Thật tiện lợi khi xem xét một hiện tượng vật lý hoặc lớp hiện tượng cụ thể bằng cách sử dụng các mô hình có mức độ gần đúng khác nhau. Ví dụ: khi mô tả hành vi của một chất khí, một mô hình vật lý được sử dụng - một chất khí lý tưởng.
Bất kỳ mô hình nào cũng có giới hạn về khả năng áp dụng, vượt quá giới hạn đó cần được cải tiến hoặc áp dụng các tùy chọn phức tạp hơn. Ở đây chúng tôi xem xét một trường hợp đơn giản là mô tả nội năng của một hệ vật chất dựa trên các đặc tính cơ bản nhất của chất khí trong các giới hạn nhất định.
Khí lý tưởng
Mô hình vật lý này, để thuận tiện cho việc mô tả một số quá trình cơ bản, đơn giản hóa khí thực như sau:
- Bỏ qua kích thước của các phân tử khí. Điều này có nghĩa là có những hiện tượng mà thông số này không cần thiết để mô tả đầy đủ.
- Bỏ qua các tương tác giữa các phân tử, nghĩa là nó chấp nhận rằng trong các quá trình quan tâm đến nó, chúng xuất hiện trong những khoảng thời gian không đáng kể và không ảnh hưởng đến trạng thái của hệ thống. Trong trường hợp này, các tương tác có bản chất của một va chạm đàn hồi tuyệt đối, trong đó không có sự mất mát năng lượngbiến dạng.
- Bỏ qua sự tương tác của các phân tử với thành bể.
- Giả sử rằng hệ thống "bình chứa khí" được đặc trưng bởi trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.
Mô hình này thích hợp để mô tả khí thực nếu áp suất và nhiệt độ tương đối thấp.
Trạng thái năng lượng của hệ thống vật chất
Bất kỳ hệ thống vật chất vĩ mô nào (cơ thể, khí hoặc chất lỏng trong bình), ngoài động năng và thế năng của chính nó, còn có một loại năng lượng nữa - nội năng. Giá trị này có được bằng cách cộng tổng năng lượng của tất cả các hệ con tạo nên hệ thống vật chất - các phân tử.
Mỗi phân tử trong chất khí cũng có thế năng và động năng riêng. Sau đó là do chuyển động nhiệt hỗn loạn liên tục của các phân tử. Các tương tác khác nhau giữa chúng (lực hút điện, lực đẩy) được xác định bởi thế năng.
Cần phải nhớ rằng nếu trạng thái năng lượng của bất kỳ bộ phận nào của hệ thống vật lý không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến trạng thái vĩ mô của hệ thống, thì nó không được tính đến. Ví dụ, trong điều kiện bình thường, năng lượng hạt nhân không tự biểu hiện ra sự thay đổi trạng thái của một vật thể, vì vậy nó không cần phải tính đến. Nhưng ở nhiệt độ và áp suất cao, điều này đã trở nên cần thiết.
Như vậy, nội năng của cơ thể phản ánh bản chất của chuyển động và tương tác của các hạt của nó. Điều này có nghĩa là thuật ngữ này đồng nghĩa với thuật ngữ thường được sử dụng "nhiệt năng".
Khí lý tưởng cấu tạo
Khí monatomic, tức là những khí mà các nguyên tử của nó không kết hợp thành phân tử, tồn tại trong tự nhiên - đây là những khí trơ. Các khí như oxy, nitơ hoặc hydro chỉ có thể tồn tại ở trạng thái như vậy trong điều kiện khi năng lượng được sử dụng từ bên ngoài để liên tục đổi mới trạng thái này, vì các nguyên tử của chúng hoạt động hóa học và có xu hướng kết hợp thành một phân tử.
Hãy xem trạng thái năng lượng của một khí lý tưởng có dạng cấu tạo đặt trong một bình có thể tích nào đó. Đây là trường hợp đơn giản nhất. Chúng ta nhớ rằng tương tác điện từ của các nguyên tử giữa chúng và với thành bình, và do đó, thế năng của chúng là không đáng kể. Vì vậy, nội năng của một chất khí chỉ bao gồm tổng động năng của các nguyên tử của nó.
Nó có thể được tính bằng cách nhân động năng trung bình của các nguyên tử trong chất khí với số của chúng. Năng lượng trung bình là E=3/2 x R / NAx T, trong đó R là hằng số khí phổ, NAlà số Avogadro, T là nhiệt độ khí tuyệt đối. Số lượng nguyên tử được tính bằng cách nhân lượng vật chất với hằng số Avogadro. Nội năng của một khí đơn chất sẽ bằng U=NAx m / M x 3/2 x R / NAx T=3/2 x m / M x RT. Ở đây m là khối lượng và M là khối lượng mol của khí.
Giả sử rằng thành phần hóa học của khí và khối lượng của nó luôn không đổi. Trong trường hợp này, như có thể thấy từ công thức mà chúng ta thu được, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí. Đối với khí thực, cần phải tính đếnnhiệt độ, thay đổi thể tích vì nó ảnh hưởng đến thế năng của nguyên tử.
Khí phân tử
Trong công thức trên, số 3 đặc trưng cho số bậc tự do chuyển động của một hạt đơn thể - nó được xác định bằng số tọa độ trong không gian: x, y, z. Đối với trạng thái của khí đơn nguyên, việc các nguyên tử của nó có quay hay không cũng không quan trọng.
Phân tử là hình cầu không đối xứng, do đó, khi xác định trạng thái năng lượng của phân tử khí, cần phải tính đến động năng của chuyển động quay của chúng. Phân tử nguyên tử, ngoài các bậc tự do được liệt kê liên quan đến chuyển động tịnh tiến, còn có hai bậc nữa liên quan đến chuyển động quay quanh hai trục vuông góc với nhau; các phân tử đa nguyên tử có ba trục quay độc lập như vậy. Do đó, các hạt của khí lưỡng nguyên được đặc trưng bởi số bậc tự do f=5, trong khi các phân tử đa nguyên tử có f=6.
Do tính ngẫu nhiên vốn có của chuyển động nhiệt, tất cả các hướng của cả chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến đều có thể xảy ra hoàn toàn như nhau. Động năng trung bình do mỗi loại chuyển động đóng góp là như nhau. Do đó, chúng ta có thể thay giá trị của f vào công thức, cho phép chúng ta tính nội năng của khí lý tưởng có thành phần phân tử bất kỳ: U=f / 2 x m / M x RT.
Tất nhiên, từ công thức, chúng ta thấy rằng giá trị này phụ thuộc vào lượng chất, tức là chúng ta đã lấy bao nhiêu và loại khí nào, cũng như cấu trúc của các phân tử của khí này. Tuy nhiên, vì chúng tôi đã đồng ý không thay đổi khối lượng và thành phần hóa học, nên hãy tính đếnchúng ta chỉ cần nhiệt độ.
Bây giờ chúng ta hãy xem giá trị của U có liên quan như thế nào đến các đặc điểm khác của chất khí - thể tích, cũng như áp suất.
Nội năng và trạng thái nhiệt động lực học
Nhiệt độ, như bạn đã biết, là một trong những thông số về trạng thái nhiệt động của hệ thống (trong trường hợp này là khí). Trong một chất khí lý tưởng, nó liên quan đến áp suất và thể tích bằng quan hệ PV=m / M x RT (cái gọi là phương trình Clapeyron-Mendeleev). Nhiệt độ quyết định nhiệt năng. Vì vậy, sau này có thể được biểu diễn dưới dạng một tập hợp các tham số trạng thái khác. Nó thờ ơ với trạng thái trước đó, cũng như cách nó đã được thay đổi.
Hãy xem nội năng thay đổi như thế nào khi hệ chuyển từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái nhiệt động khác. Sự thay đổi của nó trong bất kỳ quá trình chuyển đổi nào như vậy được xác định bởi sự khác biệt giữa giá trị ban đầu và giá trị cuối cùng. Nếu hệ thống trở lại trạng thái ban đầu sau một số trạng thái trung gian, thì sự khác biệt này sẽ bằng không.
Giả sử chúng ta đã đốt nóng khí trong bình (nghĩa là chúng ta đã mang thêm năng lượng cho nó). Trạng thái nhiệt động của chất khí đã thay đổi: nhiệt độ và áp suất của nó đều tăng lên. Quá trình này diễn ra mà không thay đổi âm lượng. Nội năng của khí của chúng ta đã tăng lên. Sau đó, khí của chúng ta từ bỏ năng lượng được cung cấp, nguội dần về trạng thái ban đầu. Chẳng hạn, một yếu tố như tốc độ của các quá trình này sẽ không thành vấn đề. Kết quả là sự thay đổi nội năng của khí ở bất kỳ tốc độ nào của quá trình đốt nóng và làm lạnh đều bằng không.
Điểm quan trọng là cùng một giá trị nhiệt năng có thể không tương ứng với một mà là một số trạng thái nhiệt động lực học.
Bản chất của sự thay đổi nhiệt năng
Để thay đổi năng lượng, công việc phải được thực hiện. Công việc có thể được thực hiện bằng chính khí hoặc bằng một lực bên ngoài.
Trong trường hợp thứ nhất, việc tiêu hao năng lượng để thực hiện công việc là do nội năng của khí. Ví dụ, chúng tôi đã nén khí trong một bình chứa một pít-tông. Nếu piston được nhả ra, khí nở ra sẽ bắt đầu nâng nó lên, thực hiện công việc (để nó có ích, hãy để piston nâng một loại tải nào đó). Nội năng của chất khí sẽ giảm theo lượng chi để tác dụng với lực hấp dẫn và lực ma sát: U2=U1- A. Trong đó trường hợp, công của chất khí là dương vì hướng của lực tác dụng lên piston giống với hướng chuyển động của piston.
Hãy bắt đầu hạ thấp pít-tông, làm công việc chống lại lực của áp suất khí và một lần nữa chống lại lực ma sát. Như vậy, chúng ta sẽ thông báo cho chất khí một lượng năng lượng nhất định. Ở đây, tác động của các lực lượng bên ngoài đã được coi là tích cực.
Ngoài công cơ học, cũng có một cách như vậy để lấy năng lượng từ khí hoặc cung cấp năng lượng cho nó, chẳng hạn như truyền nhiệt (truyền nhiệt). Chúng ta đã gặp anh ta trong ví dụ về việc đốt nóng một chất khí. Năng lượng truyền cho chất khí trong các quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. Có ba hình thức truyền nhiệt: dẫn truyền, đối lưu và truyền bức xạ. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn chúng.
Dẫn nhiệt
Khả năng trao đổi nhiệt của một chất,được thực hiện bởi các hạt của nó bằng cách truyền động năng cho nhau khi va chạm lẫn nhau trong quá trình chuyển động nhiệt - đây là hiện tượng dẫn nhiệt. Nếu một vùng nhất định của chất bị đốt nóng, tức là truyền một lượng nhiệt nhất định vào nó, thì nội năng sau một thời gian, thông qua va chạm của các nguyên tử hoặc phân tử, sẽ phân bố trung bình cho tất cả các hạt một cách đồng đều.
Rõ ràng là độ dẫn nhiệt phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số va chạm, và do đó, vào khoảng cách trung bình giữa các hạt. Do đó, một loại khí, đặc biệt là khí lý tưởng, được đặc trưng bởi tính dẫn nhiệt rất thấp và đặc tính này thường được sử dụng để cách nhiệt.
Trong số các khí thực, độ dẫn nhiệt cao hơn đối với những khí có phân tử nhẹ nhất và đồng thời là đa nguyên tử. Hydro phân tử đáp ứng điều kiện này ở mức độ lớn nhất, và radon, là khí cấu tạo nặng nhất, ở mức độ thấp nhất. Khí càng hiếm thì chất dẫn nhiệt càng kém.
Nói chung, việc truyền năng lượng thông qua dẫn nhiệt cho khí lý tưởng là một quá trình rất kém hiệu quả.
Đối lưu
Hiệu quả hơn nhiều đối với chất khí là kiểu truyền nhiệt này, chẳng hạn như đối lưu, trong đó năng lượng bên trong được phân phối thông qua dòng vật chất lưu thông trong trường hấp dẫn. Dòng khí nóng đi lên được hình thành do lực Archimedean, vì nó ít đặc hơn do sự giãn nở nhiệt. Khí nóng di chuyển lên trên liên tục được thay thế bằng khí lạnh hơn - sự tuần hoàn của các dòng khí được thiết lập. Vì vậy, để đảm bảo hiệu quả, tức là làm nóng nhanh nhất thông qua đối lưu, cần phải làm nóng bình gas từ bên dưới - giống như một ấm đun nước.
Nếu cần lấy đi một lượng nhiệt từ khí gas thì nên đặt tủ lạnh ở trên cùng sẽ hiệu quả hơn vì khí gas cung cấp năng lượng cho tủ lạnh sẽ lao xuống dưới tác dụng của trọng lực..
Một ví dụ về đối lưu trong khí là làm nóng không khí trong nhà bằng hệ thống sưởi (chúng được đặt trong phòng càng thấp càng tốt) hoặc làm mát bằng máy điều hòa, và trong điều kiện tự nhiên, hiện tượng đối lưu nhiệt gây ra sự chuyển động của các khối khí và ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu.
Trong trường hợp không có trọng lực (không trọng lượng trong tàu vũ trụ), sự đối lưu, tức là sự lưu thông của các dòng không khí, sẽ không được thiết lập. Vì vậy, sẽ không có ý nghĩa gì khi thắp lửa đốt gas hoặc diêm trên tàu vũ trụ: các sản phẩm cháy nóng sẽ không được thải lên trên, và oxy sẽ được cung cấp cho nguồn lửa, và ngọn lửa sẽ tắt.
Truyềntỏa
Một chất cũng có thể nóng lên dưới tác dụng của bức xạ nhiệt, khi các nguyên tử và phân tử thu năng lượng bằng cách hấp thụ các lượng tử điện từ - photon. Ở tần số photon thấp, quá trình này không hiệu quả lắm. Nhớ lại rằng khi chúng ta mở lò vi sóng, chúng ta thấy có thức ăn nóng bên trong, nhưng không phải khí nóng. Với sự gia tăng tần số bức xạ, ảnh hưởng của việc đốt nóng bức xạ tăng lên, ví dụ, trong tầng cao của khí quyển Trái đất, một loại khí rất hiếm được đốt nóng mạnh vàbị ion hóa bởi tia cực tím mặt trời.
Các chất khí khác nhau hấp thụ bức xạ nhiệt ở các mức độ khác nhau. Vì vậy, nước, khí metan, khí cacbonic hấp thụ khá mạnh. Hiện tượng hiệu ứng nhà kính dựa trên tính chất này.
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học
Nói chung, sự thay đổi nội năng thông qua việc đốt nóng khí (truyền nhiệt) cũng do tác động lên các phân tử khí hoặc tác động lên chúng thông qua một lực bên ngoài (được biểu thị theo cùng một cách, nhưng ngược lại ký tên). Công việc nào được thực hiện trong cách chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác? Định luật bảo toàn năng lượng sẽ giúp chúng ta trả lời câu hỏi này, chính xác hơn là sự cụ thể hóa của nó liên quan đến hoạt động của các hệ nhiệt động lực học - định luật đầu tiên của nhiệt động lực học.
Định luật hay nguyên lý bảo toàn năng lượng ở dạng tổng quát nhất của nó nói rằng năng lượng không được sinh ra từ hư không và không biến mất không dấu vết, mà chỉ truyền từ dạng này sang dạng khác. Liên quan đến hệ nhiệt động lực học, điều này cần được hiểu theo cách mà công do hệ thực hiện được biểu thị bằng sự chênh lệch giữa lượng nhiệt truyền vào hệ (khí lý tưởng) và sự thay đổi nội năng của nó. Nói cách khác, lượng nhiệt truyền cho khí được chi cho sự thay đổi này và cho hoạt động của hệ thống.
Điều này được viết dưới dạng công thức dễ dàng hơn nhiều: dA=dQ - dU, và do đó, dQ=dU + dA.
Chúng ta đã biết rằng những đại lượng này không phụ thuộc vào cách thức thực hiện chuyển đổi giữa các trạng thái. Tốc độ của quá trình chuyển đổi này và kết quả là hiệu quả phụ thuộc vào phương pháp.
Đối với thứ haisự khởi đầu của nhiệt động lực học, sau đó nó thiết lập hướng thay đổi: nhiệt không thể truyền từ chất khí lạnh hơn (và do đó ít năng lượng hơn) sang chất khí nóng hơn nếu không có năng lượng bổ sung từ bên ngoài. Định luật thứ hai cũng chỉ ra rằng một phần năng lượng mà hệ thống sử dụng để thực hiện công việc chắc chắn sẽ bị tiêu hao, bị mất đi (không biến mất mà chuyển thành dạng không thể sử dụng được).
Quy trình nhiệt động học
Sự chuyển đổi giữa các trạng thái năng lượng của khí lý tưởng có thể có các dạng thay đổi khác nhau đối với một hoặc một số thông số khác của nó. Nội năng trong các quá trình chuyển đổi của các loại khác nhau cũng sẽ hoạt động khác nhau. Hãy để chúng tôi xem xét ngắn gọn một số loại quy trình như vậy.
- Quá trình đẳng tích diễn ra mà không có sự thay đổi về thể tích, do đó, chất khí không hoạt động. Nội năng của khí thay đổi như một hàm của sự chênh lệch giữa nhiệt độ cuối cùng và ban đầu.
- Quá trình đẳng áp xảy ra ở áp suất không đổi. Khí hoạt động và nhiệt năng của nó được tính theo cách tương tự như trong trường hợp trước.
- Quá trình đẳng nhiệt được đặc trưng bởi nhiệt độ không đổi, và do đó, năng lượng nhiệt không thay đổi. Nhiệt lượng mà khí nhận được hoàn toàn dành cho việc thực hiện công việc.
- Quá trình đoạn nhiệt, hay đoạn nhiệt diễn ra trong một chất khí không truyền nhiệt, trong một bể cách nhiệt. Công chỉ được thực hiện khi tiêu tốn nhiệt năng: dA=- dU. Với nén đoạn nhiệt, năng lượng nhiệt tăng lên, tương ứng với sự giãn nởđang giảm.
Các quy trình đẳng cấp khác nhau làm cơ sở cho hoạt động của động cơ nhiệt. Do đó, quá trình đẳng tích diễn ra trong động cơ xăng tại các vị trí cực đại của pít-tông trong xi lanh, và hành trình thứ hai và thứ ba của động cơ là ví dụ của quá trình đoạn nhiệt. Khi thu được khí hóa lỏng, sự giãn nở đoạn nhiệt đóng một vai trò quan trọng - nhờ nó, quá trình ngưng tụ khí trở nên khả thi. Quá trình đồng phân trong chất khí, trong nghiên cứu mà người ta không thể làm được nếu không có khái niệm về nội năng của khí lý tưởng, là đặc trưng của nhiều hiện tượng tự nhiên và được sử dụng trong các ngành công nghệ khác nhau.
