Inafaa kuzingatia hali fulani halisi au aina fulani ya matukio kwa kutumia miundo ya viwango tofauti vya ukadiriaji. Kwa mfano, wakati wa kuelezea tabia ya gesi, mfano halisi hutumiwa - gesi bora.
Muundo wowote una vikomo vya kutumika, zaidi ya hapo unahitaji kurekebishwa au chaguo changamano zaidi kutumika. Hapa tunazingatia kisa rahisi cha kuelezea nishati ya ndani ya mfumo halisi kulingana na sifa muhimu zaidi za gesi ndani ya mipaka fulani.
gesi bora
Muundo huu halisi, kwa urahisi wa kuelezea baadhi ya michakato ya kimsingi, hurahisisha gesi halisi kama ifuatavyo:
- Hupuuza ukubwa wa molekuli za gesi. Hii ina maana kwamba kuna matukio ambayo kigezo hiki si muhimu kwa maelezo ya kutosha.
- Hupuuza mwingiliano kati ya molekuli, yaani, inakubali kwamba katika michakato ya manufaa kwake huonekana katika vipindi vya muda usio na maana na haiathiri hali ya mfumo. Katika kesi hii, mwingiliano ni katika asili ya athari ya elastic kabisa, ambayo hakuna hasara ya nishatideformation.
- Hupuuza mwingiliano wa molekuli na kuta za tanki.
- Chukulia kuwa mfumo wa "hifadhi ya gesi" una sifa ya usawa wa thermodynamic.
Muundo huu unafaa kwa kuelezea gesi halisi ikiwa shinikizo na halijoto ni ya chini kiasi.
Hali ya nishati ya mfumo wa kimwili
Mfumo wowote wa kimwili wa jumla (mwili, gesi au kioevu kwenye chombo) una, pamoja na kinetic na uwezo wake, aina moja zaidi ya nishati - ya ndani. Thamani hii hupatikana kwa muhtasari wa nguvu za mifumo yote midogo inayounda mfumo halisi - molekuli.
Kila molekuli katika gesi pia ina uwezo wake na nishati ya kinetiki. Mwisho ni kutokana na mwendo wa machafuko unaoendelea wa mafuta ya molekuli. Mwingiliano mbalimbali kati yao (mvuto wa umeme, kukataliwa) hubainishwa na nishati inayoweza kutokea.
Ni lazima ikumbukwe kwamba ikiwa hali ya nishati ya sehemu yoyote ya mfumo wa kimwili haina athari yoyote kwa hali ya macroscopic ya mfumo, basi haijazingatiwa. Kwa mfano, chini ya hali ya kawaida, nishati ya nyuklia haijidhihirisha katika mabadiliko katika hali ya kitu cha kimwili, kwa hiyo hauhitaji kuzingatiwa. Lakini katika halijoto ya juu na shinikizo, hii tayari ni muhimu.
Kwa hivyo, nishati ya ndani ya mwili huakisi asili ya msogeo na mwingiliano wa chembe zake. Hii ina maana kwamba neno hilo ni sawa na neno linalotumiwa sana "nishati ya joto".
gesi bora ya Monatomic
Gesi za Monatomiki, yaani, zile ambazo atomi zake hazijaunganishwa kuwa molekuli, zipo katika asili - hizi ni gesi ajizi. Gesi kama vile oksijeni, nitrojeni au hidrojeni zinaweza kuwepo katika hali kama hiyo tu chini ya hali wakati nishati inatumika kutoka nje ili kufanya upya hali hii kila mara, kwa kuwa atomi zake zinafanya kazi kwa kemikali na huwa na kuchanganyikana kuwa molekuli.
Hebu tuzingatie hali ya nishati ya gesi bora ya monatomiki iliyowekwa kwenye chombo cha ujazo fulani. Hii ndiyo kesi rahisi zaidi. Tunakumbuka kwamba mwingiliano wa sumakuumeme ya atomi kati yao wenyewe na kuta za chombo, na, kwa hiyo, nishati yao inayowezekana ni kidogo. Kwa hivyo nishati ya ndani ya gesi inajumuisha tu jumla ya nishati ya kinetic ya atomi zake.
Inaweza kuhesabiwa kwa kuzidisha wastani wa nishati ya kinetiki ya atomi katika gesi kwa idadi yake. Wastani wa nishati ni E=3/2 x R / NA x T, ambapo R ni gesi inayotumika wote, NA ni nambari ya Avogadro, T ni joto la gesi kabisa. Idadi ya atomi huhesabiwa kwa kuzidisha kiasi cha maada kwa Avogadro mara kwa mara. Nishati ya ndani ya gesi ya monatomiki itakuwa sawa na U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Hapa m ni molekuli na M ni molekuli ya molar ya gesi.
Chukulia kwamba utungaji wa kemikali ya gesi na uzito wake daima hubaki sawa. Katika kesi hii, kama inavyoonekana kutoka kwa formula tuliyopata, nishati ya ndani inategemea tu joto la gesi. Kwa gesi halisi, itakuwa muhimu kuzingatia, kwa kuongezahalijoto, mabadiliko ya sauti kwani huathiri uwezo wa nishati ya atomi.
gesi za molekuli
Katika fomula iliyo hapo juu, nambari 3 inabainisha idadi ya digrii za uhuru wa mwendo wa chembe ya monatomiki - inabainishwa na idadi ya viwianishi katika nafasi: x, y, z. Kwa hali ya gesi ya monatomiki, haijalishi hata kidogo ikiwa atomi zake zinazunguka.
Molekuli hazina ulinganifu, kwa hivyo, wakati wa kubainisha hali ya nishati ya gesi za molekuli, ni muhimu kuzingatia nishati ya kinetiki ya mzunguko wao. Molekuli za diatomiki, pamoja na digrii zilizoorodheshwa za uhuru zinazohusiana na mwendo wa kutafsiri, zina mbili zaidi zinazohusiana na mzunguko karibu na shoka mbili za perpendicular; molekuli za polyatomiki zina shoka tatu kama hizo huru za mzunguko. Kwa hivyo, chembe chembe za gesi za diatomiki zina sifa ya idadi ya digrii za uhuru f=5, wakati molekuli za polyatomiki zina f=6.
Kwa sababu ya kutokuwa nasibu katika mwendo wa joto, pande zote za harakati za mzunguko na za kutafsiri zinawezekana kwa usawa. Wastani wa nishati ya kinetic inayochangiwa na kila aina ya mwendo ni sawa. Kwa hivyo, tunaweza kubadilisha thamani ya f katika fomula, ambayo huturuhusu kuhesabu nishati ya ndani ya gesi bora ya muundo wowote wa molekuli: U=f / 2 x m / M x RT.
Bila shaka, tunaona kutokana na fomula kwamba thamani hii inategemea kiasi cha dutu, yaani, ni kiasi gani na ni aina gani ya gesi tuliyochukua, pamoja na muundo wa molekuli za gesi hii. Walakini, kwa kuwa tulikubaliana kutobadilisha misa na muundo wa kemikali, basi uzingatietunahitaji halijoto pekee.
Sasa hebu tuangalie jinsi thamani ya U inavyohusiana na sifa nyingine za gesi - ujazo, pamoja na shinikizo.
Nishati ya ndani na hali ya hali ya joto
Joto, kama unavyojua, ni mojawapo ya vigezo vya hali ya joto ya mfumo (katika hali hii, gesi). Katika gesi bora, inahusiana na shinikizo na kiasi na uhusiano PV=m / M x RT (kinachojulikana kama equation ya Clapeyron-Mendeleev). Joto huamua nishati ya joto. Kwa hivyo mwisho unaweza kuonyeshwa kwa suala la seti ya vigezo vingine vya serikali. Haijalishi hali ya awali, na vile vile ilivyobadilishwa.
Hebu tuone jinsi nishati ya ndani inavyobadilika wakati mfumo unapita kutoka hali moja ya joto hadi nyingine. Mabadiliko yake katika mpito wowote kama huo imedhamiriwa na tofauti kati ya maadili ya awali na ya mwisho. Ikiwa mfumo utarudi katika hali yake ya asili baada ya hali fulani ya kati, basi tofauti hii itakuwa sawa na sifuri.
Tuseme tumepasha joto gesi kwenye tanki (yaani, tumeleta nishati ya ziada kwake). Hali ya thermodynamic ya gesi imebadilika: joto lake na shinikizo limeongezeka. Utaratibu huu huenda bila kubadilisha kiasi. Nishati ya ndani ya gesi yetu imeongezeka. Baada ya hayo, gesi yetu ilitoa nishati iliyotolewa, ikipoa hadi hali yake ya awali. Sababu kama, kwa mfano, kasi ya michakato hii, haijalishi. Mabadiliko yanayotokana na nishati ya ndani ya gesi kwa kiwango chochote cha kuongeza joto na kupoeza ni sifuri.
Jambo muhimu ni kwamba thamani sawa ya nishati ya joto inaweza kulingana na si moja, lakini hali kadhaa za thermodynamic.
Hali ya mabadiliko ya nishati ya joto
Ili kubadilisha nishati, kazi lazima ifanyike. Kazi inaweza kufanywa na gesi yenyewe au kwa nguvu ya nje.
Katika kesi ya kwanza, matumizi ya nishati kwa ajili ya utendaji wa kazi ni kutokana na nishati ya ndani ya gesi. Kwa mfano, tulikuwa na gesi iliyobanwa kwenye tanki yenye bastola. Ikiwa pistoni inatolewa, gesi ya kupanua itaanza kuinua, kufanya kazi (ili iwe na manufaa, basi pistoni iondoe aina fulani ya mzigo). Nishati ya ndani ya gesi itapungua kwa kiasi kinachotumika katika kazi dhidi ya mvuto na nguvu za msuguano: U2=U1 – A. Katika hili kesi, kazi ya gesi ni chanya kwa sababu mwelekeo wa nguvu kutumika kwa pistoni ni sawa na mwelekeo wa harakati ya pistoni.
Hebu tuanze kupunguza bastola, tukifanya kazi dhidi ya nguvu ya shinikizo la gesi na tena dhidi ya nguvu za msuguano. Kwa hivyo, tutajulisha gesi ya kiasi fulani cha nishati. Hapa, kazi ya nguvu za nje tayari inachukuliwa kuwa chanya.
Mbali na kazi ya kiufundi, pia kuna njia kama hiyo ya kuchukua nishati kutoka kwa gesi au kuipa nishati, kama vile uhamishaji joto (uhamisho wa joto). Tayari tumekutana naye kwa mfano wa kupokanzwa gesi. Nishati iliyohamishwa kwa gesi wakati wa michakato ya uhamisho wa joto inaitwa kiasi cha joto. Kuna aina tatu za uhamisho wa joto: upitishaji, upitishaji, na uhamishaji wa mionzi. Hebu tuziangalie kwa karibu.
Mwengo wa joto
Uwezo wa dutu kubadilishana joto,uliofanywa na chembe zake kwa kuhamisha nishati ya kinetic kwa kila mmoja wakati wa migongano ya pamoja wakati wa mwendo wa joto - hii ni conductivity ya mafuta. Ikiwa eneo fulani la dutu linapokanzwa, ambayo ni, kiasi fulani cha joto hutolewa kwake, nishati ya ndani baada ya muda, kupitia mgongano wa atomi au molekuli, itasambazwa kati ya chembe zote kwa wastani sawasawa.
Ni wazi kwamba upitishaji wa joto hutegemea sana marudio ya migongano, na kwamba, kwa upande wake, kwa umbali wa wastani kati ya chembe. Kwa hiyo, gesi, hasa gesi bora, ina sifa ya conductivity ya chini sana ya mafuta, na mali hii mara nyingi hutumiwa kwa insulation ya mafuta.
Kati ya gesi halisi, upitishaji wa joto ni wa juu zaidi kwa wale ambao molekuli zao ni nyepesi zaidi na wakati huo huo polyatomic. Hidrojeni ya molekuli hukutana na hali hii kwa kiwango kikubwa zaidi, na radoni, kama gesi ya monatomiki nzito zaidi, kwa kiwango kidogo zaidi. Kadiri gesi inavyopungua ndivyo kondakta joto inavyozidi kuwa mbaya zaidi.
Kwa ujumla, uhamishaji wa nishati kupitia upitishaji joto kwa gesi bora ni mchakato usiofaa sana.
Convection
Ufanisi zaidi kwa gesi ni aina hii ya uhamishaji joto, kama vile upitishaji joto, ambapo nishati ya ndani inasambazwa kupitia mtiririko wa jambo linalozunguka katika uwanja wa mvuto. Mtiririko wa juu wa gesi ya moto huundwa kwa sababu ya nguvu ya Archimedean, kwani ni mnene kidogo kwa sababu ya upanuzi wa joto. Gesi ya moto inayohamia juu inabadilishwa mara kwa mara na gesi baridi - mzunguko wa mtiririko wa gesi umeanzishwa. Kwa hiyo, ili kuhakikisha ufanisi, yaani, inapokanzwa kwa kasi zaidi kwa njia ya convection, ni muhimu kuwasha tanki ya gesi kutoka chini - kama tu kettle yenye maji.
Ikiwa ni muhimu kuchukua kiasi fulani cha joto kutoka kwa gesi, basi ni bora zaidi kuweka jokofu juu, kwani gesi ambayo ilitoa nishati kwenye jokofu itashuka chini chini ya ushawishi wa mvuto..
Mfano wa upitishaji katika gesi ni upashaji joto wa hewa ya ndani kwa kutumia mifumo ya joto (huwekwa ndani ya chumba kwa kiwango cha chini iwezekanavyo) au kupoeza kwa kutumia kiyoyozi, na katika hali ya asili, hali ya upitishaji wa joto husababisha. harakati za hewa na huathiri hali ya hewa na hali ya hewa.
Kwa kukosekana kwa mvuto (pamoja na kutokuwa na uzito katika chombo cha anga), upitishaji, yaani, mzunguko wa mikondo ya hewa, haujaanzishwa. Kwa hivyo haina maana kuwasha vichomaji gesi au viberiti kwenye chombo cha anga za juu: bidhaa za mwako moto hazitamwagwa juu, na oksijeni itatolewa kwenye chanzo cha moto, na mwali utazima.
Uhamisho mkali
Dutu pia inaweza kupata joto chini ya hatua ya mionzi ya joto, wakati atomi na molekuli hupata nishati kwa kunyonya quanta ya kielektroniki - fotoni. Katika masafa ya chini ya photon, mchakato huu haufanyi kazi sana. Kumbuka kwamba tunapofungua tanuri ya microwave, tunapata chakula cha moto ndani, lakini si hewa ya moto. Kwa kuongezeka kwa mzunguko wa mionzi, athari za kupokanzwa kwa mionzi huongezeka, kwa mfano, katika anga ya juu ya Dunia, gesi ambayo haipatikani sana huwashwa sana nailiyoangaziwa na mionzi ya jua ya jua.
Gesi tofauti hufyonza mionzi ya joto kwa viwango tofauti. Kwa hivyo, maji, methane, dioksidi kaboni huchukua kwa nguvu kabisa. Hali ya athari ya chafu inatokana na mali hii.
Sheria ya kwanza ya thermodynamics
Kwa ujumla, mabadiliko ya nishati ya ndani kupitia inapokanzwa gesi (uhamishaji joto) pia huja kwa kufanya kazi kwenye molekuli za gesi au juu yao kupitia nguvu ya nje (ambayo inaonyeshwa kwa njia sawa, lakini kinyume chake. ishara). Ni kazi gani inafanywa kwa njia hii ya mpito kutoka jimbo moja hadi jingine? Sheria ya uhifadhi wa nishati itatusaidia kujibu swali hili, kwa usahihi zaidi, concretization yake kuhusiana na tabia ya mifumo ya thermodynamics - sheria ya kwanza ya thermodynamics.
Sheria, au kanuni ya kiulimwengu ya uhifadhi wa nishati, katika umbo lake la jumla zaidi inasema kwamba nishati haizaliwi kutoka kwa chochote na haipotei bila athari, lakini hupita tu kutoka kwa fomu moja hadi nyingine. Kuhusiana na mfumo wa thermodynamic, hii inapaswa kueleweka kwa namna ambayo kazi iliyofanywa na mfumo inaonyeshwa kwa suala la tofauti kati ya kiasi cha joto kinachotolewa kwa mfumo (gesi bora) na mabadiliko katika nishati yake ya ndani. Kwa maneno mengine, kiasi cha joto kinachowasilishwa kwa gesi kinatumika kwa mabadiliko haya na uendeshaji wa mfumo.
Hii imeandikwa katika mfumo wa fomula rahisi zaidi: dA=dQ – dU, na ipasavyo, dQ=dU + dA.
Tayari tunajua kwamba idadi hii haitegemei jinsi mpito kati ya majimbo hufanywa. Kasi ya mpito huu na, matokeo yake, ufanisi unategemea mbinu.
Kama ya pilimwanzo wa thermodynamics, basi huweka mwelekeo wa mabadiliko: joto haliwezi kuhamishwa kutoka kwa baridi (na kwa hiyo chini ya nishati) gesi hadi moja ya moto bila pembejeo ya ziada ya nishati kutoka nje. Sheria ya pili pia inaonyesha kuwa sehemu ya nishati inayotumiwa na mfumo kufanya kazi bila kuepukika hupotea, inapotea (haipotei, lakini inageuka kuwa fomu isiyoweza kutumika).
Michakato ya halijoto
Mipito kati ya hali ya nishati ya gesi bora inaweza kuwa na mifumo tofauti ya mabadiliko katika moja au nyingine ya vigezo vyake. Nishati ya ndani katika michakato ya mabadiliko ya aina tofauti pia itakuwa tofauti. Hebu tuzingatie kwa ufupi aina kadhaa za michakato kama hii.
- Mchakato wa isochoric unaendelea bila mabadiliko ya sauti, kwa hivyo, gesi haifanyi kazi. Nishati ya ndani ya gesi hubadilika kama kitendakazi cha tofauti kati ya halijoto ya mwisho na ya awali.
- Mchakato wa isobari hutokea kwa shinikizo la mara kwa mara. Gesi hufanya kazi, na nishati yake ya joto huhesabiwa kwa njia sawa na katika kesi ya awali.
- Mchakato wa isothermal una sifa ya halijoto isiyobadilika, na hivyo basi, nishati ya joto haibadiliki. Kiasi cha joto kinachopokelewa na gesi kinatumika kikamilifu kufanya kazi.
- Mchakato wa adiabatic, au adiabatic hufanyika katika gesi bila uhamishaji wa joto, kwenye tanki iliyopitisha joto. Kazi inafanywa tu kwa gharama ya nishati ya joto: dA=- dU. Kwa ukandamizaji wa adiabatic, nishati ya joto huongezeka, na upanuzi, kwa mtiririko huoinapungua.
Taratibu mbalimbali za isoprosesa huzingatia utendakazi wa injini za joto. Kwa hivyo, mchakato wa isochoric unafanyika katika injini ya petroli kwenye nafasi kali za pistoni kwenye silinda, na viboko vya pili na vya tatu vya injini ni mifano ya mchakato wa adiabatic. Wakati wa kupata gesi zenye maji, upanuzi wa adiabatic una jukumu muhimu - shukrani kwa hilo, condensation ya gesi inakuwa iwezekanavyo. Isoprocesses katika gesi, katika utafiti ambao mtu hawezi kufanya bila dhana ya nishati ya ndani ya gesi bora, ni tabia ya matukio mengi ya asili na hutumiwa katika matawi mbalimbali ya teknolojia.
