Czym jest energia wewnętrzna?

Termodynamika jako dyscyplina powstała w połowie XIX wieku. Stało się to po odkryciu ustawy o zachowaniu energii. Istnieje ścisły związek między termodynamiką i kinetyką molekularną. Jakie jest miejsce w teorii energii wewnętrznej? Rozważ to w artykule.

Mechanika statystyczna i termodynamika

Pierwotna naukowa teoria procesów termicznych nie była kinetyczna. Pierwszą z nich była termodynamika. Powstał w trakcie badania optymalnych warunków stosowania ciepła do pracy. Stało się to w połowie XIX wieku, zanim rozpoznano kinetykę molekularną. Na dzień dzisiejszy zarówno termodynamikę, jak i kinetyczną teorię molekularną stosuje się w inżynierii i nauce. Te ostatnie w fizyce teoretycznej nazywa się mechaniką statystyczną. Ona, wraz z termodynamiką, bada te same zjawiska za pomocą różnych metod. Te dwie teorie uzupełniają się nawzajem. Podstawą termodynamiki są dwa jej prawa. Oba dotyczą zachowania energii i są ustalane empirycznie. Prawa te obowiązują dla każdej substancji, niezależnie od jej wewnętrznej struktury. Głębsza i dokładniejsza nauka jest uważana za mechanikę statystyczną. W porównaniu z termodynamiką jest bardziej złożony. Jest stosowany w przypadku, gdy relacje termodynamiczne okazują się niewystarczające do wyjaśnienia badanych zjawisk.

Molekularna teoria kinetyczna

W połowie XIX wieku udowodniono, że wraz z energią mechaniczną istnieje wewnętrzna energia ciał makroskopowych. Uwzględnia się w bilansie naturalnych przemian energetycznych. Po odkryciu energii wewnętrznej sformułowano oświadczenie o jej zachowaniu i transformacji. Podczas gdy krążek przesuwający się po lodzie zatrzymuje się pod wpływem siły tarcia, jego ruch kinetyczny (mechaniczna) energia nie tylko przestaje istnieć, ale przenosi się do cząsteczek krążka i lodu. Podczas ruchu nierówności powierzchni ciał narażonych na tarcie są zdeformowane. W tym przypadku intensywność poruszających się losowo cząsteczek wzrasta. Kiedy oba ciała są ogrzewane, energia wewnętrzna wzrasta. Łatwo jest obserwować i odwrócić przejście. Gdy woda jest podgrzewana w zamkniętej rurce, energia wewnętrzna (i jej i powstająca para) zaczynają wzrastać. Ciśnienie wzrośnie, powodując wypchnięcie wtyczki. Wewnętrzna energia pary spowoduje wzrost energia kinetyczna. W procesie rozszerzania się para wodna działa. W tym samym czasie zmniejsza się jego energia wewnętrzna. W wyniku tego para wodna zostaje schłodzona.

Energia wewnętrzna. Informacje ogólne

Przy losowym ruchu wszystkich cząsteczek, suma ich energii kinetycznych, a także potencjalnych energii ich interakcji, stanowi wewnętrzną energię. Biorąc pod uwagę pozycję cząsteczek względem siebie i ich ruch, obliczenie tej ilości jest prawie niemożliwe. Wynika to z ogromnej liczby elementów w ciałach makroskopowych. W związku z tym konieczne jest, aby móc obliczyć wartość zgodnie z parametrami makroskopowymi, które można zmierzyć.

Monatomowy gaz

Substancja jest uważana za dość prostą w swoich właściwościach, ponieważ składa się z pojedynczych atomów, a nie cząsteczek. Do monatomicznych gazów należą argon, hel, neon. Potencjał energii w tym przypadku wynosi zero. Wynika to z faktu, że cząsteczki w idealnym gazie nie współdziałają ze sobą. Energia kinetyczna losowego ruchu cząsteczkowego ma decydujące znaczenie dla wewnętrznego (U). Aby obliczyć U monatomowego gazu o masie m, musimy pomnożyć energię kinetyczną (średniego) pierwszego atomu przez całkowitą liczbę wszystkich atomów. Należy jednak pamiętać, że kNA = R. Na podstawie posiadanych danych otrzymujemy następującą formułę: U = 2/3 x m / M x RT, gdzie energia wewnętrzna jest wprost proporcjonalna do temperatury absolutnej. Wszystkie zmiany w U są określone tylko przez T (temperaturę), mierzoną w stanie początkowym i końcowym gazu, i nie są bezpośrednio związane z objętością. Wynika to z faktu, że interakcja jego potencjalnej energii wynosi 0 i wcale nie zależy od innych parametrów systemu obiektów makroskopowych. Przy bardziej złożonych cząsteczkach, idealny gaz będzie miał również energię wewnętrzną wprost proporcjonalną do temperatury absolutnej. Ale muszę powiedzieć, że w tym przypadku współczynnik proporcjonalności zmieni się między U i T. W końcu złożone cząsteczki nie tylko ruch progresywny ale także rotacyjny. Energia wewnętrzna jest równa sumie tych ruchów cząsteczek.

Od czego zależy U?

Na energię wewnętrzną wpływa jeden z makroskopowych parametrów. To jest temperatura. W rzeczywistych gazach, cieczach i ciałach stałych energia potencjalna (średnia) w interakcji cząsteczek nie jest równa zeru. Chociaż, mówiąc dokładniej, dla gazów jest on znacznie mniejszy niż kinetyka (średnia). W tym samym czasie dla ciał stałych i płynnych - porównywalne z nim. Ale średnia U zależy od V substancji, ponieważ w okresie jej zmiany zmienia się również średnia odległość między cząsteczkami. Z tego wynika, że ​​w termodynamice energia wewnętrzna zależy nie tylko od temperatury T, ale również od V (objętości). Ich wartość w wyjątkowy sposób determinuje stan ciał, a tym samym U.

Ocean Świata

Trudno sobie wyobrazić, jak niesamowicie duże rezerwy energii zawiera Ocean Światowy. Zastanów się, co stanowi wewnętrzną energię wody. Należy zauważyć, że jest również termiczny, ponieważ powstał w wyniku przegrzania płynnej części powierzchni oceanu. Tak więc, mając na przykład różnicę 20 stopni w stosunku do wody dennej, uzyskuje wartość około 10 ^ 26 J. Przy pomiarze prądów w oceanie szacuje się, że energia kinetyczna wynosi około 10 ^ 18 J.

Problemy globalne

Istnieją globalne problemy, które można postawić na poziomie globalnym. Należą do nich:

- wyczerpywanie się zapasów paliw kopalnych (głównie ropy i gazu);

- znaczące zanieczyszczenie środowiska związane z wykorzystaniem tych minerałów;

- "zanieczyszczenie" termiczne, a także cały wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, zagrażając globalnym naruszeniom klimatu;

- wykorzystanie rezerw uranu, co prowadzi do pojawienia się odpadów promieniotwórczych, co ma bardzo negatywny wpływ na warunki życia wszystkich żywych organizmów;

- wykorzystanie energii termojądrowej.

Wniosek

Cała ta niepewność co do oczekiwanych konsekwencji, które z całą pewnością nadejdą, jeśli nie przestaniesz zużywać energii produkowanej w ten sposób, sprawia, że ​​naukowcy i inżynierowie poświęcają niemal całą swoją uwagę na rozwiązanie tego problemu. Ich głównym zadaniem jest znalezienie optymalnego źródła energii, ważne jest również zaangażowanie różnych naturalnych procesów. Wśród nich największe zainteresowanie to: słońce, a raczej ciepło słoneczne, wiatr i energia w oceanach. W wielu krajach morza i oceany od dawna postrzegane są jako źródło energii, a ich perspektywy stają się coraz bardziej obiecujące. Ocean obfituje w wiele sekretów, jego wewnętrzna energia jest bezdennym bogactwem możliwości. Sam fakt, że wiele sposobów pozyskiwania energii, którą on dostarcza (takich jak prądy oceaniczne, energia pływów, energia cieplna i inne), już pozwala nam myśleć o jego wielkości.