موشکی را در حال بلند شدن می بینید. این کار را انجام می دهد - فضانوردان و محموله ها را بلند می کند. انرژی جنبشی موشک افزایش می یابداز آنجایی که موشک با بالا آمدن سرعت افزایش می یابد. انرژی پتانسیل موشک نیز افزایش می یابد،همانطور که از زمین بالاتر و بالاتر می رود. بنابراین مجموع این انرژی ها یعنی انرژی مکانیکی موشک نیز افزایش می یابد.

ما به یاد داریم که وقتی یک بدن کار می کند، انرژی آن کاهش می یابد. با این حال، موشک کار می کند، اما انرژی آن کاهش نمی یابد، بلکه افزایش می یابد! راه حل تناقض چیست؟ معلوم می شود که علاوه بر انرژی مکانیکی، نوع دیگری از انرژی وجود دارد - انرژی درونی.موشک با کاهش انرژی داخلی سوخت سوزانده شده، کارهای مکانیکی انجام می دهد و علاوه بر آن، انرژی مکانیکی خود را افزایش می دهد.

نه فقط قابل اشتعال، اما همچنین داغاجسام دارای انرژی درونی هستند که به راحتی می توانند به کار مکانیکی تبدیل شوند. بیایید یک آزمایش انجام دهیم. یک وزنه را در آب جوش گرم کنید و آن را روی یک جعبه حلبی که به فشار سنج متصل است قرار دهید. با گرم شدن هوا در جعبه، مایع موجود در فشارسنج شروع به حرکت می کند (شکل را ببینید).

منبسط شدن هوا روی مایع کار می کند. با توجه به چه انرژی این اتفاق می افتد؟ البته به دلیل انرژی درونی وزنه. بنابراین در این آزمایش مشاهده می کنیم تبدیل انرژی درونی بدن به کار مکانیکی.توجه داشته باشید که انرژی مکانیکی وزن در این آزمایش تغییر نمی کند - همیشه برابر با صفر است.

بنابراین، انرژی درونی- این انرژی یک جسم است که به دلیل آن می توان کار مکانیکی را بدون کاهش انرژی مکانیکی این جسم انجام داد.

انرژی درونی هر جسم به دلایل زیادی بستگی دارد: نوع و حالت ماده آن، جرم و دمای بدن و موارد دیگر. همه اجسام دارای انرژی درونی هستند: بزرگ و کوچک، گرم و سرد، جامد، مایع و گاز.

انرژی درونی فقط، به بیان مجازی، مواد و اجسام داغ و قابل احتراق می تواند به راحتی برای نیازهای انسان استفاده شود. اینها نفت، گاز، زغال سنگ، چشمه های زمین گرمایی در نزدیکی آتشفشان ها و غیره هستند. علاوه بر این، در قرن بیستم، انسان یاد گرفت که از انرژی درونی مواد به اصطلاح رادیواکتیو استفاده کند. اینها به عنوان مثال اورانیوم، پلوتونیوم و دیگران هستند.

به سمت راست نمودار نگاهی بیندازید. در ادبیات عامیانه، اغلب از انرژی های حرارتی، شیمیایی، الکتریکی، اتمی (هسته ای) و دیگر انواع انرژی نام برده می شود. همه آنها، به عنوان یک قاعده، انواع انرژی داخلی هستند، زیرا به دلیل آنها می توان کار مکانیکی را بدون از دست دادن انرژی مکانیکی انجام داد. ما مفهوم انرژی درونی را با جزئیات بیشتری در مطالعه بیشتر خود در مورد فیزیک در نظر خواهیم گرفت.

انرژی درونی

از دیدگاه نظریه سینتیک مولکولی انرژی درونی(J) مجموع انرژی پتانسیل تعامل بین ذرات تشکیل دهنده بدن و انرژی جنبشی حرکت حرارتی تصادفی آنها است. انرژی جنبشی حرکت تصادفی ذرات با دمای T متناسب است، انرژی پتانسیل برهمکنش به فاصله بین ذرات بستگی دارد، یعنی. از حجم V بدنه. بنابراین، در ترمودینامیک، انرژی داخلی U یک جسم تابعی از دمای T و حجم V تعیین می شود.

در طی هر فرآیندی در یک سیستم ترمودینامیکی ایزوله، انرژی داخلی بدون تغییر باقی می ماند: یا.

انرژی داخلی توسط حالت ترمودینامیکی سیستم تعیین می شود و بستگی به نحوه قرار گرفتن سیستم در این حالت ندارد. در نتیجه، انرژی داخلی با روند تغییرات در وضعیت سیستم مرتبط نیست. در دو یا چند حالت یکسان یک سیستم، انرژی درونی آن یکسان است.

مورد توجه عملی خود انرژی داخلی نیست، بلکه تغییر آن در طول انتقال یک سیستم از یک حالت به حالت دیگر است. اگر انرژی پتانسیل برهمکنش بین مولکول ها صفر باشد، انرژی درونی یک گاز ایده آل برابر است با مجموع انرژی های جنبشی همه مولکول های آن. انرژی داخلی یک گاز ایده آل با دمای مطلق آن نسبت مستقیم دارد. در نتیجه، هنگامی که دمای یک گاز ایده آل تغییر می کند، انرژی داخلی آن لزوما تغییر می کند.

که در آن R ثابت گاز جهانی، M جرم مولی، T دمای مطلق، m جرم و تعداد مولکول ها است.

وابستگی انرژی داخلی به پارامترهای ماکروسکوپی

انرژی داخلی یک گاز ایده آل به یک پارامتر بستگی دارد - دما. انرژی داخلی یک گاز ایده آل به حجم بستگی ندارد زیرا انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول های آن برابر با صفر در نظر گرفته می شود.

در گازها، مایعات و جامدات واقعی، میانگین انرژی پتانسیل برهمکنش بین مولکول ها صفر نیست. میانگین انرژی پتانسیل تعامل بین مولکول ها به حجم ماده بستگی دارد، زیرا وقتی حجم تغییر می کند، فاصله متوسط ​​بین مولکول ها تغییر می کند. در نتیجه، انرژی داخلی، در ترمودینامیک در حالت کلی، همراه با دمای T، به حجم V نیز بستگی دارد.

انرژی داخلی U اجسام ماکروسکوپی به طور منحصر به فردی توسط پارامترهای مشخص کننده وضعیت این اجسام تعیین می شود: دما و حجم.

کار در ترمودینامیک

انرژی داخلی را می توان به دو صورت تغییر داد: با انجام کار، زمانی که انرژی داخلی به مقداری برابر با کار نیروهای خارجی A تغییر می کند، و با انتقال حرارت، که در آن تغییر انرژی داخلی با مقدار گرما Q مشخص می شود. .

وقتی کار انجام می شود، حجم بدنه تغییر می کند، اما سرعت آن برابر با صفر باقی می ماند. اما سرعت مولکول های یک جسم، مثلاً گاز، تغییر می کند. بنابراین دمای بدن نیز تغییر می کند.

بنابراین، هنگامی که کار در ترمودینامیک انجام می شود، وضعیت اجسام ماکروسکوپی تغییر می کند: حجم و دمای آنها تغییر می کند.

محاسبه کار:

F نیرویی است که با آن گاز روی پیستون فشار می آورد.

F نیرویی است که با آن پیستون روی گاز فشار می آورد.

الف" کاری است که گاز روی اجسام خارجی انجام می دهد.

A کاری است که توسط اجسام خارجی روی گاز انجام می شود.

1. گاز منبسط می شود

تغییر حجم کجاست

این گاز انرژی را به اجسام اطراف منتقل می کند و خنک می شود.

2. گاز فشرده شده است

گاز از اجسام خارجی انرژی دریافت می کند و گرم می شود. علامت منفی نشان می دهد که وقتی گاز فشرده می شود، کار انجام شده توسط نیروی خارجی مثبت است.

به گفته MKT، همه مواد از ذراتی تشکیل شده اند که در حرکت حرارتی مداوم هستند و با یکدیگر برهم کنش دارند. بنابراین حتی اگر جسم بی حرکت باشد و انرژی پتانسیل صفر داشته باشد، دارای انرژی (انرژی درونی) است که کل انرژی حرکت و برهم کنش ریزذرات تشکیل دهنده بدن است. انرژی داخلی شامل:

1. انرژی جنبشی حرکت انتقالی، چرخشی و ارتعاشی مولکول ها؛
2. انرژی پتانسیل برهمکنش اتم ها و مولکول ها؛
3. انرژی درون اتمی و درون هسته ای

در ترمودینامیک، فرآیندهایی در دماهایی در نظر گرفته می شوند که در آن حرکت ارتعاشی اتم ها در مولکول ها برانگیخته نمی شود، به عنوان مثال. در دماهای بیش از 1000 K. در این فرآیندها، تنها دو جزء اول انرژی داخلی تغییر می کند. بنابراین، تحت انرژی درونیدر ترمودینامیک مجموع انرژی جنبشی تمام مولکول ها و اتم های بدن و انرژی پتانسیل برهم کنش آنها را درک کنید..

انرژی درونی یک جسم، حالت حرارتی آن را تعیین می کند و در طی انتقال از یک حالت به حالت دیگر تغییر می کند. در این حالت بدن دارای انرژی درونی کاملاً مشخصی است، مستقل از فرآیندی که در نتیجه آن به این حالت منتقل شد. بنابراین، انرژی درونی اغلب نامیده می شود عملکرد وضعیت بدن.

از آنجایی که مولکول های یک گاز ایده آل با یکدیگر برهمکنش ندارند، انرژی پتانسیل آنها صفر است و انرژی داخلی گاز ایده آل انرژی جنبشی تمام مولکول های آن است.

میانگین انرژی جنبشی یک مولکول \(~\mathcal h W_k \mathcal i = \frac i2 kT\).

تعداد مولکول های گاز \(~N = \frac mM N_A\).

بنابراین انرژی داخلی یک گاز ایده آل است

\(~U = N \mathcal h W_k \mathcal i = \frac mM N_A \frac i2 kT .\)

با توجه به اینکه kN A= آرثابت گاز جهانی است، ما داریم

\(~U = \frac i2 \frac mM RT\) انرژی داخلی یک گاز ایده آل است. (1)

به طور خاص، برای یک گاز تک اتمی \(~U = \frac 32 \frac mM RT\) .

از این فرمول ها مشخص است که انرژی داخلی یک گاز ایده آل فقط به دما و تعداد مولکول ها بستگی داردو به حجم و فشار بستگی ندارد. بنابراین، تغییر در انرژی داخلی یک گاز ایده آل تنها با تغییر دمای آن تعیین می شود و به ماهیت فرآیندی که در آن گاز از یک حالت به حالت دیگر منتقل می شود، بستگی ندارد:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \frac i2 \frac mM R \Delta T ,\)

جایی که Δ تی = تی 2 - تی 1 .

مولکول های گازهای واقعی با یکدیگر برهم کنش دارند و بنابراین انرژی پتانسیل دارند دبلیو p، که به فاصله بین مولکول ها و بنابراین به حجم اشغال شده توسط گاز بستگی دارد.

بنابراین، انرژی داخلی یک گاز واقعی به دما، حجم و ساختار مولکولی آن بستگی دارد.

برای حل مسائل عملی، این خود انرژی درونی نیست که نقش مهمی ایفا می کند، بلکه تغییر آن Δ است U = U 2 - U 1 . تغییر انرژی درونی بر اساس قوانین بقای انرژی محاسبه می شود.

ادبیات

Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: نظریه. وظایف. تست ها: کتاب درسی. کمک هزینه برای مؤسسات ارائه دهنده آموزش عمومی. محیط زیست، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 152-153.

ترمودینامیک به عنوان یک رشته در اواسط قرن 19 ظهور کرد. این اتفاق پس از کشف قانون بقای انرژی رخ داد. ارتباط خاصی بین ترمودینامیک و سینتیک مولکولی وجود دارد. انرژی درونی در تئوری چه جایگاهی را اشغال می کند؟ بیایید در مقاله به این موضوع نگاه کنیم.

مکانیک آماری و ترمودینامیک

نظریه علمی اولیه در مورد فرآیندهای حرارتی جنبشی مولکولی نبود. اولین مورد ترمودینامیک بود. در فرآیند مطالعه شرایط بهینه برای استفاده از گرما برای انجام کار شکل گرفت. این در اواسط قرن 19 اتفاق افتاد، قبل از اینکه سینتیک مولکولی مورد پذیرش قرار گیرد. امروزه هم ترمودینامیک و هم نظریه جنبشی مولکولی در فناوری و علم استفاده می شود. دومی در فیزیک نظری مکانیک آماری نامیده می شود. همراه با ترمودینامیک، پدیده های یکسان را با استفاده از روش های مختلف مطالعه می کند. این دو نظریه مکمل یکدیگر هستند. اساس ترمودینامیک از دو قانون آن تشکیل شده است. هر دوی آنها به رفتار انرژی مربوط می شوند و به صورت تجربی ایجاد می شوند. این قوانین برای هر ماده ای، صرف نظر از ساختار درونی آن، معتبر است. مکانیک آماری علمی عمیق تر و دقیق تر به حساب می آید. در مقایسه با ترمودینامیک، پیچیده تر است. در مواردی استفاده می شود که روابط ترمودینامیکی برای توضیح پدیده های مورد مطالعه کافی نباشد.

نظریه سینتیک مولکولی

در اواسط قرن نوزدهم، ثابت شد که در کنار انرژی مکانیکی، انرژی درونی اجسام ماکروسکوپی نیز وجود دارد. در تعادل تحولات انرژی گنجانده شده است. پس از کشف انرژی درونی، موضعی در مورد حفظ و تبدیل آن شکل گرفت. در حالی که یک پوک که روی یخ می‌لغزد تحت تأثیر اصطکاک متوقف می‌شود، انرژی جنبشی (مکانیکی) آن نه تنها وجود ندارد، بلکه به مولکول‌های پوک و یخ نیز منتقل می‌شود. هنگام حرکت، سطوح ناهموار اجسام در معرض اصطکاک تغییر شکل می دهند. در همان زمان، شدت حرکت مولکول های تصادفی افزایش می یابد. وقتی هر دو بدن گرم می شوند، انرژی درونی افزایش می یابد. مشاهده انتقال معکوس دشوار نیست. هنگامی که آب در یک لوله آزمایش بسته گرم می شود، انرژی داخلی (هم آن و هم بخار حاصل) شروع به افزایش می کند. فشار افزایش می یابد و باعث می شود دوشاخه به زور خارج شود. انرژی داخلی بخار باعث افزایش انرژی جنبشی می شود. در طول فرآیند انبساط، بخار کار می کند. در عین حال انرژی درونی آن کاهش می یابد. در نتیجه بخار خنک می شود.

انرژی درونی. اطلاعات کلی

با حرکت تصادفی همه مولکول ها، مجموع انرژی های جنبشی آنها و همچنین انرژی های بالقوه برهمکنش های آنها، انرژی درونی را تشکیل می دهد. با توجه به موقعیت مولکول ها نسبت به یکدیگر و حرکت آنها، محاسبه این مقدار تقریبا غیرممکن است. این به دلیل تعداد زیاد عناصر موجود در اجسام ماکروسکوپی است. در این راستا لازم است بتوان مقدار را مطابق با پارامترهای ماکروسکوپی قابل اندازه گیری محاسبه کرد.

گاز تک اتمی

این ماده از نظر خواص بسیار ساده در نظر گرفته می شود، زیرا از اتم های منفرد تشکیل شده است نه مولکول. گازهای تک اتمی شامل آرگون، هلیوم و نئون است. انرژی پتانسیل در این حالت صفر است. این به این دلیل است که مولکول‌های یک گاز ایده‌آل با یکدیگر تعامل ندارند. انرژی جنبشی حرکت مولکولی تصادفی برای داخلی (U) تعیین کننده است. برای محاسبه U یک گاز تک اتمی با جرم m، باید انرژی جنبشی (متوسط) 1 اتم را در تعداد کل اتم ها ضرب کنیم. اما باید در نظر گرفت که kNA=R. بر اساس اطلاعاتی که داریم فرمول زیر را بدست می آوریم: U= 2/3 x m/M x RT،که در آن انرژی داخلی با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد. تمام تغییرات U فقط با T (دما) اندازه گیری شده در حالت اولیه و نهایی گاز تعیین می شود و مستقیماً به حجم مربوط نمی شود. این به این دلیل است که فعل و انفعالات انرژی پتانسیل آن برابر با 0 است و به هیچ وجه به سایر پارامترهای سیستم اجسام ماکروسکوپی بستگی ندارد. در حضور مولکول‌های پیچیده‌تر، یک گاز ایده‌آل انرژی داخلی مستقیماً متناسب با دمای مطلق خواهد داشت. اما باید گفت در این صورت ضریب تناسب بین U و T تغییر خواهد کرد. از این گذشته، مولکول های پیچیده نه تنها حرکات انتقالی، بلکه حرکات چرخشی را نیز انجام می دهند. انرژی درونی برابر است با مجموع این حرکات مولکولی.

U به چه چیزی بستگی دارد؟

انرژی داخلی تحت تاثیر یکی از پارامترهای ماکروسکوپی قرار می گیرد. این دما است. در گازها، مایعات و جامدات واقعی، انرژی پتانسیل (متوسط) در هنگام برهمکنش مولکول ها برابر با صفر نیست. اگر چه، اگر دقیق تر در نظر بگیریم، برای گازها بسیار کمتر از جنبشی (متوسط) است. در عین حال، برای جامدات و مایعات با آن قابل مقایسه است. اما میانگین U به V ماده بستگی دارد، زیرا در طول دوره تغییر آن، فاصله متوسط ​​بین مولکول ها نیز تغییر می کند. از این نتیجه می شود که در ترمودینامیک انرژی داخلی نه تنها به دمای T، بلکه به V (حجم) نیز بستگی دارد. ارزش آنها به طور منحصر به فرد وضعیت اجسام را تعیین می کند و بنابراین U.

اقیانوس جهانی

تصور اینکه اقیانوس جهانی دارای چه ذخایر فوق العاده بزرگی از انرژی است دشوار است. بیایید در نظر بگیریم که انرژی داخلی آب چیست. لازم به ذکر است که حرارتی نیز هست، زیرا در نتیجه گرم شدن بیش از حد قسمت مایع سطح اقیانوس به وجود آمده است. بنابراین، با داشتن اختلاف مثلاً 20 درجه نسبت به آب پایین، مقداری در حدود 10^26 ژول به دست می آورد. هنگام اندازه گیری جریانات در اقیانوس، انرژی جنبشی آن در حدود 10^18 J برآورد می شود.

مشکلات جهانی

مشکلات جهانی وجود دارد که می توان آنها را در سطح جهانی مطرح کرد. این شامل:

کاهش ذخایر سوخت فسیلی (عمدتاً نفت و گاز)؛

آلودگی زیست محیطی قابل توجه ناشی از استفاده از این مواد معدنی؛

"آلودگی" حرارتی، به علاوه افزایش غلظت دی اکسید کربن اتمسفر، که اختلالات آب و هوایی جهانی را تهدید می کند.

استفاده از ذخایر اورانیوم که منجر به تولید زباله های رادیواکتیو می شود که تأثیر بسیار منفی بر زندگی همه موجودات زنده دارد.

استفاده از انرژی گرما هسته ای

نتیجه

این همه عدم اطمینان در مورد انتظارات عواقبی که قطعاً رخ می دهد اگر مصرف انرژی تولید شده به این روش را متوقف نکنیم، دانشمندان و مهندسان را مجبور می کند تقریباً تمام توجه خود را صرف حل این مشکل کنند. وظیفه اصلی آنها یافتن منبع بهینه انرژی است همچنین درگیر فرآیندهای مختلف طبیعی مهم است. در میان آنها، بیشترین علاقه این است: خورشید، یا بهتر است بگوییم گرمای خورشیدی، باد و انرژی در اقیانوس جهانی.

در بسیاری از کشورها، دریاها و اقیانوس‌ها از دیرباز به‌عنوان منبع انرژی در نظر گرفته می‌شوند و چشم‌انداز آنها به طور فزاینده‌ای امیدوارکننده می‌شود. اقیانوس مملو از رازهای بسیاری است؛ انرژی درونی آن چاه بی انتها از احتمالات است. همین تعداد راه هایی که برای استخراج انرژی در اختیار ما قرار می دهد (مانند جریان های اقیانوسی، انرژی جزر و مد، انرژی حرارتی و غیره) ما را در مورد عظمت آن فکر می کند.

انرژی درونی هر جسمی با حرکت و وضعیت ذرات (مولکول ها، اتم ها) ماده مرتبط است. اگر مجموع انرژی یک جسم مشخص باشد، انرژی درونی را می توان با حذف حرکت کل بدن به عنوان یک جسم ماکروسکوپی و همچنین انرژی برهمکنش این جسم با میدان های پتانسیل از کل پیدا کرد.

همچنین انرژی درونی حاوی انرژی ارتعاشی مولکول ها و انرژی پتانسیل برهمکنش بین مولکولی است. اگر ما در مورد یک گاز ایده آل صحبت می کنیم، سهم اصلی در انرژی داخلی توسط جزء جنبشی انجام می شود. کل انرژی درونی برابر است با مجموع انرژی هر ذره.

همانطور که مشخص است، انرژی جنبشی حرکت انتقالی یک نقطه مادی که یک ذره از ماده را مدل می کند، به شدت به سرعت حرکت آن بستگی دارد. همچنین شایان ذکر است که انرژی حرکات ارتعاشی و چرخشی به شدت آنها بستگی دارد.

از درس فیزیک مولکولی خود فرمول انرژی داخلی یک گاز تک اتمی ایده آل را به خاطر بسپارید. از طریق مجموع اجزای جنبشی همه ذرات گاز بیان می شود که می توان میانگین آن را محاسبه کرد. میانگین گیری از همه ذرات منجر به وابستگی آشکار انرژی داخلی به دمای بدن و همچنین به تعداد درجات آزادی ذرات می شود.

به ویژه، برای یک گاز ایده آل تک اتمی، که ذرات آن تنها سه درجه آزادی حرکت انتقالی دارند، معلوم می شود که انرژی داخلی با سه برابر حاصلضرب ثابت و دمای بولتزمن نسبت مستقیم دارد.

وابستگی به دما

بنابراین، انرژی درونی یک جسم در واقع انرژی جنبشی حرکت ذرات را منعکس می کند. برای درک رابطه بین این انرژی و دما، لازم است معنای فیزیکی مقدار دما مشخص شود. اگر ظرف پر از گاز و دارای دیواره های متحرک را گرم کنید، حجم آن افزایش می یابد. این نشان می دهد که فشار داخل افزایش یافته است. فشار گاز در اثر برخورد ذرات بر روی دیواره ظرف ایجاد می شود.

از آنجایی که فشار افزایش یافته است، به این معنی است که نیروی ضربه نیز افزایش یافته است که نشان دهنده افزایش سرعت حرکت مولکول ها است. بنابراین، افزایش دمای گاز منجر به افزایش سرعت حرکت مولکول ها شد. این جوهر دما است. اکنون مشخص می شود که افزایش دما، که منجر به افزایش سرعت حرکت ذرات می شود، مستلزم افزایش انرژی جنبشی حرکت درون مولکولی و در نتیجه افزایش انرژی درونی است.