir - termal radyasyonunun görünür aralığın alt (kırmızı) kısmına ulaşacağı bir sıcaklığa getirilebilir. Ve Güneş bize sarı-beyaz görünüyor: Güneş'in yüzeyindeki sıcaklık o kadar yüksektir ki, radyasyon spektrumu görünür ışığın tüm frekanslarını ve hatta bronzlaşmamızı sağlayan ultraviyole bile içerir.

Üç tür ısı transferine bir kez daha bakalım (Şekil 3) (resimler beodom.com'dan).

Pirinç. 3. Üç tip ısı transferi: iletim, konveksiyon ve radyasyon

Tabanı suyla kaplı, bir tıpa ile kapatılmış kalın duvarlı bir kavanoza pompalarsanız, bir süre sonra tıpa kavanozdan dışarı fırlayacak ve kavanozda sis oluşacaktır. Mantar kavanozdan uçtu çünkü oradaki hava belli bir kuvvetle ona etki ediyordu. Fiş çıktığında hava çalışıyordu. Bir cismin enerjisi varsa iş yapabileceği bilinmektedir. Bu nedenle kavanozun içindeki havanın enerjisi vardır.

Hava iş yaptıkça sıcaklığı azaldı ve durumu değişti. Aynı zamanda havanın mekanik enerjisi değişmedi: ne hızı ne de Dünya'ya göre konumu değişti. Sonuç olarak, iş mekanik nedeniyle değil, diğer enerji nedeniyle yapıldı. Bu enerji kavanozun içindeki havanın iç enerjisidir.

İçsel enerji Bir vücut, moleküllerinin hareketinin kinetik enerjisinin ve etkileşimlerinin potansiyel enerjisinin toplamıdır. Kinetik enerji ( Ek) moleküller hareket halinde oldukları için potansiyel enerjiye sahiptirler ( Ep) etkileşime girdikçe. İç enerji harfle gösterilir sen. İç enerjinin birimi 1 joule'dür (1 J). U = Ek + En.

İç enerjiyi değiştirmenin yolları

Moleküllerin hareket hızı arttıkça vücudun sıcaklığı da artar, dolayısıyla iç enerji de artar. vücut sıcaklığına bağlıdır . Bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek, örneğin buzu suya dönüştürmek için ona enerji sağlamanız gerekir. Bu nedenle su, aynı kütledeki buzdan daha fazla iç enerjiye ve dolayısıyla iç enerjiye sahip olacaktır. vücudun fiziksel durumuna bağlıdır .

İç enerji değiştirilebilir iş yaparken . Bir kurşun parçasına çekiçle birkaç kez vurursanız, dokunarak kurşun parçasının ısınacağını bile anlayabilirsiniz. Sonuç olarak hem kendi iç enerjisi hem de çekicin iç enerjisi arttı. Bunun nedeni işin bir kurşun parçası üzerinde yapılmasıydı.

Vücudun kendisi iş yaparsa iç enerjisi azalır, üzerine iş yapılırsa iç enerjisi artar.

Bir bardak soğuk suya sıcak su dökerseniz sıcak suyun sıcaklığı düşecek, soğuk suyun sıcaklığı artacaktır. Ele alınan örnekte mekanik iş yapılmaz; cisimlerin iç enerjisi değişir. ısı transferi sıcaklığının azalmasıyla kanıtlandığı gibi.

Sıcak su molekülleri soğuk su moleküllerine göre daha fazla kinetik enerjiye sahiptir. Sıcak su molekülleri çarpışma sırasında bu enerjiyi soğuk su moleküllerine aktarır ve soğuk su moleküllerinin kinetik enerjisi artar. Sıcak su moleküllerinin kinetik enerjisi azalır.

Isı transferi iş yapmadan enerjinin vücudun bir kısmından diğerine veya bir vücuttan diğerine aktarılması sırasında vücudun iç enerjisini değiştirmenin bir yoludur.

MKT'ye göre tüm maddeler sürekli termal hareket halinde olan ve birbirleriyle etkileşime giren parçacıklardan oluşur. Dolayısıyla vücut hareketsiz olsa ve sıfır potansiyel enerjiye sahip olsa bile, vücudu oluşturan mikropartiküllerin toplam hareket ve etkileşim enerjisi olan bir enerjiye (iç enerjiye) sahiptir. İç enerji şunları içerir:

1. moleküllerin öteleme, dönme ve titreşim hareketinin kinetik enerjisi;
2. atomların ve moleküllerin etkileşiminin potansiyel enerjisi;
3. atom içi ve nükleer enerji.

Termodinamikte süreçler, moleküllerdeki atomların titreşim hareketinin uyarılmadığı sıcaklıklarda dikkate alınır. 1000 K'yi aşmayan sıcaklıklarda. Bu işlemlerde iç enerjinin yalnızca ilk iki bileşeni değişir. Bu yüzden

altında içsel enerji Termodinamikte, bir cisimdeki tüm moleküllerin ve atomların kinetik enerjisinin toplamını ve bunların etkileşiminin potansiyel enerjisini anlıyoruz.

Bir cismin iç enerjisi onun termal durumunu belirler ve bir durumdan diğerine geçiş sırasında değişir. Belirli bir durumda vücut, bu duruma geçtiği süreçten bağımsız olarak tamamen belirli bir iç enerjiye sahiptir. Bu nedenle, iç enerjiye sıklıkla denir vücut durumunun işlevi.

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)

Nerede Ben- özgürlük derecesi. Tek atomlu gazlar için (örneğin soy gazlar) Ben= 3, diatomik için - Ben = 5.

Bu formüllerden ideal bir gazın iç enerjisinin yalnızca sıcaklığa ve molekül sayısına bağlıdır ve hacim veya basınca bağlı değildir. Bu nedenle ideal bir gazın iç enerjisindeki değişiklik yalnızca sıcaklığındaki değişiklikle belirlenir ve gazın bir durumdan diğerine geçtiği sürecin doğasına bağlı değildir:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)

nerede Δ T = T 2 - T 1 .

• Gerçek gazların molekülleri birbirleriyle etkileşime girer ve bu nedenle potansiyel enerjiye sahiptir. K p, moleküller arasındaki mesafeye ve dolayısıyla gazın kapladığı hacme bağlıdır. Dolayısıyla gerçek bir gazın iç enerjisi onun sıcaklığına, hacmine ve moleküler yapısına bağlıdır.

*Formülün türetilmesi

Bir molekülün ortalama kinetik enerjisi \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

Gazdaki moleküllerin sayısı \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\)'dır.

Bu nedenle ideal bir gazın iç enerjisi

\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)

Hesaba katıldığında k⋅N bir= R evrensel gaz sabiti, elimizdeki

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - ideal bir gazın iç enerjisi.

İç enerjideki değişim

Pratik sorunları çözmek için önemli bir rol oynayan iç enerjinin kendisi değil, değişimidir Δ sen = sen 2 - sen 1. İç enerjideki değişim, enerjinin korunumu yasalarına göre hesaplanır.

Bir vücudun iç enerjisi iki şekilde değişebilir:

1. Taahhüt ederken mekanik iş. a) Bir dış kuvvet cismin deformasyonuna neden olursa, o zaman onu oluşturan parçacıklar arasındaki mesafeler değişir ve dolayısıyla parçacıkların etkileşiminin potansiyel enerjisi değişir. Elastik olmayan deformasyonlar sırasında ayrıca vücut ısısı da değişir; parçacıkların termal hareketinin kinetik enerjisi değişir. Ancak bir cisim deforme olduğunda, cismin iç enerjisindeki değişimin bir ölçüsü olan iş yapılır. b) Bir cismin başka bir cisimle esnek olmayan çarpışması sırasında iç enerjisi de değişir. Daha önce gördüğümüz gibi cisimlerin esnek olmayan çarpışması sırasında kinetik enerjileri azalır, iç enerjiye dönüşür (örneğin, örs üzerinde duran bir tele çekiçle birkaç kez vurursanız tel ısınır). Bir cismin kinetik enerjisindeki değişimin ölçüsü, kinetik enerji teoremine göre etki eden kuvvetlerin işidir. Bu çalışma aynı zamanda iç enerjideki değişikliklerin bir ölçüsü olarak da hizmet edebilir. c) Sürtünmenin etkisi altında bir cismin iç enerjisinde bir değişiklik meydana gelir, çünkü deneyimlerden bilindiği gibi sürtünmeye her zaman sürtünme cisimlerinin sıcaklığındaki bir değişiklik eşlik eder. Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş, iç enerjideki değişimin bir ölçüsü olabilir.
2. Yardımla Isı değişimi. Örneğin bir cisim bir ocağın alevine konulursa sıcaklığı değişecek, dolayısıyla iç enerjisi de değişecektir. Ancak burada herhangi bir çalışma yapılmadı çünkü ne vücudun ne de parçalarının görünür bir hareketi yoktu.

Bir sistemin iç enerjisinde iş yapılmadan meydana gelen değişime denir. Isı değişimi(ısı transferi).

Üç tür ısı transferi vardır: iletim, konveksiyon ve radyasyon.

A) Termal iletkenlik vücut parçacıklarının termal kaotik hareketinin neden olduğu, vücutlar (veya bir vücudun parçaları) arasında doğrudan temas sırasında ısı alışverişi sürecidir. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, katı bir cismin moleküllerinin titreşim genliği de o kadar büyük olur. Gazların termal iletkenliği, çarpışmaları sırasında gaz molekülleri arasındaki enerji alışverişinden kaynaklanmaktadır. Sıvılarda her iki mekanizma da çalışır. Bir maddenin ısıl iletkenliği katı halde maksimum, gaz halinde minimumdur.

B) Konveksiyon sıvı veya gazın ısıtılan akışıyla kapladıkları hacmin bazı alanlarından diğerlerine ısı transferini temsil eder.

c) Isı alışverişi radyasyon elektromanyetik dalgalar aracılığıyla uzaktan gerçekleştirilir.

İç enerjiyi değiştirmenin yollarını daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Mekanik iş

Termodinamik süreçler dikkate alınırken makro cisimlerin mekanik hareketi bir bütün olarak dikkate alınmaz. Buradaki iş kavramı vücut hacmindeki bir değişiklikle ilişkilidir, yani. Bir makro cismin parçalarının birbirine göre hareketi. Bu süreç, parçacıklar arasındaki mesafede bir değişikliğe ve ayrıca sıklıkla hareket hızlarında bir değişikliğe, dolayısıyla vücudun iç enerjisinde bir değişikliğe yol açar.

İzobarik süreç

Önce izobarik süreci ele alalım. Hareketli pistonlu bir silindirin içinde belirli bir sıcaklıkta gaz bulunsun. T 1 (Şekil 1).

Gazı yavaşça belirli bir sıcaklığa ısıtacağız. T 2. Gaz izobarik olarak genişleyecek ve piston konumundan hareket edecektir. 1 yerleştirmek 2 Δ uzaklığına ben. Gaz basınç kuvveti dış cisimler üzerinde iş yapacaktır. Çünkü P= const, ardından basınç kuvveti F = p⋅S aynı zamanda sabit. Bu nedenle bu kuvvetin işi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

nerede Δ V- gaz hacmindeki değişiklik.

• Gazın hacmi değişmezse (izokorik süreç), o zaman gazın yaptığı iş sıfırdır.

• Gaz yalnızca hacmini değiştirme sürecinde iş yapar.

Genişlerken (Δ V> 0) gaza pozitif iş yapılır ( A> 0); sıkıştırma sırasında (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (A < 0).

• Dış güçlerin çalışmalarını dikkate alırsak A " (A " = –A), sonra genişlemeyle (Δ V> 0) gaz A " < 0); при сжатии (ΔV < 0) A " > 0.

İki gaz durumu için Clapeyron-Mendeleev denklemini yazalım:

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

Bu nedenle ne zaman izobarik süreç

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

Eğer ν = 1 mol ise Δ'da Τ = 1 K bunu anlıyoruz R sayısal olarak eşit A.

Bundan şu sonuç çıkıyor evrensel gaz sabitinin fiziksel anlamı: 1 mol ideal gazın izobarik olarak 1 K kadar ısıtıldığında yaptığı işe sayısal olarak eşittir.

İzobarik bir süreç değil

Grafikte P (V) izobarik bir süreçte iş, Şekil 2, a'daki gölgeli dikdörtgenin alanına eşittir.

Eğer süreç izobarik değil(Şekil 2, b), ardından fonksiyon eğrisi P = F(V) çok sayıda izokor ve izobardan oluşan kesikli bir çizgi olarak temsil edilebilir. İzokorik bölümler üzerindeki iş sıfırdır ve tüm izobarik bölümler üzerindeki toplam iş şuna eşit olacaktır:

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\), veya \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )

onlar. eşit olacak gölgeli şeklin alanı.

Şu tarihte: izotermal süreç (T= const) yapılan iş, Şekil 2'de gösterilen taralı şeklin alanına eşittir, c.

Son formülü kullanarak işi belirlemek ancak hacmi değiştiğinde gaz basıncının nasıl değiştiği biliniyorsa mümkündür; Fonksiyonun formu biliniyor P = F(V).

Dolayısıyla, gazın hacminde aynı değişiklik olsa bile işin, gazın başlangıç ​​durumundan son durumuna geçiş yöntemine (yani sürece: izotermal, izobarik...) bağlı olacağı açıktır. durum. Bu nedenle şu sonuca varabiliriz

• Termodinamikte çalışma, durumun bir fonksiyonu değil, sürecin bir fonksiyonudur.

Isı miktarı

Bilindiği gibi çeşitli mekanik işlemler sırasında mekanik enerjide bir değişiklik meydana gelir. K. Mekanik enerjideki değişimin bir ölçüsü sisteme uygulanan kuvvetlerin işidir:

\(~\Delta W = A.\)

Isı değişimi sırasında vücudun iç enerjisinde bir değişiklik meydana gelir. Isı transferi sırasında iç enerjideki değişimin bir ölçüsü ısı miktarıdır.

Isı miktarıısı transferi sırasında iç enerjideki değişimin bir ölçüsüdür.

Dolayısıyla hem iş hem de ısı miktarı enerjideki değişimi karakterize eder, ancak iç enerjiyle aynı değildir. Sistemin durumunu (iç enerjinin yaptığı gibi) karakterize etmezler, ancak durum değiştiğinde ve sürecin doğasına önemli ölçüde bağlı olduğunda enerjinin bir türden diğerine (bir vücuttan diğerine) geçiş sürecini belirlerler.

İş ve ısı arasındaki temel fark şudur:

• iş, enerjinin bir türden diğerine (mekanikten içe) dönüşümüyle birlikte bir sistemin iç enerjisini değiştirme sürecini karakterize eder;
• ısı miktarı, enerji dönüşümleri eşlik etmeden, iç enerjinin bir vücuttan diğerine (daha fazla ısıtılmıştan daha az ısıtılmışa) aktarım sürecini karakterize eder.

Isıtma Soğutma)

Deneyimler, bir vücut kütlesini ısıtmak için gereken ısı miktarının M sıcaklıkta T 1 ila sıcaklık T 2, formülle hesaplanır

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

Nerede C- maddenin spesifik ısı kapasitesi (tablo değeri);

\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)

Özgül ısı kapasitesinin SI birimi kilogram Kelvin başına joule'dür (J/(kg K)).

Özısı C 1 kg ağırlığındaki bir cismi 1 K ısıtmak için verilmesi gereken ısı miktarına sayısal olarak eşittir.

Spesifik ısı kapasitesinin yanı sıra vücudun ısı kapasitesi gibi bir miktar da dikkate alınır.

Isı kapasitesi vücut C sayısal olarak vücut sıcaklığını 1 K değiştirmek için gereken ısı miktarına eşittir:

\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)

Bir cismin ısı kapasitesinin SI birimi Kelvin başına joule'dür (J/K).

Buharlaşma (yoğuşma)

Sabit sıcaklıkta bir sıvıyı buhara dönüştürmek için bir miktar ısı harcamak gerekir.

\(~Q = L \cdot m,\)

Nerede L- özgül buharlaşma ısısı (tablo değeri). Buhar yoğunlaştığında aynı miktarda ısı açığa çıkar.

Özgül buharlaşma ısısının SI birimi kilogram başına joule'dür (J/kg).

Erime (kristalleşme)

Ağırlığındaki kristal bir cismi eritmek için M erime noktasında vücudun ısı miktarını iletmesi gerekir

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

Nerede λ - spesifik füzyon ısısı (tablo değeri). Bir cisim kristalleştiğinde aynı miktarda ısı açığa çıkar.

Spesifik füzyon ısısının SI birimi kilogram başına joule'dür (J/kg).

Yakıt yakma

Bir yakıt kütlesinin tamamen yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarı M,

\(~Q = q \cdot m,\)

Nerede Q- özgül yanma ısısı (tablo değeri).

Özgül yanma ısısının SI birimi kilogram başına joule'dür (J/kg).

Edebiyat

Aksenovich L. A. Ortaokulda fizik: Teori. Görevler. Testler: Ders Kitabı. Genel eğitim veren kurumlar için ödenek. çevre, eğitim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 129-133, 152-161.

Fiziksel bir sistemin iç durumunun temel özelliği, içsel enerji.

İçsel enerji (sen) sistemin tüm mikro parçacıklarının (moleküller, atomlar, iyonlar vb.) kaotik (termal) hareketinin enerjisini ve bu parçacıkların etkileşiminin enerjisini, yani. tüm parçacıkların toplam dinlenme enerjisi hariç kinetik, potansiyel vb.

İç enerjinin özellikleri

1. Termodinamik denge durumunda, makroskobik cisimleri oluşturan parçacıklar, toplam enerjileri her zaman yüksek doğrulukla cismin iç enerjisine eşit olacak şekilde hareket ederler.

2. İç enerji, fiziksel sistemin durumunun bir fonksiyonudur.

3. Fiziksel bir sistemin iç enerjisi, bir durumdan diğerine geçiş yoluna bağlı değildir, yalnızca başlangıç ​​ve son durumlardaki iç enerjinin değerleri ile belirlenir: D U = U 2 -U 1.

4. İç enerji, toplanabilirlik özelliği ile karakterize edilir, yani. sisteme dahil olan cisimlerin toplam iç enerjisine eşittir.

Not: Gaz parçacıklarının öteleme serbestlik derecelerine ek olarak iç serbestlik dereceleri de vardır. Örneğin, bir gazın parçacıkları molekül ise, o zaman elektronik harekete ek olarak moleküllerin dönmesinin yanı sıra molekülleri oluşturan atomların titreşimleri de mümkündür.

Gaz parçacıklarının öteleme hareketi klasik yasalara uyar ve iç hareketleri kuantum niteliğindedir. Yalnızca belirli koşullar altında iç serbestlik dereceleri klasik olarak kabul edilebilir.

İdeal bir gazın iç enerjisini hesaplamak için enerjinin klasik serbestlik derecesine göre eşit dağılım yasası kullanılır. İdeal bir gaz durumunda, yalnızca parçacıkların öteleme hareketinin kinetik enerjisi dikkate alınır. Gaz parçacıkları ayrı atomlar ise, her birinin üç öteleme serbestlik derecesi vardır.

Bu nedenle her atomun ortalama bir kinetik enerjisi vardır:

< e k > =3 kT/2.

Bir gaz N atomdan oluşuyorsa iç enerjisi

Moleküllerin titreşimsel serbestlik dereceleri de uyarılırsa iç enerjiye katkıları

.

(1.27)

Formül (1.27), moleküllerin her titreşim hareketinin, birbirine eşit olan ortalama kinetik ve ortalama potansiyel enerjilerle karakterize edildiğini dikkate alır. Bu nedenle, enerjinin serbestlik dereceleri üzerinden eşit dağılımı yasasına göre, titreşimsel serbestlik derecesi başına ortalama olarak enerji kT vardır.

Dolayısıyla, eğer bir molekül diatomik ise, o zaman toplam serbestlik derecesi sayısıBen=6. Bunlardan üçü ilericidir (Ben hızlı =3), iki dönme (Ben sanal gerçeklik =2) ve bir salınımlı (Ben saymak =1). Titreşimsel serbestlik derecelerinin hala "donmuş" olduğu sıcaklıklarda, ideal bir gazın diatomik moleküllerinin iç enerjisi .

Titreşimsel serbestlik dereceleri "donmamışsa", o zaman ideal bir gazın diatomik moleküllerinin iç enerjisi U = U post + U vr + U coll = olur.

Böylece tek atomlu bir sistemin iç enerjisi Ideal gaz

U=N < e k > = (3/2)NkT,

(1.28)

Nerede< e k > = .

Gazın mol sayısı N=N/N A = M/M, sonra