किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा होती है। एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा - विशेषताएं, सिद्धांत और सूत्र

आप एक रॉकेट को उड़ान भरते हुए देखते हैं। वह काम करती है - अंतरिक्ष यात्रियों और कार्गो को उठाती है। रॉकेट की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है,जैसे-जैसे रॉकेट ऊपर उठता है, वह अधिक से अधिक गति प्राप्त करता है। रॉकेट की स्थितिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है,क्योंकि यह पृथ्वी के ऊपर और ऊपर उठता है। इसलिए, इन ऊर्जाओं का योग, अर्थात् रॉकेट की यांत्रिक ऊर्जा भी बढ़ जाती है।

हमें याद है कि जब शरीर काम करता है तो उसकी ऊर्जा कम हो जाती है। हालाँकि, रॉकेट काम करता है, लेकिन इसकी ऊर्जा कम नहीं होती है, बल्कि बढ़ जाती है! विरोधाभास का समाधान क्या है? यह पता चला है कि यांत्रिक ऊर्जा के अलावा एक अन्य प्रकार की ऊर्जा भी होती है - आंतरिक ऊर्जा।यह जलते हुए ईंधन की आंतरिक ऊर्जा को कम करके है कि रॉकेट यांत्रिक कार्य करता है और इसके अलावा, इसकी यांत्रिक ऊर्जा को बढ़ाता है।

न सिर्फ़ दहनशील, लेकिन गरमनिकायों में आंतरिक ऊर्जा होती है जिसे आसानी से यांत्रिक कार्य में परिवर्तित किया जा सकता है। आइए एक प्रयोग करते हैं। हम उबलते पानी में एक वजन गर्म करते हैं और इसे एक प्रेशर गेज से जुड़े टिन के डिब्बे पर रख देते हैं। जैसे ही बॉक्स में हवा गर्म होती है, दबाव नापने का यंत्र में द्रव चलना शुरू हो जाएगा (आंकड़ा देखें)।

फैलती हुई वायु द्रव पर कार्य करती है। यह किस ऊर्जा के कारण होता है? बेशक, केटलबेल की आंतरिक ऊर्जा के कारण। इसलिए, इस प्रयोग में हम देखते हैं शरीर की आंतरिक ऊर्जा का यांत्रिक कार्य में रूपांतरण।ध्यान दें कि इस प्रयोग में वजन की यांत्रिक ऊर्जा नहीं बदलती है - यह हमेशा शून्य के बराबर होती है।

इसलिए, आंतरिक ऊर्जा- यह शरीर की एक ऐसी ऊर्जा है, जिससे इस शरीर की यांत्रिक ऊर्जा में कमी न करते हुए यांत्रिक कार्य किया जा सकता है।

किसी भी शरीर की आंतरिक ऊर्जा कई कारणों पर निर्भर करती है: उसके पदार्थ का प्रकार और अवस्था, शरीर का द्रव्यमान और तापमान, और अन्य। सभी निकायों में आंतरिक ऊर्जा होती है: बड़ी और छोटी, गर्म और ठंडी, ठोस, तरल और गैसीय।

मानव आवश्यकताओं के लिए सबसे आसानी से उपयोग की जाने वाली आंतरिक ऊर्जा केवल लाक्षणिक रूप से बोलने वाले, गर्म और दहनशील पदार्थों और निकायों की आंतरिक ऊर्जा है। ये ज्वालामुखियों के पास तेल, गैस, कोयला, भूतापीय स्रोत आदि हैं। इसके अलावा, 20वीं शताब्दी में, मनुष्य ने तथाकथित रेडियोधर्मी पदार्थों की आंतरिक ऊर्जा का उपयोग करना सीखा। ये हैं, उदाहरण के लिए, यूरेनियम, प्लूटोनियम और अन्य।

आरेख के दाईं ओर देखें। लोकप्रिय साहित्य में अक्सर थर्मल, रासायनिक, विद्युत, परमाणु (परमाणु) और अन्य प्रकार की ऊर्जा का उल्लेख होता है। वे सभी, एक नियम के रूप में, आंतरिक ऊर्जा की किस्में हैं, क्योंकि उनका उपयोग यांत्रिक ऊर्जा के नुकसान के बिना यांत्रिक कार्य करने के लिए किया जा सकता है। हम भौतिकी के आगे के अध्ययन में आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा पर अधिक विस्तार से विचार करेंगे।

उनकी बातचीत।

आंतरिक ऊर्जा में शामिल है प्रकृति में ऊर्जा परिवर्तनों का संतुलन।आंतरिक ऊर्जा की खोज के बाद तैयार किया गया था ऊर्जा के संरक्षण और परिवर्तन का नियम।यांत्रिक और आंतरिक ऊर्जाओं के पारस्परिक परिवर्तन पर विचार करें। एक लेड बॉल को लेड प्लेट पर रहने दें। आइए इसे ऊपर उठाएं और इसे जाने दें। जब हमने गेंद को उठाया, तो हमने उसे संभावित ऊर्जा की सूचना दी। जब गेंद गिरती है, तो यह घट जाती है, क्योंकि गेंद नीचे और नीचे गिरती है। लेकिन बढ़ती गति के साथ गेंद की गतिज ऊर्जा धीरे-धीरे बढ़ती जाती है। गेंद की स्थितिज ऊर्जा गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। लेकिन तभी गेंद लीड प्लेट से टकराकर रुक गई। प्लेट के सापेक्ष इसकी गतिज और स्थितिज ऊर्जा दोनों शून्य के बराबर हो गईं। प्रभाव के बाद गेंद और प्लेट की जांच करने पर, हम देखेंगे कि उनकी स्थिति बदल गई है: गेंद थोड़ी चपटी है, और प्लेट पर एक छोटा सा दांत बन गया है; जब हम उनका तापमान मापते हैं, तो हम पाते हैं कि वे गर्म हो गए हैं।

ताप का अर्थ है शरीर के अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा में वृद्धि। विरूपण के दौरान, शरीर के कणों की सापेक्ष स्थिति बदल जाती है, और इसलिए उनकी संभावित ऊर्जा भी बदल जाती है।

इस प्रकार, यह तर्क दिया जा सकता है कि प्लेट पर गेंद के प्रभाव के परिणामस्वरूप, प्रयोग की शुरुआत में गेंद के पास मौजूद यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है शरीर की आंतरिक ऊर्जा।

आंतरिक ऊर्जा के यांत्रिक ऊर्जा में विपरीत संक्रमण का निरीक्षण करना मुश्किल नहीं है।

उदाहरण के लिए, यदि आप एक मोटी दीवार वाले कांच का बर्तन लेते हैं और कॉर्क में एक छेद के माध्यम से उसमें हवा पंप करते हैं, तो कुछ समय बाद कॉर्क बर्तन से बाहर निकल जाएगा। इस बिंदु पर, पोत में कोहरा बनता है। कोहरे के दिखने का मतलब है कि बर्तन में हवा ठंडी हो गई है और फलस्वरूप उसकी आंतरिक ऊर्जा कम हो गई है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि पोत में संपीड़ित हवा, कॉर्क को बाहर धकेलती है (यानी, विस्तार करते हुए), अपनी आंतरिक ऊर्जा को कम करके काम करती है। संपीड़ित हवा की आंतरिक ऊर्जा के कारण कॉर्क की गतिज ऊर्जा में वृद्धि हुई है।

इस प्रकार, किसी शरीर की आंतरिक ऊर्जा को बदलने का एक तरीका शरीर के अणुओं (या अन्य निकायों) द्वारा दिए गए शरीर पर किया गया कार्य है। बिना कार्य किये आंतरिक ऊर्जा को बदलने का उपाय है गर्मी का हस्तांतरण.

एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा।

चूंकि एक आदर्श गैस के अणु आपस में परस्पर क्रिया नहीं करते हैं, इसलिए उनकी स्थितिज ऊर्जा शून्य मानी जाती है। एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके अणुओं की यादृच्छिक अनुवाद गति की गतिज ऊर्जा से ही निर्धारित होती है। इसकी गणना करने के लिए, आपको एक परमाणु की औसत गतिज ऊर्जा को परमाणुओं की संख्या से गुणा करना होगा . मान लें कि क एन ए = आर, हम एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा का मान प्राप्त करते हैं:

.

एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके तापमान के सीधे आनुपातिक होती है। यदि हम क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण का उपयोग करते हैं, तो एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के लिए अभिव्यक्ति को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

.

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि, एक परमाणु की औसत गतिज ऊर्जा के व्यंजक के अनुसार और आंदोलन की यादृच्छिकता के कारण, आंदोलन की तीन संभावित दिशाओं में से प्रत्येक के लिए, या प्रत्येक आज़ादी की श्रेणी, अक्ष के साथ एक्स, यूतथा जेडएक ही ऊर्जा हो।

स्वतंत्रता की डिग्री की संख्याआणविक गति की संभावित स्वतंत्र दिशाओं की संख्या है।

एक गैस, जिसके प्रत्येक अणु में दो परमाणु होते हैं, द्विपरमाणुक कहलाती है। प्रत्येक परमाणु तीन दिशाओं में गति कर सकता है, इसलिए गति की संभावित दिशाओं की कुल संख्या 6 है। अणुओं के बीच संबंध के कारण, स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या एक से घट जाती है, इसलिए एक द्विपरमाणुक अणु के लिए स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या पांच है.

एक द्विपरमाणुक अणु की औसत गतिज ऊर्जा होती है। तदनुसार, एक आदर्श द्विपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा है:

.

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के सूत्रों को सामान्यीकृत किया जा सकता है:

.

कहाँ पे मैंगैस अणुओं की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या है ( मैं= 3 एकपरमाणुक और . के लिए मैं= 5 एक द्विपरमाणुक गैस के लिए)।

आदर्श गैसों के लिए, आंतरिक ऊर्जा केवल एक मैक्रोस्कोपिक पैरामीटर - तापमान पर निर्भर करती है और मात्रा पर निर्भर नहीं करती है, क्योंकि संभावित ऊर्जा शून्य है (आयतन अणुओं के बीच औसत दूरी निर्धारित करता है)।

वास्तविक गैसों के लिए स्थितिज ऊर्जा शून्य नहीं होती है। इसलिए, सामान्य स्थिति में ऊष्मप्रवैगिकी में आंतरिक ऊर्जा विशिष्ट रूप से इन निकायों की स्थिति को दर्शाने वाले मापदंडों द्वारा निर्धारित की जाती है: आयतन (वी)और तापमान (टी).

« भौतिकी - ग्रेड 10 "

एक मैनोमीटर और एक थर्मामीटर जैसे उपकरणों द्वारा मापी गई मात्राओं (मैक्रोस्कोपिक मापदंडों) का उपयोग करके थर्मल घटना का वर्णन किया जा सकता है। ये उपकरण व्यक्तिगत अणुओं के प्रभाव का जवाब नहीं देते हैं। ऊष्मीय प्रक्रियाओं का सिद्धांत, जो निकायों की आणविक संरचना को ध्यान में नहीं रखता है, कहलाता है ऊष्मप्रवैगिकी. ऊष्मप्रवैगिकी में, ऊष्मा के ऊर्जा के अन्य रूपों में रूपांतरण के दृष्टिकोण से प्रक्रियाओं पर विचार किया जाता है।

आंतरिक ऊर्जा क्या है।
आप आंतरिक ऊर्जा को बदलने के कौन से तरीके जानते हैं?

ऊष्मप्रवैगिकी 19 वीं शताब्दी के मध्य में बनाई गई थी। ऊर्जा के संरक्षण के नियम की खोज के बाद। यह अवधारणा पर आधारित है आंतरिक ऊर्जा. "आंतरिक" नाम का अर्थ है कि सिस्टम को गतिमान और परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं के एक समूह के रूप में माना जाता है। आइए हम इस प्रश्न पर ध्यान दें कि थर्मोडायनामिक्स और आणविक-गतिज सिद्धांत के बीच क्या संबंध है।

थर्मोडायनामिक्स और सांख्यिकीय यांत्रिकी।

थर्मल प्रक्रियाओं का पहला वैज्ञानिक सिद्धांत आणविक गतिज सिद्धांत नहीं था, बल्कि ऊष्मप्रवैगिकी था।

ऊष्मप्रवैगिकी काम करने के लिए गर्मी के उपयोग के लिए इष्टतम स्थितियों के अध्ययन में उत्पन्न हुई। यह 19वीं शताब्दी के मध्य में हुआ, आणविक-गतिज सिद्धांत को सामान्य मान्यता प्राप्त होने से बहुत पहले। उसी समय, यह साबित हो गया कि यांत्रिक ऊर्जा के साथ-साथ मैक्रोस्कोपिक निकायों में भी शरीर के भीतर ही ऊर्जा निहित होती है।

अब विज्ञान और प्रौद्योगिकी में, ऊष्मीय परिघटनाओं के अध्ययन में, थर्मोडायनामिक्स और आणविक-गतिज सिद्धांत दोनों का उपयोग किया जाता है। सैद्धांतिक भौतिकी में, आणविक गतिज सिद्धांत को कहा जाता है सांख्यिकीय यांत्रिकी

ऊष्मप्रवैगिकी और सांख्यिकीय यांत्रिकी एक ही घटना का विभिन्न तरीकों से अध्ययन करते हैं और एक दूसरे के पूरक हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालीऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान करने वाले अंतःक्रियात्मक निकायों का एक समूह कहलाता है।

आणविक-गतिज सिद्धांत में आंतरिक ऊर्जा।

ऊष्मप्रवैगिकी में मूल अवधारणा आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा है।

शरीर की आंतरिक ऊर्जा(सिस्टम) अणुओं की अराजक तापीय गति की गतिज ऊर्जा और उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा का योग है।

समग्र रूप से शरीर (प्रणाली) की यांत्रिक ऊर्जा आंतरिक ऊर्जा में शामिल नहीं होती है। उदाहरण के लिए, समान परिस्थितियों में दो समान जहाजों में गैसों की आंतरिक ऊर्जा जहाजों की गति और एक दूसरे के सापेक्ष उनके स्थान की परवाह किए बिना समान होती है।

मैक्रोस्कोपिक निकायों में अणुओं की बड़ी संख्या के कारण, व्यक्तिगत अणुओं की गति और एक दूसरे के सापेक्ष उनकी स्थिति को ध्यान में रखते हुए, शरीर की आंतरिक ऊर्जा (या इसके परिवर्तन) की गणना करना व्यावहारिक रूप से असंभव है। इसलिए, मैक्रोस्कोपिक मापदंडों के आधार पर आंतरिक ऊर्जा (या इसके परिवर्तन) के मूल्य को निर्धारित करने में सक्षम होना आवश्यक है जिसे सीधे मापा जा सकता है।

एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा।

आइए हम एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करें।

मॉडल के अनुसार, एक आदर्श गैस के अणु आपस में परस्पर क्रिया नहीं करते हैं, इसलिए, उनकी अंतःक्रिया की स्थितिज ऊर्जा शून्य होती है। एक आदर्श गैस की संपूर्ण आंतरिक ऊर्जा उसके अणुओं की यादृच्छिक गति की गतिज ऊर्जा से निर्धारित होती है।

द्रव्यमान m के साथ एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करने के लिए, आपको एक परमाणु की औसत गतिज ऊर्जा को परमाणुओं की संख्या से गुणा करना होगा। kN A = R को ध्यान में रखते हुए, हम एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के लिए सूत्र प्राप्त करते हैं:

एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके परम ताप के समानुपाती होती है।

यह सिस्टम के वॉल्यूम और अन्य मैक्रोस्कोपिक मापदंडों पर निर्भर नहीं करता है।

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

यानी, यह गैस की प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं के तापमान से निर्धारित होता है और प्रक्रिया पर निर्भर नहीं करता है।

यदि एक आदर्श गैस में एक परमाणु की तुलना में अधिक जटिल अणु होते हैं, तो इसकी आंतरिक ऊर्जा भी पूर्ण तापमान के समानुपाती होती है, लेकिन U और T के बीच आनुपातिकता का गुणांक भिन्न होता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि जटिल अणु न केवल आगे बढ़ते हैं, बल्कि अपनी संतुलन स्थिति के बारे में घूमते और दोलन भी करते हैं। ऐसी गैसों की आंतरिक ऊर्जा अणुओं की स्थानांतरीय, घूर्णी और कंपन गतियों की ऊर्जाओं के योग के बराबर होती है। इसलिए, एक पॉलीऐटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा एक ही तापमान पर एक मोनोएटोमिक गैस की ऊर्जा से अधिक होती है।

मैक्रोस्कोपिक मापदंडों पर आंतरिक ऊर्जा की निर्भरता।

हमने स्थापित किया है कि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा एक पैरामीटर - तापमान पर निर्भर करती है।

वास्तविक गैसों, द्रवों और ठोस पदार्थों के लिए, अणुओं की परस्पर क्रिया की औसत स्थितिज ऊर्जा शून्य के बराबर नहीं. सच है, गैसों के लिए यह अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा से बहुत कम है, लेकिन ठोस और तरल निकायों के लिए इसकी तुलना की जाती है।

गैस के अणुओं की परस्पर क्रिया की औसत संभावित ऊर्जा पदार्थ के आयतन पर निर्भर करती है, क्योंकि जब आयतन बदलता है, तो अणुओं के बीच की औसत दूरी बदल जाती है। नतीजतन, थर्मोडायनामिक्स में एक वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा आमतौर पर तापमान टी के साथ, वॉल्यूम वी पर निर्भर करती है।

क्या यह तर्क दिया जा सकता है कि वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा दबाव पर निर्भर करती है, इस तथ्य के आधार पर कि दबाव को गैस के तापमान और मात्रा के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है।

मैक्रोस्कोपिक मापदंडों के मान (वॉल्यूम वी का तापमान टी, आदि) स्पष्ट रूप से निकायों की स्थिति निर्धारित करते हैं। इसलिए, वे मैक्रोस्कोपिक निकायों की आंतरिक ऊर्जा भी निर्धारित करते हैं।

मैक्रोस्कोपिक निकायों की आंतरिक ऊर्जा यू विशिष्ट रूप से इन निकायों की स्थिति को दर्शाने वाले मापदंडों द्वारा निर्धारित की जाती है: तापमान और आयतन।

एमकेटी के अनुसार, सभी पदार्थ ऐसे कणों से बने होते हैं जो निरंतर तापीय गति में होते हैं और एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। इसलिए, भले ही शरीर गतिहीन हो और शून्य संभावित ऊर्जा हो, इसमें ऊर्जा (आंतरिक ऊर्जा) होती है, जो शरीर को बनाने वाले सूक्ष्म कणों की गति और परस्पर क्रिया की कुल ऊर्जा होती है। आंतरिक ऊर्जा की संरचना में शामिल हैं:

1. अणुओं के स्थानांतरीय, घूर्णी और कंपन गति की गतिज ऊर्जा;
2. परमाणुओं और अणुओं की बातचीत की संभावित ऊर्जा;
3. अंतःपरमाणुक और अंतःपरमाणुक ऊर्जा।

ऊष्मप्रवैगिकी में, प्रक्रियाओं को उस तापमान पर माना जाता है जिस पर अणुओं में परमाणुओं की दोलन गति उत्तेजित नहीं होती है, अर्थात। तापमान 1000 K से अधिक नहीं है। इन प्रक्रियाओं में आंतरिक ऊर्जा के केवल पहले दो घटक बदलते हैं। इसीलिए

नीचे आंतरिक ऊर्जाऊष्मप्रवैगिकी में, वे एक शरीर के सभी अणुओं और परमाणुओं की गतिज ऊर्जा और उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा के योग को समझते हैं।

शरीर की आंतरिक ऊर्जा उसकी तापीय अवस्था को निर्धारित करती है और एक अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण के दौरान बदलती है। किसी दिए गए राज्य में, शरीर में एक अच्छी तरह से परिभाषित आंतरिक ऊर्जा होती है, जो उस प्रक्रिया से स्वतंत्र होती है जिसके द्वारा वह दी गई अवस्था में प्रवेश करती है। इसलिए, आंतरिक ऊर्जा को अक्सर कहा जाता है शरीर राज्य समारोह.

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)

कहाँ पे मैं- आज़ादी की श्रेणी। एक परमाणु गैस के लिए (उदाहरण के लिए, अक्रिय गैस) मैं= 3, द्विपरमाणुक के लिए - मैं = 5.

इन सूत्रों से यह देखा जा सकता है कि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान और अणुओं की संख्या पर निर्भर करता हैऔर मात्रा या दबाव पर निर्भर नहीं करता है। इसलिए, एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन केवल उसके तापमान में परिवर्तन से निर्धारित होता है और उस प्रक्रिया की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है जिसमें गैस एक राज्य से दूसरे राज्य में जाती है:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)

जहां टी = टी 2 - टी 1 .

• वास्तविक गैसों के अणु एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और इसलिए उनमें स्थितिज ऊर्जा होती है वू p , जो अणुओं के बीच की दूरी और, परिणामस्वरूप, गैस द्वारा कब्जा किए गए आयतन पर निर्भर करता है। इस प्रकार, एक वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके तापमान, आयतन और आणविक संरचना पर निर्भर करती है।

*सूत्र की व्युत्पत्ति

अणु की औसत गतिज ऊर्जा \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\)।

गैस में अणुओं की संख्या \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\)।

इसलिए, एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा

\(~U = N \cdot \left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)

मान लें कि कोनए = आरसार्वत्रिक गैस नियतांक है, हमारे पास है

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा है।

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

व्यावहारिक मुद्दों को हल करने के लिए, यह आंतरिक ऊर्जा ही नहीं है जो महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, बल्कि इसका परिवर्तन यू = यू 2 - यूएक । आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना ऊर्जा संरक्षण के नियमों के आधार पर की जाती है।

शरीर की आंतरिक ऊर्जा दो तरह से बदल सकती है:

1. कब बनेगा यांत्रिक कार्य. ए) यदि कोई बाहरी बल शरीर के विरूपण का कारण बनता है, तो कणों के बीच की दूरी में परिवर्तन होता है, और इसलिए, कणों की बातचीत की संभावित ऊर्जा बदल जाती है। बेलोचदार विकृतियों के साथ, इसके अलावा, शरीर का तापमान बदल जाता है, अर्थात। कणों की तापीय गति की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन होता है। लेकिन जब शरीर विकृत हो जाता है, तो कार्य किया जाता है, जो शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक उपाय है। b) किसी पिंड की किसी अन्य पिंड के साथ बेलोचदार टक्कर के दौरान उसकी आंतरिक ऊर्जा भी बदल जाती है। जैसा कि हमने पहले देखा, पिंडों की अकुशल टक्कर के दौरान, उनकी गतिज ऊर्जा कम हो जाती है, यह आंतरिक ऊर्जा में बदल जाती है (उदाहरण के लिए, यदि आप हथौड़े से कई बार निहाई पर पड़े तार को मारते हैं, तो तार गर्म हो जाएगा)। किसी पिंड की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन का माप, गतिज ऊर्जा प्रमेय के अनुसार, अभिनय बलों का कार्य है। यह कार्य आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के उपाय के रूप में भी कार्य कर सकता है। ग) शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन घर्षण बल की क्रिया के तहत होता है, क्योंकि, जैसा कि अनुभव से जाना जाता है, घर्षण हमेशा शरीर को रगड़ने के तापमान में परिवर्तन के साथ होता है। घर्षण बल का कार्य आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के माप के रूप में कार्य कर सकता है।
2. मदद से गर्मी का हस्तांतरण. उदाहरण के लिए, यदि किसी वस्तु को बर्नर की लौ में रखा जाता है, तो उसका तापमान बदल जाएगा, और इसलिए उसकी आंतरिक ऊर्जा भी बदल जाएगी। हालांकि, यहां कोई काम नहीं हुआ, क्योंकि न तो शरीर की और न ही उसके अंगों की कोई हलचल दिखाई दे रही थी।

किसी निकाय की आंतरिक ऊर्जा में बिना कार्य किये हुए परिवर्तन को कहते हैं गर्मी विनिमय(गर्मी का हस्तांतरण)।

गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं: चालन, संवहन और विकिरण।

एक) ऊष्मीय चालकताशरीर के कणों के थर्मल अराजक आंदोलन के कारण, उनके सीधे संपर्क में निकायों (या शरीर के अंगों) के बीच गर्मी विनिमय की प्रक्रिया है। एक ठोस शरीर के अणुओं के दोलनों का आयाम जितना अधिक होता है, उसका तापमान उतना ही अधिक होता है। गैसों की तापीय चालकता उनके टकराव के दौरान गैस के अणुओं के बीच ऊर्जा के आदान-प्रदान के कारण होती है। तरल पदार्थों के मामले में, दोनों तंत्र काम करते हैं। किसी पदार्थ की तापीय चालकता ठोस अवस्था में अधिकतम और गैसीय अवस्था में न्यूनतम होती है।

बी) कंवेक्शनतरल या गैस के गर्म प्रवाह द्वारा उनके द्वारा कब्जा किए गए आयतन के एक भाग से दूसरे भाग में ऊष्मा का स्थानांतरण होता है।

सी) गर्मी हस्तांतरण विकिरणविद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से दूरी पर किया जाता है।

आइए अधिक विस्तार से विचार करें कि आंतरिक ऊर्जा को कैसे बदला जाए।

यांत्रिक कार्य

थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं पर विचार करते समय, संपूर्ण रूप से मैक्रोबॉडीज के यांत्रिक आंदोलन पर विचार नहीं किया जाता है। यहां काम की अवधारणा शरीर के आयतन में बदलाव से जुड़ी है, यानी। एक दूसरे के सापेक्ष स्थूल शरीर के गतिशील भाग। इस प्रक्रिया से कणों के बीच की दूरी में परिवर्तन होता है, और अक्सर उनके आंदोलन की गति में भी परिवर्तन होता है, इसलिए, शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है।

समदाब रेखीय प्रक्रिया

पहले आइसोबैरिक प्रक्रिया पर विचार करें। तापमान पर चल पिस्टन के साथ एक सिलेंडर में गैस होने दें टी 1 (चित्र 1)।

हम गैस को धीरे-धीरे एक तापमान पर गर्म करेंगे टी 2. गैस समदाबीय रूप से विस्तारित होगी और पिस्टन स्थिति से आगे बढ़ेगा 1 स्थिति में 2 दूरी मैं. इस मामले में, गैस का दबाव बल बाहरी निकायों पर काम करेगा। इसलिये पी= स्थिरांक, फिर दाब बल एफ = पी⋅एसस्थिर भी। इसलिए, इस बल के कार्य की गणना सूत्र द्वारा की जा सकती है

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

जहां वी- गैस की मात्रा में परिवर्तन।

• यदि गैस का आयतन (आइसोकोरिक प्रक्रिया) नहीं बदलता है, तो गैस द्वारा किया गया कार्य शून्य होता है।

• गैस अपने आयतन को बदलने की प्रक्रिया में ही काम करती है।

विस्तार करते समय (Δ वी> 0) गैस पर धनात्मक कार्य होता है ( लेकिन> 0); संपीड़न के तहत (Δ वी < 0) газа совершается отрицательная работа (लेकिन < 0).

• अगर हम बाहरी ताकतों के काम पर विचार करें ए " (लेकिन " = –लेकिन), फिर विस्तार के साथ (Δ .) वी> 0) गैस लेकिन " < 0); при сжатии (Δवी < 0) लेकिन " > 0.

आइए दो गैस राज्यों के लिए क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण लिखें:

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

इसलिए, अत समदाब रेखीय प्रक्रिया

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

यदि = 1 mol, तो Δ . पर Τ = 1 K हम पाते हैं कि आरसंख्यात्मक रूप से बराबर है ए.

इसलिए इस प्रकार है सार्वभौमिक गैस स्थिरांक का भौतिक अर्थ: यह संख्यात्मक रूप से एक आदर्श गैस के 1 मोल द्वारा किए गए कार्य के बराबर है, जब इसे 1 K द्वारा समद्विबाहु रूप से गर्म किया जाता है।

एक समदाब रेखीय प्रक्रिया नहीं

चार्ट पर पी (वी) एक समदाब रेखीय प्रक्रिया में, कार्य चित्र 2 में छायांकित आयत के क्षेत्रफल के बराबर होता है, a.

यदि प्रक्रिया समदाब रेखीय नहीं(चित्र 2, बी), फिर फ़ंक्शन वक्र पी = एफ(वी) को एक टूटी हुई रेखा के रूप में दर्शाया जा सकता है जिसमें बड़ी संख्या में आइसोकोर और आइसोबार होते हैं। समद्विबाहु वर्गों पर कार्य शून्य के बराबर है, और सभी समदाब रेखीय खंडों पर कुल कार्य बराबर होगा

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\), या \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )

वे। के बराबर होगा छायांकित आकृति का क्षेत्रफल.

पर समतापी प्रक्रिया (टी= कास्ट) कार्य चित्रा 2, सी में दिखाए गए छायांकित आकृति के क्षेत्र के बराबर है।

अंतिम सूत्र का उपयोग करके कार्य का निर्धारण तभी संभव है जब यह ज्ञात हो कि गैस का दबाव उसके आयतन में परिवर्तन के साथ कैसे बदलता है, अर्थात। फ़ंक्शन का रूप ज्ञात है पी = एफ(वी).

इस प्रकार, यह स्पष्ट है कि गैस की मात्रा में समान परिवर्तन के साथ भी, कार्य संक्रमण की विधि पर निर्भर करेगा (अर्थात, प्रक्रिया पर: इज़ोटेर्मल, आइसोबैरिक ...) गैस की प्रारंभिक अवस्था से अंतिम तक। अतः यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि

• ऊष्मप्रवैगिकी में कार्य एक प्रक्रिया फलन है न कि एक अवस्था फलन।

गर्मी की मात्रा

जैसा कि आप जानते हैं, विभिन्न यांत्रिक प्रक्रियाओं के दौरान, यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है वू. यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन का माप तंत्र पर लागू बलों का कार्य है:

\(~\DeltaW = A.\)

गर्मी हस्तांतरण के दौरान, शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है। ऊष्मा स्थानांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का माप ऊष्मा की मात्रा है।

गर्मी की मात्रागर्मी हस्तांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक उपाय है।

इस प्रकार, काम और गर्मी की मात्रा दोनों ही ऊर्जा में परिवर्तन की विशेषता है, लेकिन आंतरिक ऊर्जा के समान नहीं हैं। वे स्वयं सिस्टम की स्थिति (आंतरिक ऊर्जा के रूप में) की विशेषता नहीं रखते हैं, लेकिन जब राज्य बदलता है और अनिवार्य रूप से प्रक्रिया की प्रकृति पर निर्भर करता है, तो एक रूप से दूसरे (एक शरीर से दूसरे शरीर में) ऊर्जा संक्रमण की प्रक्रिया निर्धारित करता है।

काम और गर्मी के बीच मुख्य अंतर यह है कि

• कार्य प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को बदलने की प्रक्रिया की विशेषता है, साथ ही ऊर्जा को एक प्रकार से दूसरे प्रकार (यांत्रिक से आंतरिक) में परिवर्तन के साथ;
• गर्मी की मात्रा एक शरीर से दूसरे शरीर में आंतरिक ऊर्जा के हस्तांतरण की प्रक्रिया की विशेषता है (अधिक गर्म से कम गर्म तक), ऊर्जा परिवर्तनों के साथ नहीं।

गर्म करना ठंडा करना)

अनुभव से पता चलता है कि किसी पिंड को द्रव्यमान के साथ गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा एमतापमान टी 1 से तापमान टी 2 की गणना सूत्र द्वारा की जाती है

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

कहाँ पे सी- किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता (तालिका मान);

\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)

विशिष्ट ऊष्मा का SI मात्रक जूल प्रति किलोग्राम-केल्विन (J/(kg K)) है।

विशिष्ट ऊष्मा सीसंख्यात्मक रूप से ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है जिसे 1 किलो द्रव्यमान के पिंड को 1 K तक गर्म करने के लिए दिया जाना चाहिए।

विशिष्ट ऊष्मा क्षमता के अलावा, शरीर की ऊष्मा क्षमता जैसी मात्रा को भी माना जाता है।

ताप की गुंजाइशतन सीसंख्यात्मक रूप से शरीर के तापमान को 1 K बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के बराबर:

\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)

किसी पिंड की ऊष्मा क्षमता की SI इकाई जूल प्रति केल्विन (J/K) है।

वाष्पीकरण (संघनन)

एक स्थिर तापमान पर एक तरल को वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है

\(~Q = L\cdot m,\)

कहाँ पे ली- वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा (तालिका मान)। जब भाप संघनित होती है, तो उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है।

वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा के लिए SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

पिघलने (क्रिस्टलीकरण)

एक क्रिस्टलीय पिंड को द्रव्यमान के साथ पिघलाने के लिए एमगलनांक पर, शरीर को गर्मी की मात्रा की रिपोर्ट करना आवश्यक है

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

कहाँ पे λ - संलयन की विशिष्ट ऊष्मा (तालिका मान)। किसी पिंड के क्रिस्टलीकरण के दौरान उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है।

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा के लिए SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

ईंधन दहन

ईंधन द्रव्यमान के पूर्ण दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा एम,

\(~Q = q \cdot m,\)

कहाँ पे क्यू- दहन की विशिष्ट ऊष्मा (तालिका मान)।

दहन की विशिष्ट ऊष्मा के लिए SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

साहित्य

हाई स्कूल में अक्सेनोविच एल.ए. भौतिकी: सिद्धांत। कार्य। टेस्ट: प्रो. सामान्य प्रदान करने वाले संस्थानों के लिए भत्ता। वातावरण, शिक्षा / एल.ए. अक्सनोविच, एन.एन. रकीना, के.एस. फ़ारिनो; ईडी। के एस फरिनो। - एमएन।: अदुकात्सिया और व्यखवन, 2004। - सी। 129-133, 152-161।

यूएसई कोडिफायर के विषयकीवर्ड: आंतरिक ऊर्जा, गर्मी हस्तांतरण, गर्मी हस्तांतरण के प्रकार।

किसी भी पिंड के कण - परमाणु या अणु - एक अराजक निरंतर गति करते हैं (तथाकथित तापीय गति) इसलिए, प्रत्येक कण में कुछ गतिज ऊर्जा होती है।

इसके अलावा, पदार्थ के कण विद्युत आकर्षण और प्रतिकर्षण की ताकतों के साथ-साथ परमाणु बलों के माध्यम से एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। इसलिए, किसी दिए गए शरीर के कणों की पूरी प्रणाली में भी संभावित ऊर्जा होती है।

कणों की ऊष्मीय गति की गतिज ऊर्जा और उनकी परस्पर क्रिया की स्थितिज ऊर्जा एक साथ मिलकर एक नई प्रकार की ऊर्जा का निर्माण करती है जो शरीर की यांत्रिक ऊर्जा (अर्थात, समग्र रूप से शरीर की गति की गतिज ऊर्जा) में कम नहीं होती है। अन्य निकायों के साथ इसकी बातचीत की संभावित ऊर्जा)। इस प्रकार की ऊर्जा को आंतरिक ऊर्जा कहते हैं।

किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा उसके कणों की ऊष्मीय गति की कुल गतिज ऊर्जा प्लस एक दूसरे के साथ उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा है.

थर्मोडायनामिक सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा सिस्टम में शामिल निकायों की आंतरिक ऊर्जा का योग है.

इस प्रकार, शरीर की आंतरिक ऊर्जा निम्नलिखित शब्दों से बनती है।

1. शरीर के कणों की निरंतर अराजक गति की गतिज ऊर्जा।
2. अणुओं (परमाणुओं) की संभावित ऊर्जा, अंतर-आणविक संपर्क की ताकतों के कारण।
3. परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा।
4. इंट्रान्यूक्लियर एनर्जी।

पदार्थ के सबसे सरल मॉडल के मामले में - एक आदर्श गैस - आंतरिक ऊर्जा के लिए एक स्पष्ट सूत्र प्राप्त किया जा सकता है।

एक परमाणु आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा

एक आदर्श गैस के कणों के बीच परस्पर क्रिया की स्थितिज ऊर्जा शून्य होती है (याद रखें कि आदर्श गैस मॉडल में हम दूरी पर कणों की परस्पर क्रिया की उपेक्षा करते हैं)। इसलिए, एक मोनोएटोमिक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा को उसके परमाणुओं के ट्रांसलेशनल की कुल गतिज ऊर्जा में घटा दिया जाता है (एक पॉलीएटोमिक गैस के लिए अणुओं के रोटेशन और अणुओं के भीतर परमाणुओं के कंपन को भी ध्यान में रखना चाहिए)। यह ऊर्जा एक परमाणु की औसत गतिज ऊर्जा से गैस परमाणुओं की संख्या को गुणा करके पाई जा सकती है:

हम देखते हैं कि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा (जिसका द्रव्यमान और रासायनिक संरचना अपरिवर्तित रहती है) केवल उसके तापमान का एक कार्य है। एक वास्तविक गैस, तरल या ठोस के लिए, आंतरिक ऊर्जा भी मात्रा पर निर्भर करेगी - आखिरकार, जब मात्रा बदलती है, तो कणों की सापेक्ष स्थिति बदल जाती है और परिणामस्वरूप, उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा।

स्थिति समारोह

आंतरिक ऊर्जा का सबसे महत्वपूर्ण गुण यह है कि यह है राज्य समारोहथर्मोडायनामिक प्रणाली। अर्थात्, आंतरिक ऊर्जा विशिष्ट रूप से सिस्टम की विशेषता वाले मैक्रोस्कोपिक मापदंडों के एक सेट द्वारा निर्धारित की जाती है और यह सिस्टम के "प्रागितिहास" पर निर्भर नहीं करती है, अर्थात। उस स्थिति पर जिसमें यह प्रणाली पहले थी और इस राज्य में यह विशेष रूप से कैसे समाप्त हुई।

इसलिए, एक प्रणाली के एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान, इसकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन केवल सिस्टम की प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है और निर्भर नहीं करताप्रारंभिक अवस्था से अंतिम अवस्था में संक्रमण के मार्ग से। यदि निकाय अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाता है, तो इसकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन शून्य होता है।

अनुभव से पता चलता है कि शरीर की आंतरिक ऊर्जा को बदलने के केवल दो तरीके हैं:

यांत्रिक कार्य करना;
गर्मी का हस्तांतरण।

सीधे शब्दों में कहें, आप केतली को केवल दो मौलिक रूप से अलग-अलग तरीकों से गर्म कर सकते हैं: इसे किसी चीज़ से रगड़ें या आग लगा दें :-) आइए इन तरीकों पर अधिक विस्तार से विचार करें।

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन: कार्य करना

अगर काम हो गया के ऊपरशरीर, शरीर की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है।

उदाहरण के लिए, हथौड़े से मारने के बाद कील गर्म हो जाती है और थोड़ा विकृत हो जाती है। लेकिन तापमान किसी पिंड के कणों की औसत गतिज ऊर्जा का माप है। एक कील को गर्म करने से उसके कणों की गतिज ऊर्जा में वृद्धि का संकेत मिलता है: वास्तव में, कण हथौड़े के प्रहार से और बोर्ड के खिलाफ कील के घर्षण से त्वरित होते हैं।

विरूपण और कुछ नहीं बल्कि एक दूसरे के सापेक्ष कणों का विस्थापन है; प्रभाव के बाद, नाखून संपीड़न विरूपण से गुजरता है, इसके कण एक दूसरे के पास जाते हैं, उनके बीच प्रतिकारक बल बढ़ जाते हैं, और इससे नाखून कणों की संभावित ऊर्जा में वृद्धि होती है।

तो, नाखून की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि हुई है। यह उस पर किए गए कार्य का परिणाम था - कार्य हथौड़े और बोर्ड पर घर्षण बल द्वारा किया गया था।

अगर काम हो गया खुद सेशरीर, तो शरीर की आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।

उदाहरण के लिए, एक पिस्टन के नीचे एक थर्मली इंसुलेटेड बर्तन में संपीड़ित हवा का विस्तार होता है और एक निश्चित भार उठाता है, जिससे काम होता है (थर्मल इंसुलेटेड बर्तन में प्रक्रिया को कहा जाता है) स्थिरोष्म. हम ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम पर विचार करके रुद्धोष्म प्रक्रम का अध्ययन करेंगे)। इस तरह की प्रक्रिया के दौरान, हवा ठंडी हो जाएगी - इसके अणु, चलती पिस्टन के बाद टकराते हुए, इसे अपनी गतिज ऊर्जा का हिस्सा देते हैं। (उसी तरह, एक फुटबॉल खिलाड़ी अपने पैर से एक तेज-तर्रार गेंद को रोकता है, अपने पैर से एक आंदोलन करता है सेगेंद और उसकी गति को बुझा देती है।) इसलिए, हवा की आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।

वायु, इसलिए, अपनी आंतरिक ऊर्जा के कारण काम करती है: चूंकि पोत थर्मल रूप से अछूता है, किसी भी बाहरी स्रोत से हवा में कोई ऊर्जा प्रवाह नहीं होता है, और हवा केवल अपने स्वयं के भंडार से काम करने के लिए ऊर्जा खींच सकती है।

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन: गर्मी हस्तांतरण

गर्मी हस्तांतरण एक गर्म शरीर से एक ठंडे शरीर में आंतरिक ऊर्जा के हस्तांतरण की प्रक्रिया है, यांत्रिक कार्य के प्रदर्शन से जुड़ा नहीं है।. गर्मी हस्तांतरण या तो निकायों के सीधे संपर्क द्वारा, या एक मध्यवर्ती माध्यम (और यहां तक ​​कि एक वैक्यूम के माध्यम से) के माध्यम से किया जा सकता है। ऊष्मा स्थानांतरण को भी कहते हैं गर्मी विनिमय.

गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं: चालन, संवहन और तापीय विकिरण।

अब हम उन्हें और अधिक विस्तार से देखेंगे।

ऊष्मीय चालकता

यदि आप लोहे की छड़ को एक छोर से आग में डालते हैं, तो जैसा कि हम जानते हैं, आप इसे अपने हाथ में लंबे समय तक नहीं रख सकते। उच्च तापमान के क्षेत्र में प्रवेश करने पर, लोहे के परमाणु अधिक तीव्रता से कंपन करना शुरू कर देते हैं (अर्थात, अतिरिक्त गतिज ऊर्जा प्राप्त करते हैं) और अपने पड़ोसियों पर अधिक प्रहार करते हैं।

पड़ोसी परमाणुओं की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है, और अब ये परमाणु अपने पड़ोसियों को अतिरिक्त गतिज ऊर्जा प्रदान करते हैं। तो, खंड से खंड तक, गर्मी धीरे-धीरे छड़ के साथ फैलती है - आग में रखे अंत से हमारे हाथ तक। यह तापीय चालकता है (चित्र 1) (शैक्षिकइलेक्ट्रॉनिकसुसा.कॉम से छवि)।

चावल। 1. तापीय चालकता

ऊष्मीय गति और शरीर के कणों की परस्पर क्रिया के कारण शरीर के अधिक गर्म भागों से कम गर्म भागों में आंतरिक ऊर्जा का स्थानांतरण तापीय चालकता है।.

विभिन्न पदार्थों की तापीय चालकता भिन्न होती है। धातुओं में उच्च तापीय चालकता होती है: चांदी, तांबा और सोना गर्मी के सबसे अच्छे संवाहक हैं। द्रवों की तापीय चालकता बहुत कम होती है। गैसें इतनी बुरी तरह से गर्मी का संचालन करती हैं कि वे पहले से ही हीट इंसुलेटर से संबंधित हैं: उनके बीच बड़ी दूरी के कारण, गैस के अणु एक दूसरे के साथ कमजोर रूप से बातचीत करते हैं। इसीलिए, उदाहरण के लिए, खिड़कियों में डबल फ्रेम बनाए जाते हैं: हवा की एक परत गर्मी को बाहर निकलने से रोकती है)।

इसलिए, झरझरा शरीर, जैसे ईंट, ऊन या फर, ऊष्मा के कुचालक होते हैं। उनके छिद्रों में हवा होती है। कोई आश्चर्य नहीं कि ईंट के घरों को सबसे गर्म माना जाता है, और ठंड के मौसम में लोग नीचे या पैडिंग पॉलिएस्टर की परत के साथ फर कोट और जैकेट पहनते हैं।

लेकिन अगर हवा इतनी खराब तरीके से गर्मी का संचालन करती है, तो बैटरी से कमरा गर्म क्यों होता है?

यह एक अन्य प्रकार के गर्मी हस्तांतरण - संवहन के कारण होता है।

कंवेक्शन

संवहन प्रवाह के संचलन और पदार्थ के मिश्रण के परिणामस्वरूप तरल या गैसों में आंतरिक ऊर्जा का स्थानांतरण है.

बैटरी के पास की हवा गर्म होती है और फैलती है। इस वायु पर कार्य करने वाला गुरुत्वाकर्षण बल समान रहता है, लेकिन आसपास की हवा से उत्प्लावन बल बढ़ जाता है, जिससे गर्म हवा छत की ओर तैरने लगती है। इसके स्थान पर ठंडी हवा आती है (वही प्रक्रिया, लेकिन बहुत बड़े पैमाने पर, प्रकृति में लगातार होती है: इस तरह हवा उठती है), जिसके साथ वही बात दोहराई जाती है।

नतीजतन, वायु परिसंचरण स्थापित होता है, जो संवहन के उदाहरण के रूप में कार्य करता है - कमरे में गर्मी का वितरण वायु धाराओं द्वारा किया जाता है।

एक तरल में पूरी तरह से समान प्रक्रिया देखी जा सकती है। जब आप चूल्हे पर केतली या पानी का बर्तन रखते हैं, तो पानी मुख्य रूप से संवहन के कारण गर्म होता है (यहां पानी की तापीय चालकता का योगदान बहुत महत्वहीन है)।

हवा और तरल में संवहन धाराओं को अंजीर में दिखाया गया है। 2 (भौतिकी.एरिज़ोना.edu से छवियाँ)।

चावल। 2. संवहन

ठोस पदार्थों में कोई संवहन नहीं होता है: कणों की परस्पर क्रिया बल बड़े होते हैं, कण निश्चित स्थानिक बिंदुओं (क्रिस्टल जाली के नोड्स) के पास दोलन करते हैं, और ऐसी परिस्थितियों में पदार्थ का कोई प्रवाह नहीं बन सकता है।

एक कमरे को गर्म करते समय संवहन धाराओं के संचलन के लिए यह आवश्यक है कि गर्म हवा तैरने के लिए जगह थी. यदि रेडिएटर छत के नीचे स्थापित है, तो कोई संचलन नहीं होगा - छत के नीचे गर्म हवा रहेगी। इसीलिए हीटिंग उपकरण रखे जाते हैं तल परकमरे। इसी कारण से, उन्होंने केतली डाल दी परआग, जिसके परिणामस्वरूप पानी की गर्म परतें उठती हैं, ठंडे लोगों को रास्ता देती हैं।

इसके विपरीत, एयर कंडीशनर को जितना संभव हो उतना ऊंचा रखा जाना चाहिए: फिर ठंडी हवा डूबने लगेगी, और गर्म हवा उसके स्थान पर आ जाएगी। कमरे को गर्म करते समय प्रवाह की गति की तुलना में परिसंचरण विपरीत दिशा में जाएगा।

ऊष्मीय विकिरण

पृथ्वी को सूर्य से ऊर्जा कैसे मिलती है? गर्मी चालन और संवहन को बाहर रखा गया है: हम 150 मिलियन किलोमीटर वायुहीन स्थान से अलग हैं।

यहाँ तीसरे प्रकार का ऊष्मा अंतरण है - ऊष्मीय विकिरण. विकिरण पदार्थ और निर्वात दोनों में फैल सकता है। यह कैसे उत्पन्न होता है?

यह पता चला है कि विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे से निकटता से संबंधित हैं और इनमें एक उल्लेखनीय संपत्ति है। यदि विद्युत क्षेत्र समय के साथ बदलता है, तो यह एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो आम तौर पर समय के साथ बदलता है (इस पर अधिक विद्युत चुम्बकीय प्रेरण पर पत्रक में चर्चा की जाएगी)। बदले में, एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो फिर से एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो फिर से एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है ...

इस प्रक्रिया के विकास के परिणामस्वरूप, विद्युत चुम्बकीय तरंग- एक दूसरे के विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के लिए "हुक"। ध्वनि की तरह, विद्युत चुम्बकीय तरंगों में प्रसार गति और आवृत्ति होती है - इस मामले में, यह वह आवृत्ति है जिसके साथ तरंगों में क्षेत्रों के परिमाण और दिशाओं में उतार-चढ़ाव होता है। दृश्यमान प्रकाश विद्युत चुम्बकीय तरंगों का एक विशेष मामला है।

निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार की गति बहुत अधिक होती है: किमी/सेकंड। तो, पृथ्वी से चंद्रमा तक, प्रकाश एक सेकंड से थोड़ा अधिक यात्रा करता है।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों की आवृत्ति रेंज बहुत व्यापक है। हम संबंधित शीट में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के पैमाने के बारे में अधिक बात करेंगे। यहां हम केवल यह नोट करते हैं कि दृश्य प्रकाश इस पैमाने की एक छोटी सी सीमा है। इसके नीचे अवरक्त विकिरण की आवृत्तियाँ हैं, ऊपर - पराबैंगनी विकिरण की आवृत्तियाँ।

अब याद करें कि परमाणु, आमतौर पर विद्युत रूप से तटस्थ होने के कारण, धनावेशित प्रोटॉन और ऋणात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये आवेशित कण, परमाणुओं के साथ मिलकर अराजक गति करते हैं, बारी-बारी से विद्युत क्षेत्र बनाते हैं और इस तरह विद्युत चुम्बकीय तरंगों को विकीर्ण करते हैं। इन तरंगों को कहा जाता है ऊष्मीय विकिरण- एक अनुस्मारक के रूप में कि उनका स्रोत पदार्थ के कणों की तापीय गति है।

कोई भी पिंड तापीय विकिरण का स्रोत है। इस मामले में, विकिरण अपनी आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा ले जाता है। दूसरे पिंड के परमाणुओं से मिलने के बाद, विकिरण उन्हें अपने दोलनशील विद्युत क्षेत्र के साथ तेज करता है, और इस शरीर की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। इस तरह हम धूप में तपते हैं।

सामान्य तापमान पर, थर्मल विकिरण की आवृत्तियां इन्फ्रारेड रेंज में होती हैं, ताकि आंख इसे न देख सके (हम यह नहीं देखते कि हम "चमक" कैसे करते हैं)। जब किसी पिंड को गर्म किया जाता है, तो उसके परमाणु उच्च आवृत्तियों की तरंगों का उत्सर्जन करने लगते हैं। एक लोहे की कील लाल-गर्म हो सकती है - इस तरह के तापमान पर लाया जाता है कि इसका थर्मल विकिरण दृश्य सीमा के निचले (लाल) हिस्से में जाएगा। और सूर्य हमें पीला-सफेद लगता है: सूर्य की सतह पर तापमान इतना अधिक होता है कि इसके विकिरण के स्पेक्ट्रम में दृश्य प्रकाश की सभी आवृत्तियाँ होती हैं, और यहाँ तक कि पराबैंगनी भी, जिसके लिए हम धूप सेंकते हैं।

आइए तीन प्रकार के ऊष्मा अंतरण पर एक और नज़र डालें (चित्र 3) (beodom.com से चित्र)।

चावल। 3. तीन प्रकार के गर्मी हस्तांतरण: चालन, संवहन और विकिरण