Шта је унутрашња енергија?

Термодинамика као дисциплина формирана је средином 19. века. То се десило након открића закона о очувању енергије. Постоји одређена веза између термодинамике и молекуларне кинетике. Које је место у теорији унутрашње енергије? Размотрите ово у чланку.

Статистичка механика и термодинамика

Изворна научна теорија термичких процеса није била молекуларно-кинетичка. Прва је била термодинамика. Формирана је у процесу проучавања оптималних услова за примену топлоте на рад. То се десило средином 19. века, пре него што је препозната молекуларна кинетика. Од данас се и термодинамика и молекуларна кинетичка теорија користе у инжењерству и науци. Ово последње у теоријској физици назива се статистичка механика. Она, заједно са термодинамиком, истражује исте појаве користећи различите методе. Ове две теорије се допуњују. Основа термодинамике чине два њена закона. Оба се односе на понашање енергије и успостављена су емпиријски. Ови закони важе за сваку супстанцу, без обзира на унутрашњу структуру. Дубља и прецизнија наука се сматра статистичком механиком. У поређењу са термодинамиком, он је сложенији. Користи се у случају када се термодинамички односи покажу недовољним за објашњење проучаваних феномена.

Молекуларна кинетичка теорија

Средином 19. века доказано је да уз механичку енергију постоји и унутрашња енергија макроскопских тела. Укључена је у равнотежу енергетских природних трансформација. Након што је откривена унутрашња енергија, формулисана је изјава о њеној конзервацији и трансформацији. Док се пак клизне по леду, зауставља се под утицајем силе трења, његова кинетика (механичка) енергија не престаје да постоји, већ се преноси на молекуле пак и леда. Када се крећу, неправилности површина тела изложених трењу су деформисане. У овом случају, интензитет кретања насумично молекула се повећава. Када се оба тела загреју, повећава се унутрашња енергија. Лако је посматрати и преокренути транзицију. Када се вода загрева у затвореној цеви, унутрашња енергија (и њена и настала пара) почиње да расте. Притисак ће се повећати, што ће проузроковати гурање утикача. Унутрашња енергија паре ће изазвати повећање кинетичка енергија. У процесу ширења паре чини рад. Истовремено, његова унутрашња енергија се смањује. Као резултат, пара се хлади.

Унутрашња енергија. Опште информације

Са случајним кретањем свих молекула, сума њихових кинетичких енергија, као и потенцијалне енергије њихових интеракција, чине унутрашњу енергију. С обзиром на положај молекула у односу на један други и њихово кретање, готово је немогуће израчунати ову количину. То је због великог броја елемената у макроскопским телима. У том смислу, неопходно је бити у стању израчунати вриједност у складу с макроскопским параметрима који се могу мјерити.

Монатомски гас

Сматра се да је супстанца прилично једноставна у својим својствима, јер се састоји од појединачних атома, а не молекула. У монатомске гасове спадају аргон, хелијум, неон. Потенцијална енергија у овом случају је нула. То је због чињенице да молекули у идеалном гасу не ступају у међусобну интеракцију. Кинетичка енергија случајног молекуларног кретања је одлучујућа за унутрашњу (У). Да бисмо израчунали У монатомског гаса масе м, потребно је да кинетичку енергију (просечног) првог атома помножимо са укупним бројем свих атома. Али мора се имати на уму да кНА = Р. На основу података које имамо, добијамо следећу формулу: У = 2/3 к м / М к РТ, где је унутрашња енергија директно пропорционална апсолутној температури. Све промене У се одређују само Т (температура), мерено у почетном и коначном стању гаса, и нису директно повезане са запремином. Ово је због чињенице да је интеракција његове потенцијалне енергије 0, и уопште не зависи од других параметара система макроскопских објеката. Са комплекснијим молекулима, идеалан гас ће такође имати унутрашњу енергију директно пропорционалну апсолутној температури. Али морам рећи, у овом случају, фактор пропорционалности ће се промијенити између У и Т. На крају крајева, комплексни молекули не раде само прогресивни покрет али и ротационо. Унутрашња енергија је једнака збиру ових кретања молекула.

Од чега зависи У?

На унутрашњу енергију утиче један од макроскопских параметара. Ово је температура. У стварним гасовима, течностима и чврстим материјама, потенцијална енергија (просјечна) у интеракцији молекула није једнака нули. Иако је, прецизније речено, за гасове много мање од кинетичког (просечно). У исто време за чврста и течна тела - упоредива са њом. Међутим, просек У зависи од В супстанце, јер се током периода његове промене такође мења просечна удаљеност између молекула. Из овога следи да у термодинамици унутрашња енергија не зависи само од температуре Т, већ и од В (запремине). Њихова вредност јединствено одређује стање тела, а самим тим и У.

Ворлд Оцеан

Тешко је замислити какве невероватно велике резерве енергије садржи Светски оцеан. Размотрите шта чини унутрашњу енергију воде. Треба напоменути да је и термална, јер је настала као последица прегревања течног дела површине океана. Дакле, имајући разлику, на пример, од 20 степени у односу на доњу воду, она добија вредност од око 10 ^ 26 Ј. Када меримо струје у океану, њена кинетичка енергија се процењује на око 10 ^ 18 Ј.

Глобална питања

Постоје глобални проблеми који се могу поставити на глобалном нивоу. Оне укључују:

- исцрпљивање резерви фосилних горива (првенствено нафте и гаса);

- значајан загађење животне средине повезане са употребом ових минерала;

- термално "загађење", плус читаво повећање концентрације атмосферског угљен-диоксида, угрожавајући глобалне климатске повреде;

- коришћење резерви уранија, што доводи до појаве радиоактивног отпада, што има веома негативан утицај на живот свих живих бића;

- употреба термонуклеарне енергије.

Закључак

Сва та неизвјесност о очекивању посљедица, које ће свакако доћи, ако не престанете да конзумирате енергију произведену на такав начин, чини да знанственици и инжењери посвете сву своју пажњу рјешавању овог проблема. Њихов главни задатак је проналажење оптималног извора енергије, а важно је укључити и различите природне процесе. Међу њима је највећи интерес: сунце, односно соларна топлота, вјетар и енергија у океанима. У многим земљама, мора и океани се дуго сматрају енергетским извором, а њихове перспективе постају све више обећавајуће. Океан је препун многих тајни, његова унутрашња енергија је безгранично богатство могућности. Сама чињеница да колико начина добијања енергије пружа нам (као што су токови на океану, енергија плиме и осеке, топлотна енергија и друго), већ нас наводи на размишљање о њеној величини.