Определение
Внутренней энергией тела (системы) называют энергию, которая связана со всеми видами движения и взаимодействия частиц, составляющих тело (систему), включая энергию взаимодействия и движения сложных частиц.
Из выше сказанного следует, что к внутренней энергии не относят кинетическую энергию движения центра масс системы и потенциальную энергию системы, вызванную действием внешних сил. Это энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы.
Внутреннюю энергию чаще всего обозначают буквой U. При этом бесконечно малое ее изменение станет обозначаться dU. Считается, что dU является положительной величиной, если внутренняя энергия системы растет, соответственно, внутренняя энергия отрицательна, если внутренняя энергия уменьшается.
Внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого отдельного тела плюс энергия взаимодействия между телами внутри системы.
Внутренняя энергия – функция состояния системы. Это означает, что изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от способа перехода (вида термодинамического процесса при переходе) системы и равно разности внутренних энергий конечного и начального состояний:
Для кругового процесса полное изменение внутренней энергии системы равно нулю:
Для системы, на которую не действуют внешние силы и находящуюся в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия – полная энергия системы.
Внутренняя энергия может быть определена только с точностью до некоторого постоянного слагаемого (U 0), которое не определимо методами термодинамики. Однако, данный факт не существенен, так как при использовании термодинамического анализа, имеют дело с изменениями внутренней энергии, а не абсолютными ее величинами. Часто U_0 полагают равным нулю. При этом в качестве внутренней энергии рассматривают ее составляющие, которые изменяются в предлагаемых обстоятельствах.
Внутреннюю энергию считают ограниченной и ее граница (нижняя) соответствует T=0K.
Внутренняя энергия идеального газа
Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его абсолютной температуры (T) и пропорциональна массе:
где C V – теплоемкость газа в изохорном процессе; c V - удельная теплоемкость газа в изохорном процессе; – внутренняя энергия, приходящаяся на единицу массы газа при абсолютном нуле температур. Или:
i – число степеней свободы молекулы идеального газа, v – число молей газа, R=8,31 Дж/(моль К) – универсальная газовая постоянная.
Первое начало термодинамики
Как известно первое начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из формулировок, которую предложил К.
Каратеодори говорит о существовании внутренней энергии как составляющей полной энергии системы.Она является функцией состояния,
в простых системах зависящей от объема (V), давления (p), масс веществ (m i), которые составляют данную систему:
. В формулировке, которую дал Каратеодори внутренняя
энергия не является характеристической функцией своих независимых переменных.
В более привычных формулировках первого начала термодинамики, например, формулировке Гельмгольца внутренняя энергия системы вводится как физическая характеристика системы. При этом поведение системы определено законом сохранения энергии. Гельмгольц не определяет внутреннюю энергию как функцию конкретных параметров состояния системы:
– изменение внутренней энергии в равновесном процессе, Q – количество теплоты, которое получила система в рассматриваемом процессе, A – работа, которую система совершила.
Единицы измерения внутренней энергии
Основной единицей измерения внутренней энергии в системе СИ является: [U]=Дж
Примеры решения задач
Пример
Задание. Вычислите, на какую величину изменится внутренняя энергия гелия имеющего массу 0,1 кг, если его температура увеличилась на 20С.
Решение. При решении задачи считаем гелий одноатомным идеальным газом, тогда для расчетов можно применить формулу:
Так как мы имеем с одноатомным газом, то , молярную массу
() возьмем из таблицы Менделеева
(
кг/моль). Масса газа в представленном процессе
не изменяется, следовательно, изменение внутренней энергии равно:
Все величины необходимые для вычислений имеются:
Ответ.
(Дж)
Пример
Задание. Идеальный газ расширили в соответствии с законом, который изображен графиком на рис.1. от начального объема V 0 . При расширении объем сал равен . Каково приращение внутренней энергии газа в заданном процессе? Коэффициент адиабаты равен .
Термодинамика как дисциплина сформировалась к середине 19-го столетия. Это произошло после открытия закона о сохранении энергии. Существует определенная связь между термодинамикой и молекулярной кинетикой. Какое место в теории занимает внутренняя энергия? Рассмотрим это в статье.
Статистическая механика и термодинамика
Исходной научной теорией о тепловых процессах стала не молекулярно-кинетическая. Первой была термодинамика. Она сформировалась в процессе изучения оптимальных условий применения теплоты для осуществления работы. Это случилось в середине 19-го столетия, до того как молекулярная кинетика получила признание. На сегодняшний день в технике и науке применяется как термодинамика, так и молекулярно-кинетическая теория. Последняя в теоретической физике именуется статистической механикой. Она наряду с термодинамикой исследует с применением различных методов одинаковые явления. Эти две теории взаимно дополняют друг друга. Основа термодинамики составлена двумя ее законами. Оба они касаются поведения энергии и установлены опытным путем. Законы эти справедливы для любого вещества вне зависимости от внутреннего строения. Более глубокой и точной наукой считается статистическая механика. По сравнению с термодинамикой она представляет большую сложность. Ее применяют в том случае, когда термодинамические соотношения оказываются недостаточными для объяснения исследуемых явлений.
Молекулярно-кинетическая теория
К середине 19-го века было доказано, что наряду с механической существует и внутренняя энергия макроскопических тел. Она входит в баланс энергетических природных превращений. После того как была открыта внутренняя энергия, было сформулировано положение о ее сохранении и превращении. В то время как шайба, скользящая по льду, останавливается под воздействием силы трения, ее кинетическая (механическая) энергия не просто перестает существовать, но и передается молекулам шайбы и льда. При движении неровности поверхностей тел, подвергающихся трению, деформируются. При этом интенсивность движущихся беспорядочно молекул возрастает. При нагревании обоих тел возрастает внутренняя энергия. Нетрудно пронаблюдать и обратный переход. При нагревании воды в закрытой пробирке внутренняя энергия (и ее, и образующегося пара) начинает возрастать. Давление увеличится, в результате чего пробка будет вытеснена. Внутренняя энергия пара станет причиной увеличения кинетической энергии. В процессе расширения пар совершает работу. При этом его внутренняя энергия уменьшается. В итоге происходит охлаждение пара.
Внутренняя энергия. Общая информация
При беспорядочном движении всех молекул сумма их кинетических энергий, а также потенциальных энергий их взаимодействий составляет внутреннюю энергию. Учитывая положение молекул относительно друг друга и их движение, вычислить эту сумму практически невозможно. Это обусловлено огромным количеством элементов в макроскопических телах. В связи с этим необходимо уметь вычислять значение в соответствии с макроскопическими параметрами, которые можно измерить.
Одноатомный газ
Вещество считается достаточно простым по своим свойствам, поскольку состоит из отдельных атомов, а не молекул. К одноатомным газам относят аргон, гелий, неон. Потенциальная энергия в данном случае равна нулю. Это обусловлено тем, что молекулы в идеальном газе друг с другом не взаимодействуют. Кинетическая энергия беспорядочного молекулярного движения является определяющей для внутренней (U). Для того чтобы вычислить U одноатомного газа массой m, нам необходимо произвести умножение кинетической энергии (средней) 1-го атома на общее число всех атомов. Но при этом нужно учитывать, что kNA=R. Исходя из имеющихся у нас данных, мы получаем следующую формулу: U= 2/3 х m/M х RT, где внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре. Все изменения U определяются только T (температурой), замеренной в изначальном и итоговом состоянии газа, и не имеют прямого отношения к объему. Это связано с тем, что взаимодействия его потенциальной энергии равны 0, и уж вовсе не зависят от других системных параметров макроскопических объектов. При наличии более сложных молекул идеальный газ также будет иметь внутреннюю энергию, прямо пропорциональную абсолютной температуре. Но, надо сказать, при этом между U и T коэффициент пропорциональности изменится. Ведь сложные молекулы выполняют не только поступательные движения, но и вращательные. Внутренняя энергия равна сумме этих движений молекул.
От чего зависит U?
Внутренняя энергия находится под влиянием одного из макроскопических параметров. Это температура. У реальных газов, жидких и твердых тел потенциальная энергия (средняя) при взаимодействии молекул не равняется нулю. Хотя, если рассмотреть точнее, для газов она много меньше кинетической (средней же). При этом для твердых и жидких тел - сравнима с ней. А вот средняя U зависит от V вещества, потому что в период его изменения меняется и среднее расстояние, которое есть между молекулами. Из этого следует, что в термодинамике внутренняя энергия зависит не только от температуры T, но и от V (объема). Их значение однозначно определяет состояние тел, а значит и U.
Мировой океан
Сложно представить, какие невероятно большие запасы энергии содержит в себе Мировой океан. Рассмотрим, что собой представляет внутренняя энергия воды. Надо отметить, что она же является тепловой, потому что образовалась в результате перегрева жидкой части поверхности океана. Так вот, имея разницу, к примеру, в 20 градусов по отношению к донной воде, она приобретает значение около 10^26 Дж. При измерении течений в океане его кинетическая энергия оценивается величиной около 10^18 Дж.
Глобальные проблемы
Существуют глобальные проблемы, которые можно поставить на мировой уровень. К ним относят:
Истощение запасов ископаемого топлива (в первую очередь нефти и газа);
Значительное загрязнение окружающей среды, связанное с использованием этих ископаемых;
Тепловое "загрязнение", плюс ко всему повышение концентрации атмосферной углекислоты, грозящее глобальными климатическими нарушениями;
Использование урановых запасов, приводящих к появлению радиоактивных отходов, которые весьма негативно сказываются на жизнедеятельности всего живого;
Использование термоядерной энергии.
Заключение
Вся эта неопределенность касательно ожидания последствий, которые непременно настанут, если не перестать потреблять энергию, добытую такими способами, заставляет ученых и инженеров уделять практически все свое внимание решению этой проблемы. Их главной задачей является поиск оптимального источника энергии, Немаловажно и задействование различных природных процессов. Среди них наибольший интерес представляют: солнце, вернее солнечное тепло, ветер и энергия в Мировом океане.
Во многих странах моря и океаны давно рассматривают как источник энергии, и их перспективы становятся все более многообещающими. Океан таит в себе немало тайн, его внутренняя энергия - это бездонный кладезь возможностей. Одно только то, сколько способов извлечения энергии он нам предоставляет (таких как океанские течения, энергия приливов и отливов, термальная энергия и другие), уже заставляет задуматься о его величии.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, функция U термодинамических параметров системы (например, объёма V и температуры Т), изменение которой определяется работой, совершаемой однородной системой при условии её адиабатической изоляции. Понятие «внутренней энергии» ввёл в 1851 году У. Томсон (лорд Кельвин). Существование функции U(V,Т) есть следствие первого начала термодинамики - закона сохранения энергии в применении к процессам, в которых происходит передача теплоты. Приращение внутренней энергии ΔU = ΔQ-А, где ΔQ - количество теплоты, сообщаемое системе, А = рΔV - работа, совершаемая системой, р - давление. Согласно закону сохранения энергии, внутренняя энергия является однозначной функцией состояния физической системы, т. е. однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например температуры и объёма. Однозначность внутренней энергии приводит к тому, что, хотя ΔQ и А зависят от характера процесса, переводящего систему из состояния с U 1 в состояние с U 2 , приращение ΔU определяется лишь значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях: ΔU = U 1 - U 2 . Поэтому для кругового процесса полное изменение внутренней энергии равно нулю и ΔQ=А. При адиабатическом процессе (ΔQ = 0) изменение внутренней энергии равно работе, совершаемой системой при бесконечно медленном, квазистатическом процессе.
В общем случае внутренняя энергия есть функция внешних и внутренних термодинамических параметров, включая температуру. Вместо температуры в качестве термодинамического параметра можно выбрать энтропию S. Согласно второму началу термодинамики, ΔQ = ТΔS, тогда ΔU = ТΔS -рΔV. Внутренняя энергия как функция энтропии и объёма U(S,V) является одним из потенциалов термодинамической (характеристической функции), т.к. определяет все термодинамические свойства системы. Если система состоит из n компонентов, то U зависит (кроме S и V) от числа частиц N i в компонентах, i = 1, 2,..., n. Минимум U при постоянных энтропии, объёме и массах компонентов определяет устойчивое равновесие многофазных и многокомпонентных систем.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренней энергии имеет смысл среднее механической энергии (кинетические энергии и энергии взаимодействия) всех частиц системы. Если в термодинамическую систему входит электромагнитное поле, то его энергию также включают во внутреннюю энергию. Кинетическая энергия движения тела как целого не входит во внутреннюю энергию.
Для идеального газа, подчиняющегося классической статистике, внутренняя энергия зависит только от температуры: U = CVT, где CV - теплоёмкость при постоянном объёме. Для неидеального газа и жидкости внутренняя энергия зависит также от удельного объёма v = V/N, где N - число частиц. Например, для газа, подчиняющегося Ван дер Ваальса уравнению, внутренняя энергия имеет вид U = CVT - а/v, где а - постоянная, учитывающая взаимное притяжение молекул.
Лит. смотри при ст. Термодинамика.
Мы знаем, что внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами - путем совершения работы и путем теплообмена. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них - на величину, равную количеству переданной теплоты Q.
Обозначим начальную внутреннюю энергию тела через U 1 , а конечную (после того, как ее изменили) - через U 2 . Тогда изменение внутренней энергии тела будет равно разности U 2 -U 1 . Изменение любой физической величины в физике принято обозначать греческой буквой А (дельта) Поэтому мы можем записать:
ΔU - изменение внутренней энергии
U = U 2 – U 1
Изменение внутренней энергии может выражаться как положительной, так и отрицательной величиной:
1) если внутренняя энергия тела увеличивается, то U 2 > U 1 и, следовательно, ΔU > 0;
2) если внутренняя энергия тела уменьшается, то U 2 < U 1 и, следовательно, ΔU < 0.
В зависимости от того, каким путем (путем совершения над телом работы или путем теплообмена) изменялась внутренняя энергия тела, ее изменение можно рассчитывать двумя способами:
ΔU = A - при совершении работы (33.1)
ΔU = Q - при теплообмене (33.2)
Применяя уравнение (33.1), следует помнить, что в его правой части фигурирует работа внешних сил, действующих на тело. Работа самого тела A тела отличается от нее знаком:
A тела = –A
Количество теплоты Q также может быть как положительным, так и отрицательным:
1) если внутренняя энергия тела увеличивается в процессе теплообмена, то Q>О (тело получает количество теплоты);
2) если внутренняя энергия тела уменьшается в процессе теплообмена, то Q<0 (тело отдает количество теплоты).
В общем случае внутренняя энергия тела (или системы тел) может изменяться сразу двумя способами - и путем совершения работы, и путем теплообмена. Тогда для расчета изменения внутренней энергии применяют уравнение
ΔU = A + Q (33.3)
Согласно этому уравнению, изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, полученного системой.
1. Как обозначаются внутренняя энергия тела и изменение внутренней энергии тела? 2. В каком случае изменение внутренней энергии тела положительно и в каком отрицательно? 3. Какой знак имеет: а) количество теплоты, полученное телом; б) количество теплоты, отданное телом? Почему? 4. Напишите формулу, по которой рассчитывается изменение внутренней энергии тела при теплообмене. 5. Напишите формулу, по которой рассчитывается изменение внутренней энергии тела при совершении над ним работы. 6. По какой формуле рассчитывается изменение внутренней энергии в общем случае?
Рассмотрение того или иного физического явления или класса явлений удобно производить при помощи моделей разной степени приближения. Например, при описании поведения газа используется физическая модель - идеальный газ.
Любая модель имеет границы применимости, при выходе за которые требуется ее уточнение либо применение более сложных вариантов. Здесь мы рассмотрим простой случай описания внутренней энергии физической системы исходя из наиболее существенных свойств газов в определенных пределах.
Идеальный газ
Эта физическая модель для удобства описания некоторых основополагающих процессов следующим образом упрощает реальный газ:
- Пренебрегает размерами молекул газа. Это означает, что существуют явления, для адекватного описания которых данный параметр несущественен.
- Пренебрегает межмолекулярными взаимодействиями, то есть принимает, что в интересующих ее процессах они проявляются в ничтожно малые промежутки времени и не оказывают влияния на состояние системы. При этом взаимодействия носят характер абсолютно упругого удара, при котором не происходит энергопотерь на деформации.
- Пренебрегает взаимодействием молекул со стенками резервуара.
- Принимает, что система «газ - резервуар» характеризуется термодинамическим равновесием.
Такая модель подходит для описания реальных газов, если давления и температуры относительно невелики.
Энергетическое состояние физической системы
Всякая макроскопическая физическая система (тело, газ или жидкость в сосуде) обладает, помимо собственной кинетической и потенциальной, еще одним видом энергии - внутренней. Эту величину получают, суммируя энергии всех составляющих физическую систему подсистем - молекул.
Каждая молекула в составе газа тоже имеет свою потенциальную и кинетическую энергию. Последняя обусловлена непрерывным хаотическим тепловым движением молекул. Различные взаимодействия между ними (электрическое притяжение, отталкивание) определяются потенциальной энергией.
Нужно помнить, что если энергетическое состояние каких-либо частей физической системы не оказывает никакого влияния на макроскопическое состояние системы, то оно не принимается во внимание. Например, при обычных условиях ядерная энергия не проявляет себя в изменениях состояния физического объекта, поэтому ее учитывать не нужно. Но при больших температурах и давлениях это уже необходимо делать.
Таким образом, внутренняя энергия тела отражает характер движения и взаимодействия его частиц. Это означает, что данный термин является синонимом часто употребляемого понятия «тепловая энергия».
Одноатомные газы, то есть такие, атомы которых не объединены в молекулы, существуют в природе - это инертные газы. Такие газы, как кислород, азот или водород, могут существовать в подобном состоянии только в условиях, когда извне затрачивается энергия на постоянное возобновление этого состояния, поскольку их атомы химически активны и стремятся соединиться в молекулу.
Рассмотрим энергетическое состояние одноатомного идеального газа, помещенного в сосуд некоторого объема. Это простейший случай. Мы помним, что электромагнитное взаимодействие атомов между собой и со стенками сосуда, а, следовательно, и их потенциальная энергия пренебрежимо малы. Так что внутренняя энергия газа включает в себя только сумму кинетических энергий его атомов.
Ее можно вычислить, умножив среднюю кинетическую энергию атомов в газе на их количество. Средняя энергия равна E = 3/2 х R / N A х T, где R - универсальная газовая постоянная, N A - число Авогадро, Т - абсолютная температура газа. Число атомов подсчитываем, умножая количество вещества на постоянную Авогадро. Внутренняя энергия одноатомного газа будет равна U = N A х m / M х 3/2 х R/N A х T = 3/2 х m / M х RT. Здесь m - масса и М - молярная масса газа.
Предположим, что химический состав газа и его масса всегда остаются одинаковыми. В таком случае, как видно из полученной нами формулы, внутренняя энергия зависит только от температуры газа. Для реального газа нужно будет учитывать, помимо температуры, изменение объема, поскольку оно влияет на потенциальную энергию атомов.
Молекулярные газы
В приведенной выше формуле число 3 характеризует количество степеней свободы движения одноатомной частицы - оно определяется числом координат в пространстве: x, y, z. Для состояния одноатомного газа вообще безразлично, вращаются ли его атомы.
Молекулы же сферически асимметричны, поэтому при определении энергетического состояния молекулярных газов нужно учитывать кинетическую энергию их вращения. Двухатомные молекулы, кроме перечисленных степеней свободы, связанных с поступательным движением, имеют еще две, связанные с вращением вокруг двух взаимно перпендикулярных осей; у многоатомных молекул таких независимых осей вращения три. Следовательно, частицы двухатомных газов характеризуются количеством степеней свободы f=5, у многоатомных же молекул f=6.
Вследствие хаотичности, присущей тепловому движению, все направления и вращательного, и поступательного перемещения совершенно равновероятны. Средняя кинетическая энергия, вносимая каждым видом движения, одинакова. Поэтому мы можем подставить величину f в формулу, что позволяет рассчитать внутреннюю энергию идеального газа любого молекулярного состава: U = f / 2 х m / M х RT.
Конечно, мы видим из формулы, что эта величина зависит от количества вещества, то есть от того, сколько и какого газа мы взяли, а также от структуры молекул этого газа. Однако, поскольку мы условились не менять массу и химический состав, то учитывать нам нужно только температуру.
Теперь рассмотрим, как величина U связана с другими характеристиками газа - объемом, а также давлением.
Внутренняя энергия и термодинамическое состояние
Температура, как известно, является одним из состояния системы (в данном случае газа). В идеальном газе она связана с давлением и объемом соотношением PV = m / M х RT (так называемое уравнение Клапейрона - Менделеева). Температура же определяет тепловую энергию. Так что последнюю можно выразить через набор других параметров состояния. Она безразлична к предыдущему состоянию, а также к способу его изменения.
Посмотрим, как изменяется внутренняя энергия, когда система переходит из одного термодинамического состояния в другое. Ее изменение при любом подобном переходе определяется разностью начального и конечного значений. Если система через некоторое промежуточное состояние возвратилась к первоначальному, то эта разность будет равна нулю.
Допустим, мы нагрели газ в резервуаре (то есть подвели к нему дополнительную энергию). Термодинамическое состояние газа изменилось: возросли его температура и давление. Такой процесс идет без изменения объема. Внутренняя энергия нашего газа увеличилась. После этого наш газ отдал подведенную энергию, остыв до исходного состояния. Такой фактор, как, например, скорость этих процессов, не будет иметь никакого значения. Результирующее изменение внутренней энергии газа при любой скорости нагревания и охлаждения равняется нулю.
Важным моментом является то, что одному и тому же значению тепловой энергии может соответствовать не одно, а несколько термодинамических состояний.
Характер изменения тепловой энергии
Для того чтобы изменить энергию, требуется совершить работу. Работа может совершаться самим газом или внешней силой.
В первом случае затрата энергии на совершение работы производится за счет внутренней энергии газа. Например, мы имели в резервуаре с поршнем сжатый газ. Если отпустить поршень, расширяющийся газ станет поднимать его, совершая работу (чтобы она была полезной, пусть поршень поднимает какой-нибудь груз). Внутренняя энергия газа уменьшится на величину, затраченную на работу против силы тяжести и сил трения: U 2 = U 1 - A. В этом случае работа газа положительна, поскольку направление силы, приложенной к поршню, совпадает с направлением движения поршня.
Начнем опускать поршень, совершая работу против силы давления газа и опять-таки против сил трения. Тем самым мы сообщим газу некоторое количество энергии. Здесь уже считается положительной работа внешних сил.
Помимо механической работы, существует и такой способ отнять у газа или сообщить ему энергию, как Мы уже встречались с ним в примере с нагреванием газа. Энергия, переданная газу в ходе процессов теплообмена, называется количеством теплоты. Теплообмен бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и лучистый перенос. Рассмотрим их немного подробнее.
Теплопроводность
Способность вещества к теплообмену, осуществляемому его частицами путем передачи друг другу кинетической энергии в ходе взаимных столкновений при тепловом движении - это теплопроводность. Если некоторая область вещества нагрета, то есть ей сообщено определенное количество теплоты, внутренняя энергия через некоторое время посредством столкновений атомов или молекул окажется распределена между всеми частицами в среднем однородно.
Понятно, что теплопроводность сильно зависит от частоты столкновений, а та, в свою очередь - от среднего расстояния между частицами. Поэтому газ, особенно идеальный, характеризуется весьма низкой теплопроводностью, и это свойство часто используют для теплоизоляции.
Из реальных газов теплопроводность выше у тех, чьи молекулы наиболее легкие и при этом многоатомные. Этому условию в наибольшей степени отвечает молекулярный водород, в наименьшей - радон, как самый тяжелый одноатомный газ. Чем более разрежен газ, тем худшим проводником тепла он является.
В целом передача энергии за счет теплопроводности для идеального газа - очень малоэффективный процесс.
Конвекция
Гораздо эффективнее для газа такой как конвекция, при которой внутренняя энергия распределяется посредством потока вещества, циркулирующего в поле тяготения. горячего газа формируется за счет архимедовой силы, поскольку он менее плотный вследствие Смещающийся вверх горячий газ постоянно замещается более холодным - устанавливается циркуляция газовых потоков. Поэтому для того, чтобы обеспечить эффективный, то есть наиболее быстрый, нагрев через конвекцию, необходимо подогревать резервуар с газом снизу - как и чайник с водой.
Если же необходимо отнять у газа какое-то количество теплоты, то холодильник эффективнее размещать вверху, так как отдавший энергию холодильнику газ будет устремляться вниз под действием тяготения.
Примером конвекции в газе является обогрев воздуха в помещениях при помощи отопительных систем (их размещают в комнате как можно ниже) или охлаждение с применением кондиционера, а в природных условиях явление тепловой конвекции служит причиной перемещения воздушных масс и влияет на погоду и климат.
При отсутствии силы тяжести (при невесомости в космическом корабле) конвекция, то есть циркуляция воздушных потоков, не устанавливается. Так что нет смысла зажигать на борту космического корабля газовые горелки или спички: горячие продукты сгорания не будут отводиться вверх, а кислород - подводиться к источнику огня, и пламя затухнет.
Лучистый перенос
Вещество может нагреваться и под действием теплового излучения, когда атомы и молекулы приобретают энергию, поглощая электромагнитные кванты - фотоны. При низких частотах фотонов этот процесс не очень эффективен. Вспомним, что, когда мы открываем микроволновую печку, то обнаруживаем там горячие продукты, но не горячий воздух. С повышением частоты излучения эффект лучевого нагрева повышается, например, в верхней атмосфере Земли сильно разреженный газ интенсивно нагревается и ионизируется солнечным ультрафиолетом.
Различные газы в разной степени поглощают тепловое излучение. Так, вода, метан, углекислый газ поглощают его довольно сильно. На этом свойстве основано явление парникового эффекта.
Первое начало термодинамики
Вообще говоря, изменение внутренней энергии через нагревание газа (теплообмен) также сводится к совершению работы либо молекул газа, либо над ними посредством внешней силы (что обозначается так же, но с обратным знаком). Какая же работа совершается при таком способе перехода из одного состояния в другое? Ответить на этот вопрос нам поможет закон сохранения энергии, точнее, его конкретизация применительно к поведению термодинамических систем - первое начало термодинамики.
Закон, или универсальный принцип сохранения энергии, в наиболее обобщенной форме гласит, что энергия не рождается из ничего и не пропадает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую. В отношении термодинамической системы это надо понимать так, что работа, совершаемая системой, выражается через разность между сообщаемым системе (идеальному газу) количеством теплоты и изменением ее внутренней энергии. Иначе говоря, на это изменение и на работу системы затрачивается сообщенное газу количество теплоты.
В виде формул это записывается гораздо проще: dA = dQ - dU, и соответственно, dQ = dU + dA.
Мы уже знаем, что эти величины не зависят от способа, которым совершается переход между состояниями. От способа зависит скорость этого перехода и, как следствие, эффективность.
Что касается второго начала термодинамики, то оно задает направление изменения: теплота не может быть переведена от более холодного (а значит, менее энергичного) газа к более горячему без дополнительных затрат энергии извне. Второе начало также указывает, что часть энергии, расходуемой системой на совершение работы, неизбежно диссипирует, теряется (не исчезает, а переходит в непригодную для использования форму).
Термодинамические процессы
Переходы между энергетическими состояниями идеального газа, могут иметь разный характер изменения тех или иных его параметров. Внутренняя энергия в процессах переходов разного типа также будет вести себя по разному. Рассмотрим кратко несколько видов таких процессов.
- Изохорный процесс протекает без изменения объема, следовательно, газ никакой работы не совершает. Внутренняя энергия газа изменяется как функция разности конечной и начальной температур.
- Изобарный процесс происходит при неизменном давлении. Газ совершает работу, а его тепловая энергия рассчитывается так же, как и в предыдущем случае.
- Изотермический процесс характеризуется постоянной температурой, а, значит, и тепловая энергия не меняется. Количество теплоты, получаемое газом, целиком уходит на совершение работы.
- Адиабатический, или адиабатный процесс протекает в газе без теплопередачи, в теплоизолированном резервуаре. Работа совершается только за счет затрат тепловой энергии: dA = - dU. При адиабатическом сжатии тепловая энергия увеличивается, при расширении - соответственно уменьшается.
Различные изопроцессы лежат в основе функционирования тепловых машин. Так, изохорный процесс имеет место в бензиновом двигателе при крайних положениях поршня в цилиндре, а второй и третий такты двигателя - это примеры адиабатического процесса. При получении сжиженных газов адиабатическое расширение играет важную роль - благодаря ему становится возможна конденсация газа. Изопроцессы в газах, при исследовании которых не обойтись без понятия о внутренней энергии идеального газа, характерны для многих явлений природы и находят применение в самых разных отраслях техники.