Enerji, maddenin çeşitli hareket biçimlerinin genel bir ölçüsüdür. Maddenin hareket biçimlerine göre enerji türleri de ayırt edilir - mekanik, elektrik, kimyasal vb. Herhangi bir durumdaki herhangi bir termodinamik sistem, varlığı R. Clausius (1850) tarafından kanıtlanmış ve iç enerji olarak adlandırılan belirli bir miktarda enerjiye sahiptir.

İçsel enerji (U), sistemi oluşturan mikropartiküllerin her türlü hareketinin enerjisi ve birbirleriyle etkileşimlerinin enerjisidir.

İç enerji, parçacıkların öteleme, dönme ve titreşim hareketinin enerjisinden, moleküller arası ve molekül içi, atom içi ve çekirdek içi etkileşimlerin enerjisinden vb. oluşur.

Molekül içi etkileşimin enerjisi, yani. Bir moleküldeki atomların etkileşim enerjisi, genellikle denir kimyasal enerji . Kimyasal dönüşümler sırasında bu enerjide bir değişiklik meydana gelir.

Termodinamik analiz için iç enerjinin maddenin hangi hareket biçiminden oluştuğunu bilmeye gerek yoktur.

İç enerji miktarı yalnızca sistemin durumuna bağlıdır. Sonuç olarak, basınç, sıcaklık gibi büyüklüklerin yanı sıra iç enerji de bu durumun özelliklerinden biri olarak düşünülebilir.

Sistemin her durumu, özelliklerinin her birinin kesin olarak tanımlanmış bir değerine karşılık gelir.

Başlangıç ​​​​durumunda homojen bir sistemin hacmi V 1, basıncı P 1, sıcaklığı T 1, iç enerjisi U 1, elektriksel iletkenliği æ 1 vb. varsa ve son durumda bu özellikler sırasıyla V 2, P 2'ye eşittir. , T 2, U 2, æ 2 vb. ise sistem bir durumdan diğerine hangi yoldan geçerse geçsin, sistemin başlangıç ​​durumundan son durumuna geçişi sırasında her bir özellikteki değişiklik aynı olacaktır. : birinci, ikinci veya üçüncü (Şekil 1.4).

Pirinç. 1.4 Sistem özelliklerinin geçiş yolundan bağımsızlığı

normal durumdan diğerine

Onlar. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1,4)

I, II, III vb. sayılar nerede? süreç yollarını belirtin. Sonuç olarak, eğer sistem başlangıç ​​​​durumundan (1) son duruma (2) bir yol boyunca ve başlangıçtaki son durumdan - başka bir yol boyunca hareket ederse, yani. Döngüsel bir süreç (döngü) tamamlanırsa sistemin her bir özelliğindeki değişim sıfıra eşit olacaktır.

Dolayısıyla sistem durum fonksiyonundaki değişiklik süreç yoluna bağlı olmayıp yalnızca sistemin başlangıç ​​ve son durumlarına bağlıdır. Bir sistemin özelliklerindeki sonsuz küçük bir değişiklik genellikle diferansiyel işareti d ile gösterilir. Örneğin dU, iç enerjideki vb. sonsuz küçük bir değişikliktir.

Enerji alışverişi biçimleri

Maddenin farklı hareket biçimlerine ve farklı enerji türlerine uygun olarak, farklı enerji alışverişi biçimleri (enerji aktarımı) - etkileşim biçimleri vardır. Termodinamik, bir sistem ile çevresi arasındaki enerji alışverişinin iki biçimini ele alır. Bu iş ve sıcaklık.

İş. Enerji alışverişinin en belirgin biçimi, maddenin mekanik hareketinin biçimine karşılık gelen mekanik iştir. Vücut mekanik kuvvetin etkisi altında hareket ettiğinde üretilir. Maddenin diğer hareket biçimlerine uygun olarak diğer iş türleri de ayırt edilir: elektrik, kimyasal vb. İş, düzenli, organize hareketin bir aktarım biçimidir, çünkü iş yapıldığında vücudun parçacıkları düzenli bir şekilde tek yönde hareket eder. Örneğin gazın genleşmesi sırasında yapılan iş. Pistonun altındaki silindirde bulunan gazın molekülleri kaotik, düzensiz bir hareket halindedir. Gaz, pistonu hareket ettirmeye başladığında, yani mekanik iş gerçekleştirmek için, gaz moleküllerinin rastgele hareketine organize hareket uygulanacaktır: tüm moleküller, pistonun hareket yönünde bir miktar yer değiştirme alır. Elektriksel çalışma aynı zamanda yüklü madde parçacıklarının belirli bir yönde organize hareketi ile de ilişkilidir.

İş, aktarılan enerjinin bir ölçüsü olduğundan, miktarı enerjiyle aynı birimlerle ölçülür.

Sıcaklık. Sistemi oluşturan mikropartiküllerin kaotik hareketine karşılık gelen enerji alışverişi şekline denir Isı değişimi ve ısı alışverişi sırasında aktarılan enerji miktarına denir sıcaklık.

Isı transferi, termodinamik bir sistemi oluşturan cisimlerin pozisyonundaki bir değişiklikle ilişkili değildir ve enerjinin, temasları üzerine bir vücudun moleküllerinden diğerinin moleküllerine doğrudan aktarılmasından oluşur.

P Isı ileten bir AB bölmesi ile iki parçaya bölünmüş yalıtımlı bir kap (sistem) hayal edelim (Şekil 1.5). Kabın her iki tarafında da gaz olduğunu varsayalım.

Pirinç. 1.5. Isı kavramına

Kabın sol yarısında gaz sıcaklığı T1, sağ yarısında ise T2'dir. Eğer T 1 > T 2 ise ortalama kinetik enerji ( ) Kabın sol tarafındaki gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi daha büyük olacaktır ( ) geminin sağ yarısında.

Moleküllerin damarın sol yarısındaki bölme ile sürekli çarpışması sonucunda enerjilerinin bir kısmı bölmenin moleküllerine aktarılır. Kabın sağ yarısında bulunan ve bölmeyle çarpışan gazın molekülleri, enerjinin bir kısmını moleküllerinden alacaktır.

Bu çarpışmalar sonucunda kabın sol yarısındaki moleküllerin kinetik enerjisi azalacak, sağ yarısında ise artacaktır; T 1 ve T 2 sıcaklıkları eşitlenecektir.

Isı bir enerji türü olduğundan miktarı enerjiyle aynı birimlerle ölçülür. Dolayısıyla, ısı alışverişi ve iş, enerji alışverişinin biçimleridir ve ısı miktarı ve iş miktarı, aktarılan enerjinin ölçüsüdür. Aralarındaki fark, ısının, parçacıkların mikrofiziksel, düzensiz hareketinin (ve buna bağlı olarak bu hareketin enerjisinin) bir aktarım biçimi olması ve işin, maddenin düzenli, organize hareketinin enerjisinin bir aktarım biçimi olmasıdır.

Bazen derler ki: Sisteme ısı (veya iş) verilir veya sistemden çıkarılır, ancak sağlanan veya uzaklaştırılanın ısı ve iş değil, enerji olduğu anlaşılmalıdır, bu nedenle “ısı rezervi” gibi ifadeler kullanılmamalıdır. veya “içerdiği ısı”.

Bir sistemin çevre ile enerji alışverişi biçimleri (etkileşim biçimleri), ısı ve iş, sistemin herhangi bir belirli durumuyla ilişkilendirilemez, özellikleri olamaz ve dolayısıyla durumunun işlevleri olamaz. Bu, eğer sistem başlangıç ​​​​durumundan (1) son duruma (2) farklı şekillerde geçerse, o zaman ısı ve işin farklı geçiş yolları için farklı değerlere sahip olacağı anlamına gelir (Şekil 1.6).

Sonlu miktardaki ısı ve iş sırasıyla Q ve A ile, sonsuz küçük değerler ise δQ ve δA ile gösterilir. δQ ve δA miktarları, dU'dan farklı olarak tam bir diferansiyel değildir çünkü Q ve A durum fonksiyonları değildir.

Sürecin yolu önceden belirlendiğinde, iş ve ısı, sistemin durumunun işlevlerinin özelliklerini kazanacaktır; sayısal değerleri yalnızca sistemin başlangıç ​​ve son durumları tarafından belirlenecektir.

Herhangi bir cismin (veya sistemin) mekanik enerjinin yanı sıra iç enerjisi de vardır. İç enerji dinlenme enerjisidir. Vücudu oluşturan moleküllerin termal kaotik hareketinden, karşılıklı düzenlemelerinin potansiyel enerjisinden, atomlardaki elektronların kinetik ve potansiyel enerjisinden, çekirdeklerdeki nükleonlardan vb. oluşur.

Termodinamikte iç enerjinin mutlak değerini değil değişimini bilmek önemlidir.

Termodinamik süreçlerde yalnızca hareket eden moleküllerin kinetik enerjisi değişir (termal enerji bir atomun, hele bir çekirdeğin yapısını değiştirmek için yeterli değildir). Bu nedenle aslında iç enerji altında termodinamikte enerjiyi kastediyoruz termal kaotik Moleküler hareketler.

İçsel enerji senİdeal bir gazın bir molü şuna eşittir:

Böylece, iç enerji yalnızca sıcaklığa bağlıdır. İç enerji U sistemin durumunun bir fonksiyonudur, arka plandan bağımsız olarak.

Genel durumda bir termodinamik sistemin hem iç hem de mekanik enerjiye sahip olabileceği ve farklı sistemlerin bu tür enerji alışverişinde bulunabileceği açıktır.

Değişme mekanik enerji mükemmel ile karakterize iş A, ve iç enerji değişimi – Aktarılan ısı miktarı Q.

Örneğin kışın kara sıcak bir taş attınız. Potansiyel enerji rezervi nedeniyle karı sıkıştırmak için mekanik çalışma yapıldı ve iç enerji rezervi nedeniyle kar eritildi. Taş soğuksa, yani. Taşın sıcaklığı ortamın sıcaklığına eşitse, o zaman sadece iş yapılacak, ancak iç enerji alışverişi olmayacaktır.

Yani iş ve ısı özel enerji türleri değildir. Isı rezervi veya iş hakkında konuşamayız. Bu aktarılan ölçü başka bir mekanik veya iç enerji sistemi. Bu enerjilerin rezervinden bahsedebiliriz. Ayrıca mekanik enerji termal enerjiye dönüştürülebilir veya bunun tersi de mümkündür. Örneğin, bir örse çekiçle vurursanız, bir süre sonra çekiç ve örs ısınır (bu bir örnektir) dağılma enerji).

Bir enerji formunun diğerine dönüşmesine daha birçok örnek verebiliriz.

Deneyimler gösteriyor ki, her durumda, Mekanik enerjinin termal enerjiye ve bunun tersinin dönüşümü her zaman tam olarak eşdeğer miktarlarda gerçekleşir. Bu, enerjinin korunumu yasasından çıkan termodinamiğin birinci yasasının özüdür.

Vücuda verilen ısı miktarı iç enerjiyi artırmaya ve vücut üzerinde iş yapmaya gider:

,

(4.1.1)

- İşte bu termodinamiğin birinci yasası , veya Termodinamikte enerjinin korunumu kanunu.

İmza kuralı: ortamdan ısı aktarılıyorsa bu sistem, ve eğer sistem çevredeki cisimler üzerinde iş yapıyorsa, bu durumda . İşaret kuralı dikkate alındığında termodinamiğin birinci yasası şu şekilde yazılabilir:

Bu ifadede sen– sistem durumu işlevi; D sen toplam diferansiyeli ve δ Q ve delta A onlar değil. Her durumda, sistem belirli ve yalnızca bu iç enerji değerine sahiptir, bu nedenle şunu yazabiliriz:

,

Isıya dikkat etmek önemlidir Q ve iş A 1. durumdan 2. duruma geçişin nasıl gerçekleştiğine (izokorik, adyabatik, vb.) ve iç enerjiye bağlıdır. sen bağlı değildir. Aynı zamanda sistemin belirli bir durum için belirli bir ısı ve iş değerine sahip olduğu söylenemez.

Formül (4.1.2)'den, ısı miktarının iş ve enerji ile aynı birimlerle ifade edildiği anlaşılmaktadır; joule (J) cinsinden.

Termodinamikte özellikle önemli olan, bir sistemin bir dizi durumdan geçtikten sonra orijinal durumuna döndüğü dairesel veya döngüsel süreçlerdir. Şekil 4.1 döngüsel süreci göstermektedir 1– A–2–B–1, A işi yapılırken.

Pirinç. 4.1

Çünkü sen bir durum fonksiyonudur, o halde

(4.1.3)

Bu herhangi bir durum fonksiyonu için geçerlidir.

O zaman termodinamiğin birinci yasasına göre, yani. Periyodik olarak çalışan ve dışarıdan kendisine verilen enerji miktarından daha fazla iş yapabilecek bir motor yapmak imkansızdır. Başka bir deyişle, birinci türden bir sürekli hareket makinesi imkansızdır. Bu termodinamiğin birinci yasasının formülasyonlarından biridir.

Termodinamiğin birinci yasasının, eksikliklerinden biri olan durum değişim süreçlerinin hangi yönde meydana geldiğini göstermediğine dikkat edilmelidir.

Herhangi bir cismin veya nesnenin enerjisi vardır. Örneğin uçan bir uçağın veya düşen bir topun mekanik enerjisi vardır. Dış cisimlerle etkileşime bağlı olarak iki tür mekanik enerji ayırt edilir: kinetik ve potansiyel. Uzayda öyle ya da böyle hareket eden tüm nesnelerin kinetik enerjisi vardır. Bu bir uçak, bir kuş, kaleye uçan bir top, hareket eden bir araba vb. İkinci tür mekanik enerji potansiyeldir. Bu enerji, örneğin yer yüzeyinin üzerinde yükseltilmiş bir taş veya top, sıkıştırılmış bir yay vb. tarafından sağlanır. Bu durumda cismin kinetik enerjisi potansiyel enerjiye dönüşebilir ve bunun tersi de geçerlidir.

Uçaklar, helikopterler ve hava gemileri kinetik enerjiye sahiptir

Sıkıştırılmış yayın potansiyel enerjisi vardır

Bir örneğe bakalım. Antrenör topu alır ve elinde tutar. Topun potansiyel enerjisi vardır. Bir antrenör topu yere attığında, top uçarken kinetik enerjiye sahiptir. Top zıpladıktan sonra top sahaya düşene kadar enerji de akar. Bu durumda kinetik ve potansiyel enerjiler sıfırdır. Ancak alanla etkileşim nedeniyle topun moleküllerin iç enerjisi arttı.

Ancak vücudun moleküllerinin, örneğin aynı topun iç enerjisi de vardır. Onu hareket ettirdiğimizde veya kaldırdığımızda iç enerji değişmez. İç enerji, mekanik etkiye veya harekete bağlı değildir; yalnızca sıcaklığa, toplanma durumuna ve diğer özelliklere bağlıdır.

Her cisim birçok molekül içerir; hem kinetik hareket enerjisine hem de potansiyel etkileşim enerjisine sahip olabilirler. burada içsel enerji vücuttaki tüm moleküllerin enerjilerinin toplamıdır.

Vücudun iç enerjisi nasıl değiştirilir?

İç enerji, vücuttaki moleküllerin hareket hızına bağlıdır. Ne kadar hızlı hareket ederlerse vücudun enerjisi de o kadar yüksek olur. Bu genellikle vücut ısındığında meydana gelir. Eğer onu soğutursak, ters süreç meydana gelir - iç enerji azalır.

Bir tavayı ateşle (soba) ısıtırsak, bu nesne üzerinde çalışırız ve buna göre onun iç enerjisini değiştiririz.

İç enerji iki ana yolla değiştirilebilir.Vücut üzerinde çalışma yapmak,iç enerjisini arttırırız ve bunun tersi de geçerlidir, eğer vücut çalışırsa iç enerjisi azalır. İç enerjiyi değiştirmenin ikinci yoluısı transfer süreci.İkinci seçenekte vücut üzerinde herhangi bir çalışma yapılmadığını lütfen unutmayın. Örneğin sıcak bir radyatörün yanında duran sandalye kışın ısınır. Isı transferi her zaman sıcaklığı daha yüksek olan cisimlerden sıcaklığı daha düşük olan cisimlere doğru gerçekleşir.

Böylece kışın hava akülerden ısıtılır. Evde yapılabilecek küçük bir deney yapalım. Bir bardak sıcak su alın ve soğuk suyla dolu bir kaseye veya kaba koyun. Bir süre sonra her iki kaptaki suyun sıcaklığı aynı olacaktır. Bu, ısı transferi sürecidir, yani iş yapmadan iç enerjinin değişmesidir. Isı transferinin üç yöntemi vardır:

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 eder.

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 değerlendirilebilir.

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 ideal bir gazın iç enerjisi

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

(1.28)

Nerede< e k > = .

Gazın mol sayısı N=N/N A = M/M, sonra

İÇ ENERJİ, sistemin termodinamik parametrelerinin (örneğin hacim V ve sıcaklık T) bir fonksiyonu U olup, değişimi adyabatik izolasyon koşulu altında homojen bir sistem tarafından gerçekleştirilen iş tarafından belirlenir. “İç enerji” kavramı 1851 yılında W. Thomson (Lord Kelvin) tarafından ortaya atılmıştır. U(V,T) fonksiyonunun varlığı, termodinamiğin birinci yasasının - ısı transferinin meydana geldiği süreçlere uygulanan enerjinin korunumu yasasının - bir sonucudur. İç enerjinin artışı ΔU = ΔQ-A, burada ΔQ sisteme verilen ısı miktarıdır, A = pΔV sistem tarafından yapılan iştir, p basınçtır. Enerjinin korunumu yasasına göre iç enerji, fiziksel bir sistemin durumunun benzersiz bir fonksiyonudur; yani bu durumu belirleyen sıcaklık ve hacim gibi bağımsız değişkenlerin benzersiz bir fonksiyonudur. İç enerjinin benzersizliği, ΔQ ve A, sistemi U 1'li bir durumdan U 2'li bir duruma aktaran sürecin doğasına bağlı olmasına rağmen, ΔU artışının yalnızca ​​başlangıç ​​ve son hallerdeki iç enerjinin miktarı: ΔU = U 1 - U 2. Bu nedenle dairesel bir süreç için iç enerjideki toplam değişim sıfırdır ve ΔQ=A'dır. Adyabatik bir süreçte (ΔQ = 0), iç enerjideki değişim, sistemin sonsuz derecede yavaş, yarı statik bir süreç sırasında yaptığı işe eşittir.

Genel olarak iç enerji, sıcaklık da dahil olmak üzere dış ve iç termodinamik parametrelerin bir fonksiyonudur. Termodinamik parametre olarak sıcaklık yerine entropi S'yi seçebilirsiniz.Termodinamiğin ikinci yasasına göre ΔQ = ТΔS, sonra ΔU = ТΔS -рΔV. Entropi ve hacmin bir fonksiyonu olarak iç enerji U(S,V), termodinamiğin potansiyellerinden biridir (karakteristik fonksiyon), çünkü sistemin tüm termodinamik özelliklerini belirler. Sistem n bileşenden oluşuyorsa, U (S ve V hariç) bileşenlerdeki N i parçacıklarının sayısına bağlıdır, i = 1, 2,..., n. Bileşenlerin sabit entropi, hacim ve kütlelerindeki minimum U, çok fazlı ve çok bileşenli sistemlerin kararlı dengesini belirler.

İç enerjinin moleküler kinetik teorisi açısından bakıldığında, sistemdeki tüm parçacıkların ortalama mekanik enerjisi (kinetik enerji ve etkileşim enerjisi) anlamlıdır. Bir elektromanyetik alan termodinamik bir sisteme girerse, enerjisi de iç enerjiye dahil edilir. Vücudun bir bütün olarak hareketinin kinetik enerjisi iç enerjiye dahil değildir.

Klasik istatistiklere göre ideal bir gaz için iç enerji yalnızca sıcaklığa bağlıdır: U = CVT, burada CV sabit hacimdeki ısı kapasitesidir. İdeal olmayan bir gaz ve sıvı için iç enerji aynı zamanda spesifik hacim v = V/N'ye de bağlıdır; burada N, parçacık sayısıdır. Örneğin van der Waals denklemine uyan bir gaz için iç enerji U = CVT - a/v formundadır; burada a, moleküllerin karşılıklı çekimini hesaba katan bir sabittir.

Aydınlatılmış. Sanat'a bakın. Termodinamik.