Какво е вътрешна енергия?

Термодинамиката като дисциплина се формира от средата на 19 век. Това стана след откриването на закона за опазването на енергията. Съществува определена връзка между термодинамиката и молекулярната кинетика. Какво е мястото в теорията на вътрешната енергия? Помислете за това в статията.

Статистическа механика и термодинамика

Първоначалната научна теория на термичните процеси не е молекулярно-кинетична. Първата е термодинамиката. Тя се формира в процеса на изучаване на оптималните условия за прилагане на топлина за работа. Това се случи в средата на 19-ти век, преди да се признае молекулярната кинетика. Днес термодинамиката и молекулярната кинетична теория се използват в техниката и науката. Последното в теоретичната физика се нарича статистическа механика. Тя, заедно с термодинамиката, изследва същите явления, използвайки различни методи. Тези две теории се допълват взаимно. Основата на термодинамиката е съставена от два от нейните закони. И двете се отнасят до поведението на енергията и са установени емпирично. Тези закони са валидни за всяко вещество, независимо от вътрешната структура. По-дълбоката и по-точна наука се счита за статистическа механика. В сравнение с термодинамиката, тя е по-сложна. Използва се в случаите, когато термодинамичните отношения се окажат недостатъчни за обяснение на изследваните явления.

Молекулярна кинетична теория

До средата на 19 век е доказано, че заедно с механичната енергия има и вътрешна енергия на макроскопичните тела. Той е включен в баланса на енергийните природни трансформации. След откриването на вътрешната енергия беше формулирана декларация за нейното опазване и трансформация. Докато шайбата се плъзга по леда, спира под въздействието на сила на триене, нейната кинетична (механична) енергия не просто престава да съществува, а се прехвърля към молекулите на шайбата и леда. При движение, неравностите на повърхностите на тела, подложени на триене, се деформират. В този случай интензивността на движещите се произволно молекули се увеличава. Когато се загряват двете тела, вътрешната енергия се увеличава. Лесно е да се наблюдава и обратен преход. Когато водата се загрява в затворена тръба, вътрешната енергия (и нейната и получената пара) започва да нараства. Налягането ще се увеличи, което ще доведе до изтласкване на щепсела. Вътрешната енергия на парата ще доведе до увеличаване на кинетична енергия. В процеса на разширяване парата работи. В същото време нейната вътрешна енергия намалява. В резултат на това парата се охлажда.

Вътрешна енергия. Обща информация

При случайното движение на всички молекули сумата от техните кинетични енергии, както и потенциалните енергии на техните взаимодействия, съставляват вътрешната енергия. Като се има предвид позицията на молекулите един спрямо друг и тяхното движение, е почти невъзможно да се изчисли тази сума. Това се дължи на огромния брой елементи в макроскопичните тела. В тази връзка е необходимо да бъде в състояние да изчисли стойността в съответствие с макроскопските параметри, които могат да бъдат измерени.

Моноатомен газ

Смята се, че веществото е доста просто в свойствата си, тъй като се състои от отделни атоми, а не от молекули. Към едноатомните газове се включва аргон, хелий, неон. Потенциална енергия в този случай е нула. Това се дължи на факта, че молекулите в идеален газ не взаимодействат помежду си. Кинетичната енергия на случайното молекулярно движение е решаваща за вътрешната (U). За да се изчисли U на моноатомния газ от маса m, трябва да се умножи кинетичната енергия на (средния) първи атом с общия брой на всички атоми. Но трябва да се има предвид, че kNA = R. Въз основа на данните, които имаме, получаваме следната формула: U = 2/3 x m / M x RT, където вътрешната енергия е право пропорционална на абсолютната температура. Всички промени в U се определят само от T (температура), измерена в първоначалното и крайното състояние на газа, и не са пряко свързани с обема. Това се дължи на факта, че взаимодействието на неговата потенциална енергия е 0 и въобще не зависи от други системни параметри на макроскопични обекти. При по-сложните молекули идеалният газ ще има и вътрешна енергия, пряко пропорционална на абсолютната температура. Но трябва да кажа, че в този случай коефициентът на пропорционалност ще се промени между U и T. В крайна сметка сложните молекули не само прогресивно движение но и ротационен. Вътрешната енергия е равна на сумата от тези движения на молекулите.

От какво зависи U?

Вътрешната енергия се влияе от един от макроскопичните параметри. Това е температурата. В реални газове, течности и твърди вещества потенциалната енергия (средна) при взаимодействието на молекулите не е равна на нула. Въпреки че, за да бъдем по-точни, за газовете тя е много по-малка от кинетичната (средна). В същото време за твърди и течни органи - сравними с него. Но средното U зависи от V на веществото, защото по време на неговата промяна средното разстояние между молекулите също се променя. От това следва, че в термодинамиката вътрешната енергия зависи не само от температурата Т, но и от V (обема). Тяхната стойност еднозначно определя състоянието на телата, а оттам и U.

Световен океан

Трудно е да си представим какви невероятно големи резерви от енергия съдържа Световният океан. Помислете какво представлява вътрешната енергия на водата. Трябва да се отбележи, че той е и термичен, защото е бил образуван в резултат на прегряване на течната част на океанската повърхност. Така, имайки разлика, например, от 20 градуса спрямо дънната вода, тя придобива стойност от около 10 ^ 26 J. При измерване на токове в океана, нейната кинетична енергия се оценява на около 10 ^ 18 J.

Глобални проблеми

Има глобални проблеми, които могат да бъдат поставени на глобално равнище. Те включват:

- изчерпване на запасите от изкопаеми горива (основно нефт и газ);

- значителни замърсяване на околната среда свързани с използването на тези минерали;

- термично "замърсяване", плюс цялото увеличение на концентрацията на атмосферен въглероден диоксид, застрашаващи глобалните климатични нарушения;

- използването на запасите от уран, водещи до появата на радиоактивни отпадъци, което оказва много отрицателно въздействие върху поминъка на всички живи същества;

- използването на термоядрена енергия.

заключение

Цялата тази несигурност относно очакването на последствията, които непременно ще дойдат, ако не спрете да консумирате по този начин произведената енергия, кара учените и инженерите да отделят почти цялото си внимание на решаването на този проблем. Тяхната основна задача е да намерят оптималния източник на енергия, както и да включат различни природни процеси. Сред тях най-голям интерес представляват: слънцето, или по-скоро слънчевата топлина, вятърът и енергията в океаните. В много страни моретата и океаните отдавна се възприемат като енергиен източник и перспективите им стават все по-обещаващи. Океанът е изпълнен с много тайни, вътрешната му енергия е бездънно богатство от възможности. Самият факт, че колко начини за извличане на енергия, която ни осигурява (като океански течения, енергия на приливите и отливите, топлинна енергия и други), вече ни кара да мислим за неговото величие.