Ішкі энергия және оны өзгерту тәсілдері туралы

Ішкі энергия дегеніміз не? Ішкі энергияны өзгерту тәсілдері.

Ішкі энергия — қабылданған физика тұтас орталар, термодинамика және статистикалық физика атауы бөлігін толық энергиясы термодинамической, ол тәуелді емес, таңдау есептеу жүйесі[1] және ол аясында қаралатын мәселелер өзгеруі мүмкін[2]. Бар тең салмақты процестерді санау жүйесіне қатысты оның массалар центрі қаралатын макроскопического объектінің жетістіктерге әрқайсысымыз өзгерту, толық ішкі энергиясын сәйкес келе бермейді. Құрамдас бөліктерінің тізбесі толық энергиясы кіретін ішкі энергия, непостоянен байланысты шешілетін міндеттер. Басқаша айтқанда, ішкі энергиясы — бұл ерекше түрі энергиясы[3], жиынтығы сол өзгертетін құрамдас бөліктерінің толық энергиясын жүйесін, олар ескеру керек, нақты жағдайды.

Бөлу толық энергия жүйенің потенциалды, кинетикалық, ішкі және т. б. байланысты формальды анықтаулар осы ұғымдар, сондықтан жеткілікті шартты түрде[4]. Мәселен, кейде ішкі энергияға кірмейді ықтимал энергиясын, байланысты, жиектері сыртқы күштердің[2][5][6]. Маңызды дұрыстығын алынатын шешу кезінде нақты міндеттер нәтижелерінің байланысты дұрыс жасау теңдеуінің энергетикалық балансты емес, терминологиялық өзгешеліктер.

Жарнама адамның сезім органдары қыздыру немесе суыту макроскопического объектісінің бар көріністері ішкі энергияның өзгеру осы объектінің. Кері дұрыс емес: тұрақтылық температура объектіні білдіреді өзгермеуі, оның ішкі энергиясы (мысалы, температура жүйесін өзгерусіз кезінде фазалық ауысулары бірінші текті — балқытуға, кипении және т. б.).

Қасиеттері, ішкі энергия
Тікелей анықтау ішкі энергиясының бір бөлігі ретінде толық энергиясы туындамаса,

ішкі энергиясы бар индифферентный[7] скаляр, яғни ішкі энергияға кірмейді кинетикалық энергиясы жүйесінің бірыңғай тұтас нәрсе ретінде және кинетикалық энергиясы ортаның ішкі жүйелері (энергия ығысу қарапайым облыстардың[8] деформациясы қатты денелердің энергиясы ағындарының сұйықтар мен газдар ортасында);
ішкі энергиясы бар шамасы аддитивті[4][9], яғни жүйенің ішкі энергиясы тең энергия оның кіші жүйелері;
ішкі энергия қойылады дейінгі дәлдікпен тұрақты қосылғыш байланысты таңдалған нөлден санау және сказывающегося эксперименттік замерах ішкі энергияның өзгеру[10].
Құрамдас бөліктері ішкі энергия
Термодинамика табиғаты ішкі энергиясының қарайды және энергетикалық айналдыру (кейде өте күрделі) болып жатқан ішіндегі жүйесін микроуровне, нақтылайды[11]. Статистикалық физика ішкі энергия жүйесін қамтиды энергия әртүрлі қозғалыстар мен өзара іс-қимыл жүйесіне кіретін бөлшектер: энергия ілгерілемелі, айналмалы және тербелмелі қозғалыс атомдар мен молекулалардың энергияны ішкі және межмолекулярного өзара іс-қимыл энергиясын электрондық қабықтарының атомдар және т. б. [10]

Ішкі энергияға кірмейді сол құрамдас бөліктері толық энергия емес, өзгереді, өзгерген кезде макроскопического жүйесінің жай-күйін. Мәселен, қарапайым температурада құрамына ішкі энергия қамтиды энергия атом ядроларының, өйткені ол осы жағдайларда өзгермейді[12]. Бірақ ол температура кезінде басталады термиялық ыдырауы атом ядроларының, онда осы энергиясын ескеру қажет.

Энергия жүйесінің жолында сыртқы күштердің құрамына оның ішкі энергиясын қамтымайды жағдайда термодинамическое жүйесінің жағдайы кезінде орнын ауыстыру өрісінде осы күштердің өзгермейді[10][13]. Жай-күйі өзгерген кезде жүйенің әсерінен сыртқы өріс ішкі энергия жүйесін қамтиды әлеуетті энергия жүйесінің осы жолдарда (гравитациялық, электромагнитном)[14][15].

Әсері өріс тартылыс ішкі энергиясын термодинамической жүйесін ескереді кезде биіктігі қарастырылып отырған бағанасының газ (сұйықтық) елеулі, мысалы, талдау кезінде атмосфераның жай-күйін[15].

Өйткені жер беті және денесінің өсіп бара квадрату мөлшерлерін белгілеудің бұл дененің көлемі тепе — тең кубаға осы мөлшерлерін, онда үлкен тел жер үсті әсерлерімен салыстырғанда икемсіз елемеуге болады[16]. Алайда, үшін дисперсті жүйелердің дамыған беттерінің арасындағы бөлу сұйық, қатты және газ тәріздес фазалардың (адсорбенттер және микрогетерогенные жүйесі: коллоидты ерітінділер, эмульсиялар, тұман түсіп, дымы) жіберушілік сыртқы әсерлер болмайды, оның үстіне, олар анықтайды, көптеген өзіндік қасиеттері мұндай жүйелердің және олардың энергия беткі қабаттарының бөлу шекарасында фазалардың (беттік энергия) ескереді бөлігі ретінде ішкі энергия[17].

Міндеттерді шешу кезінде ескеру қажет кинетикалық энергия (физика және тұтас орта, техникалық және релятивистік термодинамика), жүзеді толық қуатымен бірге қарастыра отырып, сақталу заңдары масса, энергия, заряд, заңдар механика және термодинамика заңдарын[18].

Ішкі энергия равновесной термодинамика[היום-מחר
Тарихи анықтама
Ішкі энергияны термодинамику енгізген Р. Клаузиус (1850)[19], ал термин «ішкі энергия» тиесілі. У. Ренкину[20][21].

Термодинамиканың бірінші бастамасы[היום-מחר
Бірінші басталуы (заң) термодинамика білдіреді нақтылауды энергияның сақталу заңын үшін термодинамикалық жүйелер. Аясында дәстүрлі тәсіл бірінші начало формулируют ара-қатынасы ретінде белгілейтін арасындағы байланыс ішкі энергиясымен, жұмысымен және жылы лебізбен: бірі, осы физикалық шамалардың қойылады көмегімен екі басқа, олар бола тұра, бастапқы объектілері теориясы шеңберінде, өзінің осы теориясында анықталған болуы мүмкін емес, өйткені жоқ ұғымдардың жалпы, ол еді кол анықталуға жататын терминдер[22]. Сәйкес түсіндірумен Ж. Гельмгольц бірінші начало қалай түсіндіреді анықтау ішкі энергия және жабық жүйелер[23]:

 

(Бірінші басталуы тұжырымдалуы Гельмгольц)
онда {\displaystyle \Delta U} \Delta (U — ішкі энергиясының өзгеруі жүйенің артық жүктеменің тең таралуын термодинамическом процесінде, {\displaystyle Q} Q — жылу саны, алынған жүйесімен бұл процесте, {\displaystyle A}, A — жұмыс, жетілген жүйесі. Бұл мәнде қолданылды «жылу техникасы үшін белгілер ережесі жылу мен жұмыстар».

Термодинамика заимствует ұғымдар энергия мен жұмыстың басқа бөлімдері физика, ал анықтау саны жылу, керісінше, ғана беріледі және дәл термодинамика. Осы себеппен логичнее бірден пайымдау бірінші басында ол жасады Клаузиус[19] және оның ізбасарлары, атап айтқанда, анықтау сияқты жылу арқылы ішкі энергия және[24][25]. Пайдалана отырып, «жылу техникалық ережесі белгілері» математикалық білдіру үшін қолданысқа басталғанға қойдық Клаузиуса түрі бар:

 

{\displaystyle Q\equiv \Delta U+A.} Q\equiv \Delta U+A. (Бірінші басталуы тұжырымдалуы Клаузиуса)
Бірінші басталуы тұжырымдалуы Гельмгольц енгізеді ішкі энергиясы қалай физикалық сипаттамасын жүйесін, мінез-құлық заңымен айқындалатын энергияның сақталу емес анықтайды оның математикалық объект, яғни функцияны нақты жай-күйі параметрлерінің[26]. Балама анықтау ішкі энергиясын ұсынылды. Каратеодори (1909), ол белгілеп берді термодинамиканың бірінші түрінде аксиомалар бар екендігі туралы ішкі энергиясын құрамдас бөліктері — толық энергия жүйенің функциясы жай-күйін, зависящей үшін қарапайым жүйелер[27] көлемінен жүйесін {\displaystyle V} V, қысым {\displaystyle p} p және масс жүйесін құрайтын заттардың {\displaystyle m_{1}} m_1, {\displaystyle m_{2}} m_2, …, {\displaystyle m_{i}} m_i, …[28]:

(Бірінші басталуы тұжырымдалуы Каратеодори)
Маңызды, бұл анықтау ішкі энергиясын әділ үшін ашық жүйелер[29]. Қойдық Каратеодори ішкі энергиясы емес білдіреді характеристическую функциясын өз тәуелсіз айнымалы.

Жорамал Тиссы
Бұл аксиоматической жүйесі. Л. Тиссы жинағы постулаттарының термодинамиканың толықтырылды бекітумен туралы, оның ішкі энергиясы төменнен шектелген, және бұл шекарасы сәйкес келеді абсолютному нөлге тең температура[30].

Ішкі энергия макроскопического дене сомасына тең кинетикалық энергия қозғалыс молекулалардың тұратын денесі, және потенциалдық энергиялар өзара іс-қимыл молекулалардың.

Ішкі энергия әрпімен белгіленеді U өлшенеді Джоулях.

Ішкі энергиясы идеал одноатомного газды тікелей пропорционалды оның абсолюттік температура.U=32∙mM∙R∙T, мұндағы m — газ массасы, M-молярлық массасы, R-газ тұрақтысы, T-абсолюттік температура.

Екі тәсілі бар ішкі энергияның өзгеру: жылу беру (жылу алмасу) жасау.

Жылу беру – бұл ішкі энергиясының өзгеруі без жасалған: энергия беріледі неғұрлым қыздырылған тел — аз қыздырылған.

Өлшемі берілген энергия кезінде теплопередаче болып табылады жылу мөлшері Q.

Кезде жұмыс газ кеңейеді немесе сығылады. Жұмыс кезінде газды изобарном кеңейту көлемі V1-ден көлемін V2 мына формула бойынша есептеледі:A’=p∙∆V, мұндағы p-газ қысымы, ∆V-өзгерту, оның көлемін.

I заңы термодинамиканың: ішкі энергиясының өзгеруі жүйенің көшу кезінде оның бір күйден сомасына тең жұмыс сыртқы күштердің санын жылу берілген.∆U=A+Q

Калорические күйінің теңдеуі
Жүйенің ішкі энергиясы бар цифрдан тұрады, үздіксіз және шектелген функция жүйесінің жай-күйін[3]. Үшін айқындылық ойлайды ішкі энергиясын шектеулі, сондықтан. Есептеу басында ішкі энергиясын қабылдайды маңызы бар кезінде абсолюттік нөлдік температура[31]. Теңдеуі білдіретін, функционалдық тәуелділік, ішкі энергия параметрлерінің жай-күйін аталады калорического күйінің теңдеуі[32][33]. Қарапайым однокомпонентных жүйелерін калорическое теңдеуі байланыстырады ішкі энергиясы кез келген екі үш параметрлерін {\displaystyle p,} p, {\displaystyle V,} V, {\displaystyle T,} T, яғни бар үш калорических күйінің теңдеуі:

Ішкі энергия — энергия, қозғалыс және өзара іс-қимыл бөлшектерден тұратын дене. Ішкі энергиясы тәуелді: дене температурасының оның агрегаттық күйіне (газ тәрізді, сұйық, қатты), химиялық, атомдық және ядролық реакциялар. Ол байланысты емес бірде механикалық қозғалыс-дененің да осы денеге қатысты басқа да тел.

Екі түрі бар әсер денесі өзгеруіне әкелетін, оның ішкі энергиясы:
1. Жасауға. Мысалы, сығылу немесе созылу дененің орын ауыстыруы дене негладкой бетінің және т. б.
2. Қыздыру дене (жасалу үстінде. Мысалы, қыздыру газ жабық ыдыста, қыздыру сұйықтық және т. б.

Процесс ішкі энергияның өзгеру дене без жасалған жұмыс деп аталады жылу беріліс.
Егер үстінен денесімен жасалатын жұмыс болса, оның ішкі энергиясы денені ұлғаюда, егер бұл денесі жасайды, онда оның ішкі энергиясы азаяды.
Саны ішкі энергиясын хабарланған денеге немесе отнятой денеге процесінде жылу беріліс деп аталады саны жылу. Жылу саны білдіреді шарасын көшу ішкі энергиясы бір дененің басқа процесінде жылу беріліс.

Түрлері, жылу тасымалдау. Үш түрлі жылу беріліс: жылу өткізгіштік, конвекция және сәуле (лучеиспускание).

Жылу өткізгіштігі (газдар, сұйықтар және қатты денелер) ауыстыруды энергиясын неғұрлым қыздырылған учаскелерін, дененің аз қыздырылған есебінен жылулық қозғалыс және өзара іс-қимыл бөлшектер. Әр түрлі денелердің жылу өткізгіштігі әр түрлі. Кейбір қатты дене болып табылады жақсы жолсеріктері жылу (металдар), басқа да — жаман (ағаш, шыны, тері). Ең жаман өткізгіштер — бұл кеуекті дене (жүн, тығын, қағаз, ағаш және т. б.). Жылу өткізгіштігі барлық басқа, сұйықтықтарды сынап, аз. Газдар тағы кем теплопроводны қарағанда, сұйықтық, бұл түсіндіріледі, атап айтқанда, нашар жылу өткізгіштік кеуекті қатты денелер, олардың тері тесігін толтырады ауа.

Дәрежесі жылу өткізгіштік тел ескеріледі құрастыру кезінде машиналардың құрылыс ісінде, тоңазытқыш қондырғыларда.

Конвекция (газдардағы және сұйықтардағы) — жылу беру арқылы орнын ауыстыру және араластыру суық және жылы қабаттардың сұйық немесе газ тәріздес заттар. Мысалдары көріністері құбылыстар конвекция: ауа айналымы жылытылатын бөлмеде, қыздыру сұйықтық төменнен ыдыс (қыздырғанда ыдыстың үстінен конвекция болмайды), тяга, құбырларда, орталық сумен жылыту, жел, теңіз ағымдар және т. б.

Сәулелену — бұл процесс көшіру энергиясы бір дененің басқа көмегімен жылу (инфрақызыл), көрінетін және басқа да сәулелер. Осылайша, барлық алынатын энергия Жерді Күн беріледі жолымен лучеиспускания. Бір дене температурасы қараңғы беті күшті радиациялық жатыр (жұтып) энергия қарағанда, күн ашық. Бұл құбылыс ескеріледі адам тұрмыста (киімінің түсі бір уақыт маусымы), техникасы (бояу тоңазытқыштар, ұшақтардың, ғарыш кемелердің), егіншілік (көшетханалар мен жылы жайлар).

Екі тәсілі бар өзгерту ішкі энергия дененің немесе жүйенің тел. Бірінші жолы – бұл жасауға. Екінші тәсілі – жылу беру.

Егер жұмыс жасайды өзі денесі болса, онда оның ішкі энергиясы азаяды. Егер жұмыс жасайды үстінен денесімен, онда ішкі энергия дененің өсіп келеді. Бұл орайда айналдыру механикалық энергияның ішкі, немесе, керісінше, ішкі механикалық энергияға.

Егер нәтижесінде жылу беру денесі денеден тез төмен болса, онда оның ішкі энергиясы азаяды. Егер денеге жылу беріледі, онда оның ішкі энергиясы ұлғаяды.
Мысалы ұлғайту, ішкі энергия дененің жұмыс істеу есебінен: газды қысу (бұл кезде ол қызады).

Мысалы азайту ішкі энергия дененің жұмыс істеу есебінен: газды кеңейту (бұл ретте газ салқындатылады).

Жылу беру тәсілі болып табылады, ол ішкі энергияның өзгеру дене без жасау. Бұл ретте передающуюся энергиясы деп атайды санымен жылу (Q, Дж). Денесі алады дәл онда жылу саны, ол оған береді басқа денесі, яғни жылу беру бағынады заңы энергияның сақталу.

Кез келген жағдайда ішкі энергиясының өзгеруі денеге көрсетіледі өзгерту температура.

Өзгерту ішкі энергия дененің жұмыс істеу есебінен және жылу беріліс болуы мүмкін бір және сол уақытта, яғни осы екі тәсілін бірлесіп жұмыс істейді.