พลังงานภายในร่างกายคือพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ - คุณสมบัติ ทฤษฎี และสูตร

คุณเห็นจรวดกำลังบินขึ้น เธอทำงาน - ยกนักบินอวกาศและสินค้า พลังงานจลน์ของจรวดเพิ่มขึ้นเมื่อจรวดมีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ พลังงานศักย์ของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเมื่อมันสูงขึ้นและสูงขึ้นเหนือพื้นโลก ดังนั้น ผลรวมของพลังงานเหล่านี้ นั่นคือ พลังงานกลของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

เราจำได้ว่าเมื่อร่างกายทำงาน พลังงานจะลดลง อย่างไรก็ตาม จรวดทำงาน แต่พลังงานไม่ลดลง แต่เพิ่มขึ้น! ทางออกของความขัดแย้งคืออะไร? ปรากฎว่านอกจากพลังงานกลแล้วยังมีพลังงานอีกประเภทหนึ่งคือ กำลังภายใน.มันคือการลดพลังงานภายในของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ซึ่งจรวดทำงานเชิงกลและนอกจากนี้ยังเพิ่มพลังงานกลอีกด้วย

ไม่เพียงแค่ ติดไฟได้แต่ยัง ร้อนร่างกายมีพลังงานภายในที่สามารถแปลงเป็นงานเครื่องกลได้ง่าย มาทำการทดลองกัน เราต้มตุ้มน้ำหนักในน้ำเดือดแล้ววางลงบนกล่องดีบุกที่ติดกับเกจวัดแรงดัน เมื่ออากาศในกล่องอุ่นขึ้น ของเหลวในเกจวัดแรงดันจะเริ่มเคลื่อนที่ (ดูรูป)

อากาศที่ขยายตัวทำงานบนของเหลว สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานอะไร? แน่นอนเนื่องจากพลังงานภายในของกาเบลล์เบลล์ ดังนั้นในการทดลองนี้เราจึงสังเกต การแปลงพลังงานภายในร่างกายเป็นงานเครื่องกลโปรดทราบว่าพลังงานกลของน้ำหนักในการทดลองนี้ไม่เปลี่ยนแปลง แต่จะเท่ากับศูนย์เสมอ

ดังนั้น, กำลังภายใน- นี่คือพลังงานของร่างกายเนื่องจากการทำงานเชิงกลสามารถทำได้ในขณะที่ไม่ทำให้พลังงานกลของร่างกายลดลง

พลังงานภายในของร่างกายขึ้นอยู่กับหลายสาเหตุ ได้แก่ ชนิดและสถานะของสาร มวลและอุณหภูมิของร่างกาย และอื่นๆ ร่างกายทั้งหมดมีพลังงานภายใน: ใหญ่และเล็ก ร้อนและเย็น ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ

พลังงานภายในที่ใช้ง่ายที่สุดสำหรับความต้องการของมนุษย์คือพลังงานภายในของสารและร่างกายเท่านั้น เปรียบได้กับคำพูด ที่ร้อนและติดไฟได้ เหล่านี้คือน้ำมัน ก๊าซ ถ่านหิน แหล่งความร้อนใต้พิภพใกล้กับภูเขาไฟเป็นต้น นอกจากนี้ ในศตวรรษที่ 20 มนุษย์ได้เรียนรู้การใช้พลังงานภายในของสารกัมมันตภาพรังสีที่เรียกว่า เช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม และอื่นๆ

ดูที่ด้านขวาของแผนภาพ วรรณกรรมยอดนิยมมักกล่าวถึงความร้อน เคมี ไฟฟ้า อะตอม (นิวเคลียร์) และพลังงานประเภทอื่นๆ ตามกฎแล้วทั้งหมดเป็นพลังงานภายในที่หลากหลายเนื่องจากสามารถใช้ในการทำงานทางกลโดยไม่ทำให้สูญเสียพลังงานกล เราจะพิจารณาแนวคิดของพลังงานภายในโดยละเอียดยิ่งขึ้นในการศึกษาฟิสิกส์ต่อไป

ปฏิสัมพันธ์ของพวกเขา

พลังงานภายในรวมอยู่ใน ความสมดุลของการเปลี่ยนแปลงพลังงานในธรรมชาติหลังจากการค้นพบพลังงานภายในถูกคิดค้นขึ้น กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานพิจารณาการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของพลังงานกลและพลังงานภายใน ให้ลูกตะกั่วนอนบนแผ่นตะกั่ว ยกมันขึ้นแล้วปล่อยมันไป เมื่อเรายกลูกบอล เราแจ้งถึงพลังงานที่อาจเกิดขึ้น เมื่อลูกตกก็ลดลงเพราะลูกตกต่ำลง แต่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของลูกบอลจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น พลังงานศักย์ของลูกบอลจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ แต่แล้วลูกก็ชนแผ่นตะกั่วแล้วหยุด ทั้งจลนพลศาสตร์และพลังงานศักย์ที่สัมพันธ์กับเพลตมีค่าเท่ากับศูนย์ เมื่อมองไปที่ลูกบอลและแผ่นพื้นหลังจากการกระแทก เราจะเห็นว่าสถานะของพวกมันเปลี่ยนไป: ลูกบอลแบนเล็กน้อย และมีรอยบุบเล็กน้อยบนแผ่นพื้น เมื่อเราวัดอุณหภูมิ เราจะพบว่ามันอุ่นขึ้น

ความร้อนหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของร่างกาย ในระหว่างการเปลี่ยนรูปตำแหน่งสัมพัทธ์ของอนุภาคของร่างกายจะเปลี่ยนไป ดังนั้นพลังงานศักย์ของพวกมันก็จะเปลี่ยนไปด้วย

จึงสามารถโต้แย้งได้ว่าผลจากการกระทบของลูกบอลบนจาน พลังงานกลที่ลูกบอลมีอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการทดลองจะถูกแปลงเป็น พลังงานภายในร่างกาย

สังเกตการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับของพลังงานภายในเป็นพลังงานกลได้ไม่ยาก

ตัวอย่างเช่น หากคุณนำภาชนะแก้วที่มีผนังหนาและปั๊มลมผ่านรูในจุกไม้ก๊อก หลังจากนั้นครู่หนึ่งไม้ก๊อกก็จะลอยออกจากภาชนะ ณ จุดนี้ หมอกก่อตัวขึ้นในเรือ การปรากฏตัวของหมอกหมายความว่าอากาศในเรือเย็นลงและทำให้พลังงานภายในลดลง สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอากาศอัดในภาชนะที่ผลักจุก (เช่น การขยายออก) ทำงานโดยการลดพลังงานภายใน พลังงานจลน์ของจุกไม้ก๊อกเพิ่มขึ้นเนื่องจากพลังงานภายในของอากาศอัด

ดังนั้น วิธีหนึ่งในการเปลี่ยนพลังงานภายในร่างกายคืองานที่ทำโดยโมเลกุลของร่างกาย (หรือร่างกายอื่นๆ) บนร่างกายที่กำหนด วิธีเปลี่ยนพลังงานภายในโดยไม่ต้องทำงานคือ การถ่ายเทความร้อน.

พลังงานภายในของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคติ

เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซในอุดมคติไม่มีปฏิกิริยาระหว่างกัน พลังงานศักย์ของพวกมันจึงถือเป็นศูนย์ พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติถูกกำหนดโดยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลเท่านั้น ในการคำนวณ คุณต้องคูณพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอมด้วยจำนวนอะตอม . ระบุว่า k NA = Rเราได้รับค่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ:

.

พลังงานภายในของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคตินั้นแปรผันตรงกับอุณหภูมิของมัน หากเราใช้สมการ Clapeyron-Mendeleev นิพจน์สำหรับพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติสามารถแสดงได้ดังนี้:

.

ควรสังเกตว่าตามการแสดงออกของพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอม และเนื่องจากการสุ่มของการเคลื่อนไหว สำหรับแต่ละทิศทางที่เป็นไปได้ของการเคลื่อนไหว หรือแต่ละ ระดับความอิสระ, ตามแนวแกน X, Yและ Zมีพลังงานเท่ากัน

จำนวนองศาอิสระคือจำนวนทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่เป็นอิสระ

ก๊าซซึ่งแต่ละโมเลกุลประกอบด้วยสองอะตอมเรียกว่าไดอะตอมมิก แต่ละอะตอมสามารถเคลื่อนที่ได้สามทิศทาง ดังนั้นจำนวนทิศทางการเคลื่อนที่ทั้งหมดที่เป็นไปได้คือ 6 เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างโมเลกุล จำนวนองศาอิสระจึงลดลงหนึ่งองศา จำนวนองศาอิสระสำหรับโมเลกุลไดอะตอมมิกคือห้า.

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลไดอะตอมคือ ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซไดอะตอมมิกในอุดมคติคือ:

.

สูตรสำหรับพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติสามารถสรุปได้ดังนี้

.

ที่ไหน ผมคือจำนวนองศาอิสระของโมเลกุลแก๊ส ( ผม= 3 สำหรับ monatomic และ ผม= 5 สำหรับก๊าซไดอะตอม)

สำหรับก๊าซในอุดมคติ พลังงานภายในจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ระดับมหภาคเท่านั้น - อุณหภูมิ และไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร เนื่องจากพลังงานศักย์เป็นศูนย์ (ปริมาตรกำหนดระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุล)

สำหรับก๊าซจริง พลังงานศักย์ไม่เป็นศูนย์ ดังนั้นพลังงานภายในในอุณหพลศาสตร์ในกรณีทั่วไปจึงถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ที่กำหนดลักษณะเฉพาะของวัตถุเหล่านี้: ปริมาตร (วี)และอุณหภูมิ (ท).

« ฟิสิกส์ - เกรด 10 "

สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางความร้อนได้โดยใช้ปริมาณ (พารามิเตอร์ระดับมหภาค) ที่วัดโดยเครื่องมือต่างๆ เช่น มาโนมิเตอร์และเทอร์โมมิเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ไม่ตอบสนองต่อผลกระทบของแต่ละโมเลกุล ทฤษฎีกระบวนการทางความร้อนซึ่งไม่คำนึงถึงโครงสร้างโมเลกุลของร่างกายเรียกว่า อุณหพลศาสตร์. ในอุณหพลศาสตร์ กระบวนการพิจารณาจากมุมมองของการเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานรูปแบบอื่น

พลังงานภายในคืออะไร
คุณรู้วิธีเปลี่ยนพลังงานภายในอย่างไร?

อุณหพลศาสตร์ถูกสร้างขึ้นในกลางศตวรรษที่ 19 หลังการค้นพบกฎการอนุรักษ์พลังงาน มันขึ้นอยู่กับแนวคิด กำลังภายใน. ชื่อ "ภายใน" หมายถึงการพิจารณาระบบในฐานะกลุ่มของโมเลกุลที่เคลื่อนที่และมีปฏิสัมพันธ์ ให้เราอาศัยคำถามว่าความสัมพันธ์ระหว่างเทอร์โมไดนามิกส์กับทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์มีความสัมพันธ์กันอย่างไร

อุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์สถิติ

ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรกของกระบวนการทางความร้อนไม่ใช่ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล แต่เป็นทฤษฎีทางอุณหพลศาสตร์

อุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นในการศึกษาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการใช้ความร้อนในการทำงาน สิ่งนี้เกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ก่อนที่ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลจะได้รับการยอมรับโดยทั่วไป ในเวลาเดียวกัน ก็ได้รับการพิสูจน์แล้วว่า นอกจากพลังงานกลแล้ว วัตถุขนาดมหภาคยังมีพลังงานอยู่ภายในร่างกายด้วย

ตอนนี้ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อน มีการใช้ทั้งทฤษฎีอุณหพลศาสตร์และทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล ในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเรียกว่าทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล กลศาสตร์สถิติ

อุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์สถิติศึกษาปรากฏการณ์เดียวกันด้วยวิธีการที่แตกต่างกันและเสริมซึ่งกันและกัน

ระบบอุณหพลศาสตร์เรียกว่าชุดของร่างกายที่มีปฏิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนพลังงานและสสาร

พลังงานภายในในทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์

แนวคิดพื้นฐานในอุณหพลศาสตร์คือแนวคิดของพลังงานภายใน

พลังงานภายในร่างกาย(ระบบ) คือผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุลและพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์

พลังงานกลของร่างกาย (ระบบ) โดยรวมไม่รวมอยู่ในพลังงานภายใน ตัวอย่างเช่น พลังงานภายในของก๊าซในเรือสองลำที่เหมือนกันภายใต้สภาวะที่เท่ากันจะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนที่ของถังและตำแหน่งของพวกมันที่สัมพันธ์กัน

แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคำนวณพลังงานภายในของร่างกาย (หรือการเปลี่ยนแปลง) โดยคำนึงถึงการเคลื่อนไหวของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลและตำแหน่งของพวกมันที่สัมพันธ์กันเนื่องจากโมเลกุลจำนวนมากในร่างกายมหภาค ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสามารถกำหนดมูลค่าของพลังงานภายใน (หรือการเปลี่ยนแปลง) ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์มหภาคที่สามารถวัดได้โดยตรง

พลังงานภายในของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคติ

ให้เราคำนวณพลังงานภายในของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคติ

ตามแบบจำลอง โมเลกุลของก๊าซในอุดมคติไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ดังนั้น พลังงานศักย์ของปฏิกิริยาของพวกมันจึงเป็นศูนย์ พลังงานภายในทั้งหมดของก๊าซในอุดมคติถูกกำหนดโดยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุล

ในการคำนวณพลังงานภายในของก๊าซ monatomic ในอุดมคติที่มีมวล m คุณต้องคูณพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอมด้วยจำนวนอะตอม เมื่อพิจารณาว่า kN A = R เราได้รับสูตรสำหรับพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ:

พลังงานภายในของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคตินั้นแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน

ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณและพารามิเตอร์มหภาคอื่นๆ ของระบบ

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ

กล่าวคือ ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของก๊าซและไม่ขึ้นอยู่กับกระบวนการ

หากก๊าซในอุดมคติประกอบด้วยโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่าโมเลกุลเดี่ยว พลังงานภายในของมันก็แปรผันตามอุณหภูมิสัมบูรณ์เช่นกัน แต่ค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนระหว่าง U และ T ต่างกัน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลที่ซับซ้อนไม่เพียงแต่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ยังหมุนและสั่นเกี่ยวกับตำแหน่งสมดุลของพวกมันด้วย พลังงานภายในของก๊าซดังกล่าวมีค่าเท่ากับผลรวมของพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงแปล การหมุน และการสั่นสะเทือนของโมเลกุล ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซโพลีอะตอมมิกจึงมากกว่าพลังงานของก๊าซโมโนอะตอมที่อุณหภูมิเดียวกัน

การพึ่งพาพลังงานภายในกับพารามิเตอร์มหภาค

เราได้กำหนดว่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคตินั้นขึ้นอยู่กับหนึ่งพารามิเตอร์ - อุณหภูมิ

สำหรับก๊าซ ของเหลว และของแข็งจริง พลังงานศักย์เฉลี่ยของปฏิกิริยาของโมเลกุล ไม่เท่ากับศูนย์. จริงอยู่สำหรับก๊าซ มันน้อยกว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลมาก แต่สำหรับวัตถุที่เป็นของแข็งและของเหลว มันเทียบได้กับมัน

พลังงานศักย์เฉลี่ยของปฏิกิริยาของโมเลกุลก๊าซขึ้นอยู่กับปริมาตรของสาร เนื่องจากเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลง ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลจะเปลี่ยนไป ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซจริงในอุณหพลศาสตร์จึงขึ้นอยู่กับปริมาตร V ร่วมกับอุณหภูมิ T

เป็นที่ถกเถียงกันอยู่หรือไม่ว่าพลังงานภายในของก๊าซจริงนั้นขึ้นอยู่กับความดัน โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าความดันสามารถแสดงออกมาในรูปของอุณหภูมิและปริมาตรของก๊าซ

ค่าของพารามิเตอร์มหภาค (อุณหภูมิ T ของปริมาตร V ฯลฯ ) กำหนดสถานะของร่างกายอย่างชัดเจน ดังนั้นพวกเขาจึงกำหนดพลังงานภายในของร่างกายด้วยตาเปล่า

พลังงานภายใน U ของวัตถุที่มีขนาดมหึมาถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ที่กำหนดลักษณะเฉพาะของวัตถุเหล่านี้: อุณหภูมิและปริมาตร

ตามข้อมูลของ MKT สารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องและมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ดังนั้นแม้ว่าร่างกายจะไม่เคลื่อนไหวและมีพลังงานศักย์เป็นศูนย์ แต่ก็มีพลังงาน (พลังงานภายใน) ซึ่งเป็นพลังงานทั้งหมดของการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กที่ประกอบขึ้นเป็นร่างกาย องค์ประกอบของพลังงานภายในประกอบด้วย:

1. พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงแปล การหมุน และการสั่นของโมเลกุล
2. พลังงานศักย์ของปฏิกิริยาของอะตอมและโมเลกุล
3. พลังงานภายในอะตอมและภายในนิวเคลียร์

ในอุณหพลศาสตร์ กระบวนการจะถูกพิจารณาที่อุณหภูมิซึ่งการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมในโมเลกุลจะไม่ตื่นเต้น กล่าวคือ ที่อุณหภูมิไม่เกิน 1,000 K เฉพาะสององค์ประกอบแรกของการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในในกระบวนการเหล่านี้ นั่นเป็นเหตุผลที่

ภายใต้ กำลังภายในในอุณหพลศาสตร์ พวกเขาเข้าใจผลรวมของพลังงานจลน์ของโมเลกุลและอะตอมทั้งหมดของร่างกายและพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์

พลังงานภายในของร่างกายกำหนดสถานะความร้อนและการเปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง ในสภาวะที่กำหนด ร่างกายมีพลังงานภายในที่ชัดเจน เป็นอิสระจากกระบวนการที่ส่งผ่านไปยังสถานะนี้ ดังนั้นพลังงานภายในจึงมักถูกเรียกว่า การทำงานของร่างกาย.

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

ที่ไหน ผม- ระดับของเสรีภาพ สำหรับก๊าซโมโนโทมิก (เช่น ก๊าซเฉื่อย) ผม= 3 สำหรับไดอะตอม - ผม = 5.

จากสูตรเหล่านี้จะเห็นได้ว่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและจำนวนโมเลกุลเท่านั้นและไม่ขึ้นกับปริมาตรหรือแรงดัน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติจึงถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของกระบวนการที่ก๊าซผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง:

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

ที่ไหน ∆ ตู่ = ตู่ 2 - ตู่ 1 .

• โมเลกุลของก๊าซจริงมีปฏิกิริยาต่อกัน จึงมีพลังงานศักย์ W p ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโมเลกุลและด้วยเหตุนี้กับปริมาตรที่ก๊าซครอบครอง ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซจริงจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปริมาตร และโครงสร้างโมเลกุล

*ที่มาของสูตร

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล \(~\left\langle W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\)

จำนวนโมเลกุลในแก๊ส \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\)

ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ

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

ระบุว่า k⋅Nก= Rคือค่าคงที่แก๊สสากลที่เรามี

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

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน

ในการแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติ ไม่ใช่พลังงานภายในที่มีบทบาทสำคัญ แต่การเปลี่ยนแปลงของพลังงานนั้น Δ ยู = ยู 2 - ยูหนึ่ง . การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคำนวณตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานภายในร่างกายสามารถเปลี่ยนแปลงได้สองวิธี:

1. เมื่อทำ งานเครื่องกล. ก) หากแรงภายนอกทำให้เกิดการเสียรูปของร่างกาย ระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาของอนุภาคจะเปลี่ยนไป ด้วยการเปลี่ยนรูปที่ไม่ยืดหยุ่น นอกจากนี้ อุณหภูมิของร่างกายจะเปลี่ยนแปลง เช่น พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอนุภาคเปลี่ยนไป แต่เมื่อร่างกายเสียรูป งานก็เสร็จ ซึ่งเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในร่างกาย ข) พลังงานภายในของร่างกายก็เปลี่ยนไปเช่นกันระหว่างการชนกันแบบไม่ยืดหยุ่นกับอีกวัตถุหนึ่ง ดังที่เราเห็นก่อนหน้านี้ ในระหว่างการชนกันของร่างกายที่ไม่ยืดหยุ่น พลังงานจลน์ของพวกมันลดลง มันจะกลายเป็นพลังงานภายใน (ตัวอย่างเช่น หากคุณตีลวดที่วางอยู่บนทั่งหลายครั้งด้วยค้อน ลวดจะร้อนขึ้น) การวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของร่างกายเป็นไปตามทฤษฎีบทพลังงานจลนศาสตร์ซึ่งเป็นงานของแรงกระทำ งานนี้สามารถใช้เป็นตัวชี้วัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน c) การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแรงเสียดทานเนื่องจากตามที่ทราบจากประสบการณ์แรงเสียดทานมักจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของร่างกายที่ถู การทำงานของแรงเสียดทานสามารถทำหน้าที่เป็นตัววัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน
2. ด้วยความช่วยเหลือ การถ่ายเทความร้อน. ตัวอย่างเช่น ถ้าร่างกายวางอยู่ในเปลวไฟ อุณหภูมิของร่างกายจะเปลี่ยนไป ดังนั้นพลังงานภายในก็จะเปลี่ยนไปด้วย อย่างไรก็ตาม ที่นี่ไม่ได้ดำเนินการใดๆ เนื่องจากไม่มีการเคลื่อนไหวที่มองเห็นได้ของร่างกายหรือส่วนต่างๆ ของร่างกาย

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบโดยไม่ทำงานเรียกว่า การแลกเปลี่ยนความร้อน(การถ่ายเทความร้อน).

การถ่ายเทความร้อนมีสามประเภท: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี

ก) การนำความร้อนเป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างร่างกาย (หรือส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย) ในการสัมผัสโดยตรงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคของร่างกายที่วุ่นวายเนื่องจากความร้อน แอมพลิจูดของการสั่นของโมเลกุลของวัตถุที่เป็นของแข็งนั้นยิ่งใหญ่กว่าอุณหภูมิก็จะสูงขึ้น ค่าการนำความร้อนของก๊าซเกิดจากการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างโมเลกุลของแก๊สระหว่างการชนกัน ในกรณีของของเหลวกลไกทั้งสองทำงาน ค่าการนำความร้อนของสารมีค่าสูงสุดในสถานะของแข็งและค่าต่ำสุดในสถานะก๊าซ

ข) การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนโดยการไหลของของเหลวหรือก๊าซที่มีความร้อนจากส่วนหนึ่งของปริมาตรที่พวกมันครอบครองไปยังอีกส่วนหนึ่ง

ค) การถ่ายเทความร้อนที่ รังสีดำเนินการในระยะไกลโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนพลังงานภายใน

งานเครื่องกล

เมื่อพิจารณาถึงกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ จะไม่พิจารณาการเคลื่อนที่เชิงกลของมาโครบอดี้โดยรวม แนวคิดของการทำงานที่นี่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรของร่างกาย กล่าวคือ ส่วนที่เคลื่อนที่ของ Macrobody สัมพันธ์กัน กระบวนการนี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในระยะห่างระหว่างอนุภาค และมักจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความเร็วของการเคลื่อนที่ ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงในพลังงานภายในของร่างกาย

กระบวนการไอโซบาริก

พิจารณากระบวนการไอโซบาริกก่อน ปล่อยให้มีก๊าซในกระบอกสูบที่มีลูกสูบเคลื่อนที่ได้ที่อุณหภูมิ ตู่ 1 (รูปที่ 1).

เราจะค่อยๆ อุ่นแก๊สให้มีอุณหภูมิ ตู่ 2. แก๊สจะขยายตัวแบบไอโซบาริกและลูกสูบจะเคลื่อนจากตำแหน่ง 1 เข้าสู่ตำแหน่ง 2 ระยะทาง . l. ในกรณีนี้ แรงดันของแก๊สจะทำงานบนวัตถุภายนอก เพราะ พี= const แล้วแรงดัน F = p⋅Sยังคงที่ ดังนั้นงานของแรงนี้สามารถคำนวณได้โดยสูตร

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

ที่ไหน ∆ วี- การเปลี่ยนแปลงปริมาณก๊าซ

• หากปริมาตรของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง (กระบวนการไอโซโคริก) แสดงว่างานที่ทำโดยแก๊สนั้นเป็นศูนย์

• แก๊สทำงานเฉพาะในกระบวนการเปลี่ยนปริมาตรเท่านั้น

เมื่อขยาย (Δ วี> 0) งานด้านบวกเสร็จสิ้นกับก๊าซ ( แต่> 0); ภายใต้การบีบอัด (Δ วี < 0) газа совершается отрицательная работа (แต่ < 0).

• หากเราพิจารณาการทำงานของแรงภายนอก อา " (แต่ " = –แต่) จากนั้นด้วยการขยาย (Δ วี> 0) แก๊ส แต่ " < 0); при сжатии (Δวี < 0) แต่ " > 0.

ลองเขียนสมการ Clapeyron-Mendeleev สำหรับสถานะก๊าซสองสถานะ:

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

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

ดังนั้น เมื่อ กระบวนการไอโซบาริก

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

ถ้า ν = 1 โมล แล้วที่ Δ Τ = 1 K เราได้สิ่งนั้น Rมีค่าเท่ากับ อา.

จึงตามมา ความหมายทางกายภาพของค่าคงที่แก๊สสากล: เป็นตัวเลขเท่ากับงานที่ทำโดยแก๊สอุดมคติ 1 โมลเมื่อให้ความร้อนแบบไอโซบาราโดย 1 K

ไม่ใช่กระบวนการไอโซบาริก

บนชาร์ต พี (วี) ในกระบวนการ isobaric งานเท่ากับพื้นที่ของสี่เหลี่ยมที่แรเงาในรูปที่ 2, a.

ถ้ากระบวนการ ไม่ใช่ไอโซบาริก(รูปที่ 2, b) จากนั้นเส้นโค้งฟังก์ชัน พี = ฉ(วี) สามารถแสดงเป็นเส้นที่ขาดซึ่งประกอบด้วยไอโซคอร์และไอโซบาร์จำนวนมาก งานในส่วน isochoric เท่ากับศูนย์ และงานทั้งหมดในส่วน isobaric ทั้งหมดจะเท่ากับ

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

เหล่านั้น. จะเท่ากับ พื้นที่ของรูปแรเงา.

ที่ กระบวนการไอโซเทอร์มอล (ตู่= const) งานเท่ากับพื้นที่ของรูปแรเงาที่แสดงในรูปที่ 2, c.

เป็นไปได้ที่จะกำหนดงานโดยใช้สูตรสุดท้ายก็ต่อเมื่อทราบว่าแรงดันแก๊สเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลงเช่น รูปแบบของฟังก์ชันเป็นที่รู้จัก พี = ฉ(วี).

ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงปริมาณก๊าซเท่ากัน งานจะขึ้นอยู่กับวิธีการเปลี่ยนแปลง (เช่น ในกระบวนการ: อุณหภูมิความร้อน, ไอโซบาริก ...) จากสถานะเริ่มต้นของก๊าซจนถึงสถานะสุดท้าย จึงสามารถสรุปได้ว่า

• การทำงานในอุณหพลศาสตร์เป็นฟังก์ชันของกระบวนการ ไม่ใช่ฟังก์ชันสถานะ

ปริมาณความร้อน

ดังที่คุณทราบ ในระหว่างกระบวนการทางกลต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกล W. การวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลคืองานของแรงที่ใช้กับระบบ:

\(~\DeltaW = ก.\)

ในระหว่างการถ่ายเทความร้อนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในร่างกาย การวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างการถ่ายเทความร้อนคือปริมาณความร้อน

ปริมาณความร้อนเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างการถ่ายเทความร้อน

ดังนั้นทั้งงานและปริมาณความร้อนแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน แต่ไม่เหมือนกับพลังงานภายใน พวกเขาไม่ได้กำหนดลักษณะของสถานะของระบบเอง (ตามที่พลังงานภายในทำ) แต่กำหนดกระบวนการของการเปลี่ยนพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง (จากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างหนึ่ง) เมื่อสถานะเปลี่ยนแปลงและโดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับธรรมชาติของกระบวนการ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างงานกับความร้อนคือ

• งานแสดงลักษณะกระบวนการเปลี่ยนพลังงานภายในของระบบพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่ง (จากกลไกเป็นภายใน)
• ปริมาณความร้อนเป็นตัวกำหนดลักษณะของกระบวนการถ่ายโอนพลังงานภายในจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่ง (จากความร้อนมากขึ้นไปจนถึงความร้อนน้อยลง) ไม่ได้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน

เครื่องทำความร้อน (เย็น)

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการทำให้ร่างกายร้อนด้วยมวล มอุณหภูมิ ตู่ 1 ถึงอุณหภูมิ ตู่ 2 คำนวณโดยสูตร

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

ที่ไหน ค- ความจุความร้อนจำเพาะของสาร (ค่าตาราง)

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

หน่วย SI ของความร้อนจำเพาะคือจูลต่อกิโลกรัม-เคลวิน (J/(kg K))

ความร้อนจำเพาะ คเป็นตัวเลขเท่ากับปริมาณความร้อนที่ต้องส่งให้กับวัตถุมวล 1 กิโลกรัมเพื่อให้ความร้อน 1 K

นอกจากความจุความร้อนจำเพาะแล้ว ยังพิจารณาปริมาณเช่นความจุความร้อนของร่างกายด้วย

ความจุความร้อนร่างกาย คตัวเลขเท่ากับปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนอุณหภูมิของร่างกาย 1 K:

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

หน่วย SI ของความจุความร้อนของร่างกายคือจูลต่อเคลวิน (J/K)

การกลายเป็นไอ (การควบแน่น)

ในการเปลี่ยนของเหลวให้เป็นไอที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาณความร้อนที่ต้องการคือ

\(~Q = L\cdot ม.,\)

ที่ไหน หลี่- ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (ค่าตาราง) เมื่อไอน้ำควบแน่น จะปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากัน

หน่วย SI สำหรับความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอคือจูลต่อกิโลกรัม (J/kg)

หลอมเหลว (ตกผลึก)

เพื่อที่จะหลอมร่างผลึกที่มีมวล มที่จุดหลอมเหลว ร่างกายจำเป็นต้องรายงานปริมาณความร้อน

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

ที่ไหน λ - ความร้อนจำเพาะของการหลอมเหลว (ค่าตาราง) ในระหว่างการตกผลึกของร่างกายจะมีการปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากัน

หน่วย SI สำหรับความร้อนจำเพาะของการหลอมรวมคือจูลต่อกิโลกรัม (J/kg)

การเผาไหม้เชื้อเพลิง

ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของมวลเชื้อเพลิง ม,

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

ที่ไหน q- ความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ (ค่าตาราง)

หน่วย SI สำหรับความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้คือจูลต่อกิโลกรัม (J/kg)

วรรณกรรม

Aksenovich L.A. ฟิสิกส์ในโรงเรียนมัธยม: ทฤษฎี งาน การทดสอบ: Proc. เบี้ยเลี้ยงสำหรับสถาบันที่ให้บริการทั่วไป สิ่งแวดล้อม, การศึกษา / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; เอ็ด. เค.เอส.ฟาริโน - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 129-133, 152-161.

หัวข้อของตัวแปลงรหัส USEคำสำคัญ : พลังงานภายใน การถ่ายเทความร้อน ชนิดของการถ่ายเทความร้อน

อนุภาคของร่างกายใด ๆ - อะตอมหรือโมเลกุล - ทำการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องที่วุ่นวาย (ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่ด้วยความร้อน). ดังนั้นแต่ละอนุภาคจึงมีพลังงานจลน์อยู่บ้าง

นอกจากนี้ อนุภาคของสสารมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันโดยแรงดึงดูดและแรงผลักทางไฟฟ้า เช่นเดียวกับผ่านแรงนิวเคลียร์ ดังนั้นทั้งระบบของอนุภาคของร่างกายที่กำหนดก็มีพลังงานศักย์เช่นกัน

พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอนุภาคและพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์ร่วมกันก่อให้เกิดพลังงานรูปแบบใหม่ที่ไม่ลดเหลือเป็นพลังงานกลของร่างกาย (กล่าวคือ พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของร่างกายโดยรวมและ พลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่น) พลังงานประเภทนี้เรียกว่าพลังงานภายใน

พลังงานภายในร่างกายคือพลังงานจลน์ทั้งหมดของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอนุภาค บวกกับพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน.

พลังงานภายในของระบบเทอร์โมไดนามิกคือผลรวมของพลังงานภายในของวัตถุที่รวมอยู่ในระบบ.

ดังนั้นพลังงานภายในของร่างกายจึงเกิดขึ้นจากเงื่อนไขต่อไปนี้

1. พลังงานจลน์ของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องของอนุภาคในร่างกาย
2. พลังงานศักย์ของโมเลกุล (อะตอม) เนื่องจากแรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล
3. พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม
4. พลังงานภายในนิวเคลียร์

ในกรณีของแบบจำลองสสารที่ง่ายที่สุด - ก๊าซในอุดมคติ - สามารถรับสูตรที่ชัดเจนสำหรับพลังงานภายใน

พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติเชิงเดี่ยว

พลังงานศักย์ของปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคของก๊าซในอุดมคติคือศูนย์ (จำได้ว่าในแบบจำลองก๊าซในอุดมคติ เราละเลยปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคในระยะไกล) ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติของโมโนโทมิกจึงลดลงเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดของการแปล (สำหรับก๊าซ polyatomic จะต้องคำนึงถึงการหมุนของโมเลกุลและการสั่นสะเทือนของอะตอมภายในโมเลกุลด้วย) ของอะตอมด้วย พลังงานนี้สามารถหาได้จากการคูณจำนวนอะตอมของก๊าซด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอม:

เราเห็นว่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ (ซึ่งมวลและองค์ประกอบทางเคมีไม่เปลี่ยนแปลง) เป็นหน้าที่ของอุณหภูมิเท่านั้น สำหรับก๊าซ ของเหลว หรือของแข็งจริง พลังงานภายในจะขึ้นอยู่กับปริมาตรด้วย เมื่อปริมาตรเปลี่ยนไป ตำแหน่งสัมพัทธ์ของอนุภาคจะเปลี่ยนไป และเป็นผลให้พลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์ของพวกมันเปลี่ยนไป

ฟังก์ชันสถานะ

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของพลังงานภายในคือ หน้าที่ของรัฐระบบอุณหพลศาสตร์ กล่าวคือ พลังงานภายในถูกกำหนดโดยชุดของพารามิเตอร์มหภาคที่กำหนดลักษณะเฉพาะของระบบและไม่ขึ้นอยู่กับ "ยุคก่อนประวัติศาสตร์" ของระบบ กล่าวคือ เกี่ยวกับสถานะที่ระบบเคยเป็นมาก่อนและสิ้นสุดลงในสถานะนี้โดยเฉพาะอย่างไร

ดังนั้น ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะถูกกำหนดโดยสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบและ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจากเส้นทางการเปลี่ยนแปลงจากสถานะเริ่มต้นไปสู่ขั้นสุดท้าย หากระบบกลับสู่สถานะเดิม การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเป็นศูนย์

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ามีเพียงสองวิธีในการเปลี่ยนพลังงานภายในร่างกาย:

ทำงานเครื่องกล
การถ่ายเทความร้อน.

พูดง่ายๆ ก็คือ คุณสามารถให้ความร้อนแก่กาต้มน้ำด้วยวิธีพื้นฐานที่แตกต่างกันเพียงสองวิธีเท่านั้น: ถูกับบางสิ่งบางอย่างหรือจุดไฟ :-) มาพิจารณาวิธีการเหล่านี้ในรายละเอียดเพิ่มเติมกัน

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน: การทำงาน

ถ้างานเสร็จ ข้างบนร่างกายพลังงานภายในของร่างกายเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างเช่น ตะปูหลังจากถูกกระแทกด้วยค้อนจะร้อนขึ้นและทำให้เสียรูปเล็กน้อย แต่อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคของร่างกาย การให้ความร้อนกับตะปูบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของอนุภาค: อันที่จริง อนุภาคจะถูกเร่งโดยการกระแทกด้วยค้อนและการเสียดสีของตะปูกับกระดาน

การเสียรูปไม่ได้เป็นเพียงการกระจัดของอนุภาคที่สัมพันธ์กัน หลังจากการกระแทก เล็บจะผ่านการเปลี่ยนรูปแบบการบีบอัด อนุภาคของเล็บเข้าหากัน แรงผลักระหว่างพวกมันเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์ของอนุภาคของเล็บ

ดังนั้นพลังงานภายในของเล็บจึงเพิ่มขึ้น นี่เป็นผลมาจากงานที่ทำ - งานทำโดยค้อนและแรงเสียดทานบนกระดาน

ถ้างานเสร็จ ด้วยตัวเองร่างกายจึงทำให้พลังงานภายในร่างกายลดลง

ให้ตัวอย่างเช่น อากาศอัดในถังฉนวนความร้อนภายใต้ลูกสูบขยายและยกน้ำหนักบางอย่างจึงทำงาน (กระบวนการในถังฉนวนความร้อนเรียกว่า อะเดียแบติก. เราจะศึกษากระบวนการอะเดียแบติกโดยพิจารณาจากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์) ในระหว่างกระบวนการดังกล่าว อากาศจะถูกทำให้เย็นลง - โมเลกุลของมัน กระแทกหลังจากลูกสูบเคลื่อนที่ ให้พลังงานจลน์เป็นส่วนหนึ่งของมัน (ในทำนองเดียวกัน นักฟุตบอลที่หยุดลูกบอลที่บินเร็วด้วยเท้าของเขา เคลื่อนไหวด้วยเท้าของเขาเอง จากลูกบอลและดับความเร็ว) ดังนั้นพลังงานภายในของอากาศจึงลดลง

อากาศจึงทำงานเนื่องจากพลังงานภายใน เนื่องจากภาชนะมีฉนวนความร้อน จึงไม่มีพลังงานไหลเข้าสู่อากาศจากแหล่งภายนอกใดๆ และอากาศสามารถดึงพลังงานให้ทำงานจากแหล่งสำรองของตัวเองเท่านั้น

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน: การถ่ายเทความร้อน

การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายเทพลังงานภายในจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังพลังงานที่เย็นกว่า ซึ่งไม่สัมพันธ์กับประสิทธิภาพของงานเครื่องกล. การถ่ายเทความร้อนสามารถทำได้โดยการสัมผัสร่างกายโดยตรง หรือผ่านสื่อกลาง (และแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศ) การถ่ายเทความร้อนเรียกอีกอย่างว่า การแลกเปลี่ยนความร้อน.

การถ่ายเทความร้อนมีสามประเภท: การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน

ตอนนี้เราจะดูรายละเอียดเพิ่มเติม

การนำความร้อน

หากคุณเอาปลายด้านหนึ่งไปใส่ในกองไฟ อย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าคุณไม่สามารถถือมันไว้ในมือได้นาน เมื่อเข้าสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูง อะตอมของเหล็กเริ่มสั่นสะเทือนอย่างเข้มข้นมากขึ้น (กล่าวคือ ได้รับพลังงานจลน์เพิ่มเติม) และทำให้เพื่อนบ้านระเบิดแรงขึ้น

พลังงานจลน์ของอะตอมใกล้เคียงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และตอนนี้อะตอมเหล่านี้ให้พลังงานจลน์เพิ่มเติมแก่เพื่อนบ้าน ดังนั้น จากส่วนหนึ่งไปอีกส่วน ความร้อนจะค่อยๆ กระจายไปตามแท่ง - จากปลายที่ใส่ในกองไฟถึงมือของเรา นี่คือการนำความร้อน (รูปที่ 1) (รูปภาพจาก educationelectronicsusa.com)

ข้าว. 1. การนำความร้อน

การนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในจากส่วนที่ร้อนมากขึ้นของร่างกายไปยังส่วนที่ร้อนน้อยกว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ของความร้อนและปฏิกิริยาของอนุภาคในร่างกาย.

ค่าการนำความร้อนของสารต่างๆ จะแตกต่างกัน โลหะมีค่าการนำความร้อนสูง: เงิน ทองแดง และทองเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุด ค่าการนำความร้อนของของเหลวน้อยกว่ามาก ก๊าซนำความร้อนได้ไม่ดีจนเป็นฉนวนความร้อนอยู่แล้ว: เนื่องจากระยะห่างระหว่างกันมาก โมเลกุลของแก๊สจึงโต้ตอบกันเล็กน้อย นั่นคือเหตุผลที่หน้าต่างสร้างเฟรมคู่: ชั้นของอากาศป้องกันความร้อนจากการหลบหนี)

ดังนั้นวัตถุที่มีรูพรุน เช่น อิฐ ขนสัตว์ หรือขนสัตว์ จึงเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี พวกมันมีอากาศอยู่ในรูขุมขน ไม่น่าแปลกใจเลย บ้านอิฐถือเป็นบ้านที่อบอุ่นที่สุด และในสภาพอากาศหนาวเย็น ผู้คนจะสวมเสื้อโค้ทขนสัตว์และแจ็คเก็ตที่มีชั้นของขนดาวน์หรือผ้าโพลีเอสเตอร์บุนวม

แต่ถ้าอากาศนำความร้อนได้ไม่ดีนักแล้วทำไมห้องถึงอุ่นขึ้นจากแบตเตอรี่?

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนแบบอื่น - การพาความร้อน

การพาความร้อน

การพาความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในในของเหลวหรือก๊าซอันเป็นผลมาจากการไหลเวียนของกระแสและการผสมของสสาร.

อากาศใกล้แบตเตอรี่ร้อนขึ้นและขยายตัว แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออากาศนี้ยังคงเท่าเดิม แต่แรงลอยตัวจากอากาศรอบข้างเพิ่มขึ้น เพื่อให้อากาศร้อนเริ่มลอยขึ้นสู่เพดาน อากาศเย็นเข้ามาแทนที่ (กระบวนการเดียวกัน แต่ในระดับที่ยิ่งใหญ่กว่านั้นเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในธรรมชาติ: นี่คือวิธีที่ลมเกิดขึ้น) ซึ่งสิ่งเดียวกันซ้ำแล้วซ้ำอีก

เป็นผลให้มีการสร้างการไหลเวียนของอากาศซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวอย่างของการพาความร้อน - การกระจายความร้อนในห้องจะดำเนินการโดยกระแสอากาศ

กระบวนการที่คล้ายคลึงกันอย่างสมบูรณ์สามารถสังเกตได้ในของเหลว เมื่อคุณวางกาต้มน้ำหรือหม้อน้ำบนเตา น้ำจะถูกทำให้ร้อนเนื่องจากการพาความร้อนเป็นหลัก

กระแสพาในอากาศและของเหลวแสดงในรูปที่ 2 (ภาพจาก Physics.arizona.edu)

ข้าว. 2. การพาความร้อน

ไม่มีการพาความร้อนในของแข็ง: แรงปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมีขนาดใหญ่ อนุภาคสั่นใกล้จุดเชิงพื้นที่คงที่ (โหนดของผลึกขัดแตะ) และไม่มีการไหลของสสารเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว

สำหรับการไหลเวียนของกระแสพาความร้อนในห้องจำเป็นต้องมีอากาศร้อน มีที่ว่างให้ลอย. หากหม้อน้ำติดตั้งอยู่ใต้เพดานจะไม่มีการไหลเวียน - อากาศอุ่นจะยังคงอยู่ใต้เพดาน นั่นคือเหตุผลที่วางเครื่องทำความร้อนไว้ ที่ส่วนลึกสุดห้องพัก ด้วยเหตุผลเดียวกัน พวกเขาจึงเปิดกาต้มน้ำ บนไฟอันเป็นผลมาจากการที่ชั้นน้ำอุ่นขึ้นทำให้เย็นลง

ในทางกลับกัน ควรวางเครื่องปรับอากาศให้สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้: จากนั้นอากาศเย็นจะเริ่มจมและอากาศที่อุ่นกว่าจะเข้ามาแทนที่ การไหลเวียนจะไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่ของกระแสเมื่อทำความร้อนในห้อง

รังสีความร้อน

โลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์อย่างไร? ไม่รวมการนำความร้อนและการพาความร้อน: เราถูกคั่นด้วยพื้นที่สุญญากาศ 150 ล้านกิโลเมตร

นี่คือการถ่ายเทความร้อนประเภทที่สาม - รังสีความร้อน. การแผ่รังสีสามารถแพร่กระจายได้ทั้งในสสารและในสุญญากาศ มันเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ปรากฎว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดและมีคุณสมบัติที่โดดเด่นอย่างหนึ่ง หากสนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา มันจะสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ในทางกลับกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับอีกครั้งซึ่งจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับอีกครั้ง ...

อันเป็นผลมาจากการพัฒนากระบวนการนี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- "ขอเกี่ยว" สำหรับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับเสียง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วและความถี่ในการแพร่กระจาย - ในกรณีนี้คือความถี่ที่ขนาดและทิศทางของสนามมีความผันผวนในคลื่น แสงที่มองเห็นได้เป็นกรณีพิเศษของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศนั้นมหาศาลมาก: กม./วินาที ดังนั้น จากโลกถึงดวงจันทร์ แสงเดินทางได้นานกว่าหนึ่งวินาทีเล็กน้อย

ช่วงความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากว้างมาก เราจะพูดถึงมาตราส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแผ่นงานที่เกี่ยวข้องกันมากขึ้น ในที่นี้เราทราบเพียงว่าแสงที่มองเห็นได้นั้นเป็นช่วงเล็กๆ ของมาตราส่วนนี้ ด้านล่างเป็นความถี่ของรังสีอินฟราเรดด้านบน - ความถี่ของรังสีอัลตราไวโอเลต

จำได้ว่าอะตอมซึ่งโดยทั่วไปแล้วเป็นกลางทางไฟฟ้า ประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อนุภาคที่มีประจุเหล่านี้ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายร่วมกับอะตอม สร้างสนามไฟฟ้าสลับกัน และด้วยเหตุนี้จึงแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา คลื่นเหล่านี้เรียกว่า รังสีความร้อน- เพื่อเป็นการเตือนว่าแหล่งที่มาของพวกมันคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของสสาร

ร่างกายใด ๆ ก็เป็นแหล่งของการแผ่รังสีความร้อน ในกรณีนี้ การแผ่รังสีจะดึงพลังงานภายในบางส่วนออกไป เมื่อพบกับอะตอมของอีกร่างหนึ่ง การแผ่รังสีเร่งความเร็วพวกมันด้วยสนามไฟฟ้าที่สั่น และพลังงานภายในของร่างกายนี้เพิ่มขึ้น นี่คือวิธีที่เราอาบแดด

ที่อุณหภูมิปกติ ความถี่ของการแผ่รังสีความร้อนจะอยู่ในช่วงอินฟราเรด เพื่อให้ดวงตาไม่รับรู้ (เราไม่เห็นว่าเรา "เรืองแสง") เมื่อร่างกายได้รับความร้อน อะตอมของมันจะเริ่มปล่อยคลื่นความถี่สูง ตะปูเหล็กสามารถร้อนแดงได้ - นำไปสู่อุณหภูมิที่การแผ่รังสีความร้อนจะเข้าสู่ส่วนล่าง (สีแดง) ของช่วงที่มองเห็นได้ และดูเหมือนว่าดวงอาทิตย์จะเป็นสีเหลือง - ขาว: อุณหภูมิบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์นั้นสูงมากจนในสเปกตรัมของการแผ่รังสีนั้นมีความถี่ของแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมดและแม้กระทั่งรังสีอัลตราไวโอเลตด้วยการที่เราอาบแดด

มาดูการถ่ายเทความร้อนทั้งสามประเภทกัน (ภาพที่ 3) (ภาพจาก beodom.com)

ข้าว. 3. การถ่ายเทความร้อนสามประเภท: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี