Kaj je notranja energija?

Termodinamika kot disciplina je nastala sredi 19. stoletja. To se je zgodilo po odkritju zakona o ohranjanju energije. Obstaja določena povezava med termodinamiko in molekularno kinetiko. Kakšno je mesto v teoriji notranje energije? Razmislite o tem v članku.

Statistična mehanika in termodinamika

Prvotna znanstvena teorija toplotnih procesov ni bila molekularno-kinetična. Prva je bila termodinamika. Nastal je v procesu proučevanja optimalnih pogojev za uporabo toplote za delo. To se je zgodilo sredi 19. stoletja, preden je bila prepoznana molekularna kinetika. Danes se termodinamika in molekularna kinetična teorija uporabljata v inženirstvu in znanosti. Slednji v teoretični fiziki se imenuje statistična mehanika. Ona skupaj s termodinamiko raziskuje iste pojave z različnimi metodami. Ti dve teoriji se med seboj dopolnjujeta. Osnova termodinamike je sestavljena iz dveh njenih zakonov. Oba se nanašata na obnašanje energije in sta empirično določena. Ti zakoni veljajo za vsako snov, ne glede na notranjo strukturo. Globja in natančnejša znanost je statistična mehanika. V primerjavi s termodinamiko je bolj kompleksen. Uporablja se v primeru, ko se izkaže, da so termodinamični odnosi nezadostni za razlago raziskanih pojavov.

Molekularna kinetična teorija

Sredi 19. stoletja je bilo dokazano, da je poleg mehanske energije prisotna tudi notranja energija makroskopskih teles. Vključena je v ravnovesje energetskih naravnih transformacij. Po odkritju notranje energije je bila oblikovana izjava o njenem ohranjanju in preoblikovanju. Medtem ko se pek pod ledom ustavi pod vplivom sile trenja, je njen kinetičen (mehanska) energija ne samo preneha obstajati, ampak se prenese na molekule paka in ledu. Pri gibanju se nepravilnosti površin teles, ki so izpostavljene trenju, deformirajo. V tem primeru se intenzivnost gibanja naključno molekul poveča. Ko se oba telesa segrejeta, se notranja energija poveča. Preprosto opazovanje in preusmeritev. Ko se voda segreje v zaprti cevi, se notranja energija (in njena in nastala para) začnejo povečevati. Tlak se bo povečal in povzročil, da se bo čep potisnil ven. Notranja energija pare bo povzročila povečanje kinetična energija. V procesu širjenja pare naredi delo. Hkrati se njegova notranja energija zmanjšuje. Posledično se para ohladi.

Notranja energija. Splošne informacije

Z naključnim gibanjem vseh molekul je vsota njihovih kinetičnih energij, pa tudi potencialnih energij njihovih interakcij, notranja energija. Glede na položaj medsebojnih molekul in njihovo gibanje je skoraj nemogoče izračunati to količino. To je posledica velikega števila elementov v makroskopskih telesih. V zvezi s tem je treba izračunati vrednost v skladu z makroskopskimi parametri, ki jih je mogoče izmeriti.

Monatomski plin

Snov se po svojih lastnostih šteje za dokaj preprosto, saj je sestavljena iz posameznih atomov, ne pa od molekul. Med monomatske pline spadajo argon, helij, neon. Potencialna energija v tem primeru je nič. To je posledica dejstva, da molekule v idealnem plinu medsebojno ne vplivajo. Kinetična energija naključnega molekularnega gibanja je odločilna za notranjo (U). Da bi izračunali U monatomskega plina mase m, moramo kinetično energijo (povprečnega) 1. atoma pomnožiti s skupnim številom vseh atomov. Vendar je treba upoštevati, da je kNA = R. Na podlagi podatkov, ki jih imamo, dobimo naslednjo formulo: U = 2/3 x m / M x RT, kjer je notranja energija neposredno sorazmerna absolutni temperaturi. Vse spremembe U so določene le s T (temperatura), merjeno v začetnem in končnem stanju plina, in niso neposredno povezane z volumnom. To je posledica dejstva, da je interakcija njene potencialne energije 0 in da sploh ni odvisna od drugih sistemskih parametrov makroskopskih objektov. Z bolj kompleksnimi molekulami bo idealen plin imel tudi notranjo energijo, ki je neposredno sorazmerna z absolutno temperaturo. Vendar moram reči, da se bo v tem primeru faktor sorazmernosti spremenil med U in T. Konec koncev, kompleksne molekule niso samo progresivno gibanje ampak tudi rotacijsko. Notranja energija je enaka vsoti teh gibanj molekul.

Od česa je odvisen U?

Na notranjo energijo vpliva eden od makroskopskih parametrov. To je temperatura. V realnih plinih, tekočinah in trdnih snoveh potencialna energija (povprečje) v interakciji molekul ni enaka nič. Čeprav, natančneje, za pline je veliko manj kot kinetično (povprečje). Hkrati za trdna in tekoča telesa - primerljiva z njim. Toda povprečje U je odvisno od V snovi, ker se v času njene spremembe spreminja tudi povprečna razdalja med molekulami. Iz tega sledi, da je v termodinamiki notranja energija odvisna ne le od temperature T, ampak tudi od V (volumna). Njihova vrednost edinstveno določa stanje teles in s tem U.

Svetovni ocean

Težko si je predstavljati, kakšne neverjetno velike zaloge energije vsebuje Svetovni ocean. Razmislite, kaj je notranja energija vode. Opozoriti je treba, da je tudi toplotna, ker je nastala kot posledica pregrevanja tekočega dela površine oceana. Torej, ko ima razliko, na primer, 20 stopinj glede na dno vode, pridobi vrednost okoli 10 ^ 26 J. Pri merjenju tokov v oceanu je njegova kinetična energija ocenjena na približno 10 ^ 18 J.

Globalna vprašanja

Obstajajo globalni problemi, ki jih je mogoče postaviti na globalni ravni. Te vključujejo:

- izčrpavanje zalog fosilnih goriv (predvsem nafte in plina);

- pomembne onesnaževanje okolja povezane z uporabo teh mineralov;

- toplotno "onesnaževanje", skupaj s celotnim povečanjem koncentracije atmosferskega ogljikovega dioksida, ki ogroža globalne podnebne kršitve;

- uporaba zalog urana, ki vodi do pojava radioaktivnih odpadkov, kar zelo negativno vpliva na preživetje vseh živih bitij;

- uporaba termonuklearne energije.

Zaključek

Vsa ta negotovost v zvezi s pričakovanjem posledic, ki jih bo vsekakor prišlo, če ne boste prenehali z uživanjem energije, proizvedene na takšen način, prisili znanstvenike in inženirje, da skoraj vso svojo pozornost namenijo reševanju tega problema. Njihova glavna naloga je najti optimalen vir energije, prav tako pa je pomembno vključiti različne naravne procese. Med njimi je največje zanimanje: sonce, oziroma sončna toplota, veter in energija v oceanih. V mnogih državah se morja in oceani že dolgo obravnavajo kot vir energije, njihove možnosti pa postajajo vse bolj obetavne. Ocean je poln številnih skrivnosti, njegova notranja energija je brezmodno bogastvo možnosti. Že samo dejstvo, da koliko načinov pridobivanja energije, ki nam ga zagotavlja (kot so oceanski tokovi, energija plimovanja, toplotna energija in drugi), nas že pripelje do razmišljanja o njeni veličini.