Što je unutarnja energija?

Termodinamika kao disciplina nastala je sredinom 19. stoljeća. To se dogodilo nakon otkrića zakona o očuvanju energije. Postoji određena veza između termodinamike i molekularne kinetike. Koje je mjesto u teoriji unutarnje energije? Razmotrite ovo u članku.

Statistička mehanika i termodinamika

Izvorna znanstvena teorija termičkih procesa nije bila molekularno-kinetička. Prvi je bio termodinamika. Nastala je u procesu proučavanja optimalnih uvjeta za primjenu topline za rad. To se dogodilo sredinom 19. stoljeća, prije nego što je prepoznata molekularna kinetika. Od danas se i termodinamika i molekularna kinetička teorija koriste u inženjerstvu i znanosti. Potonje u teorijskoj fizici naziva se statistička mehanika. Ona, zajedno s termodinamikom, istražuje iste pojave koristeći različite metode. Te se dvije teorije međusobno nadopunjuju. Temelj termodinamike sastoji se od dva njegova zakona. Obje se odnose na ponašanje energije i empirijski se uspostavljaju. Ovi zakoni vrijede za svaku tvar, bez obzira na unutarnju strukturu. Dublja i točnija znanost smatra se statističkom mehanikom. U usporedbi s termodinamikom, on je složeniji. Koristi se u slučaju kada se termodinamički odnosi pokažu nedovoljnima za objašnjenje istraživanih fenomena.

Molekularna kinetička teorija

Do sredine 19. stoljeća dokazano je da uz mehaničku energiju postoji i unutarnja energija makroskopskih tijela. Uključena je u ravnotežu energetskih prirodnih transformacija. Nakon što je otkrivena unutarnja energija, formulirana je izjava o njenom očuvanju i transformaciji. Dok pak klizne po ledu, zaustavlja se pod utjecajem sile trenja, kinetičke (mehanička) energija ne prestaje postojati, nego se prenosi na molekule paka i leda. Kod pomicanja se deformiraju nepravilnosti površina tijela izloženih trenju. U ovom slučaju, intenzitet pomicanja nasumice molekula raste. Kada se oba tijela zagrijavaju, povećava se unutarnja energija. Lako je promatrati i preokrenuti tranziciju. Kada se voda zagrijava u zatvorenoj cijevi, unutarnja energija (i njezina i nastala para) počinje rasti. Pritisak će se povećati, uzrokujući guranje utikača. Unutarnja energija pare uzrokovat će povećanje kinetička energija. U procesu širenja pare čini rad. Istodobno se njegova unutarnja energija smanjuje. Kao rezultat, para se hladi.

Unutarnja energija. Opće informacije

S slučajnim kretanjem svih molekula, zbroj njihovih kinetičkih energija, kao i potencijalne energije njihovih interakcija, čine unutarnju energiju. S obzirom na međusobni položaj molekula i njihovo kretanje, gotovo je nemoguće izračunati tu količinu. To je zbog velikog broja elemenata u makroskopskim tijelima. U tom smislu, potrebno je moći izračunati vrijednost u skladu s makroskopskim parametrima koji se mogu izmjeriti.

Monatomski plin

Smatra se da je tvar prilično jednostavna u svojim svojstvima, jer se sastoji od pojedinačnih atoma, a ne od molekula. U monatomske plinove spadaju argon, helij, neon. Potencijalna energija u ovom slučaju je nula. To je zbog činjenice da molekule u idealnom plinu ne djeluju međusobno. Kinetička energija slučajnog molekularnog gibanja je odlučujuća za unutarnje (U). Da bismo izračunali U monatomskog plina mase m, moramo kinetičku energiju (prosječnog) 1. atoma pomnožiti s ukupnim brojem svih atoma. Ali treba imati na umu da kNA = R. Na temelju dobivenih podataka dobivamo sljedeću formulu: U = 2/3 x m / M x RT, gdje je unutarnja energija izravno proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Sve promjene u U određuju se samo T (temperatura), mjereno u početnom i konačnom stanju plina, i nisu izravno povezane s volumenom. To je zbog činjenice da je interakcija njegove potencijalne energije 0, i uopće ne ovisi o drugim parametrima sustava makroskopskih objekata. Kod složenijih molekula, idealan plin će također imati unutarnju energiju izravno proporcionalnu apsolutnoj temperaturi. Ali moram reći, u ovom slučaju, faktor proporcionalnosti će se promijeniti između U i T. Naposljetku, kompleksne molekule ne samo progresivno kretanje ali i rotacijski. Unutarnja energija jednaka je zbroju tih kretanja molekula.

O čemu ovisi U?

Na unutarnju energiju utječe jedan od makroskopskih parametara. Ovo je temperatura. U stvarnim plinovima, tekućini i krutinama, potencijalna energija (prosjek) u interakciji molekula nije jednaka nuli. Iako je, preciznije rečeno, za plinove mnogo manje od kinetičkog (prosječnog). U isto vrijeme za čvrsta i tekuća tijela - usporediva s njom. No, prosjek U ovisi o V tvari, jer se tijekom razdoblja njegove promjene također mijenja prosječna udaljenost između molekula. Iz toga slijedi da u termodinamici unutarnja energija ne ovisi samo o temperaturi T, već io V (volumenu). Njihova vrijednost jedinstveno određuje stanje tijela, a time i U.

Svjetski ocean

Teško je zamisliti kakve nevjerojatno velike rezerve energije sadrži Svjetski ocean. Razmotrite što čini unutarnju energiju vode. Treba napomenuti da je ona također termalna, jer je nastala kao posljedica pregrijavanja tekućeg dijela površine oceana. Dakle, imajući razliku, na primjer, od 20 stupnjeva u odnosu na donju vodu, ona dobiva vrijednost od oko 10 ^ 26 J. Kada mjeri struje u oceanu, njezina kinetička energija se procjenjuje na oko 10 ^ 18 J.

Globalna pitanja

Postoje globalni problemi koji se mogu postaviti na globalnoj razini. To uključuje:

- iscrpljivanje rezervi fosilnih goriva (prvenstveno nafte i plina);

- značajan zagađenje okoliša povezane s uporabom tih minerala;

- toplinsko "zagađenje", plus cjelokupno povećanje koncentracije atmosferskog ugljičnog dioksida, ugrožavanje globalnih klimatskih povreda;

- korištenje rezervi urana, što dovodi do pojave radioaktivnog otpada, što ima vrlo negativan utjecaj na život svih živih bića;

- korištenje termonuklearne energije.

zaključak

Sva ta neizvjesnost o očekivanju posljedica, koja će zasigurno doći, ako ne prestanete konzumirati energiju proizvedenu takvim metodama, čini da znanstvenici i inženjeri posvete svu svoju pažnju rješavanju tog problema. Njihov glavni zadatak je pronaći optimalni izvor energije, a važno je uključiti i različite prirodne procese. Među njima je najveći interes: sunce, odnosno solarna toplina, vjetar i energija u oceanima. U mnogim zemljama, mora i oceani dugo su se smatrali izvorom energije, a njihovi izgledi postaju sve više obećavajući. Ocean je prepun mnogih tajni, njegova unutarnja energija je bezdano bogatstvo mogućnosti. Sama činjenica da koliko načina izvlačenja energije koju nam pruža (kao što su oceanske struje, energija plime i oseke, toplinska energija i drugo), već nas tjera na razmišljanje o njezinoj veličini.