Ойролцооны янз бүрийн түвшний загваруудыг ашиглан тодорхой физик үзэгдэл эсвэл үзэгдлийн ангиллыг авч үзэх нь тохиромжтой. Жишээлбэл, хийн зан төлөвийг тодорхойлохдоо физик загварыг ашигладаг - хамгийн тохиромжтой хий.
Аливаа загварт хэрэглэх боломжийн хязгаар байдаг бөгөөд үүнээс хэтэрсэн тохиолдолд түүнийг боловсронгуй болгох эсвэл илүү төвөгтэй сонголтуудыг ашиглах шаардлагатай. Энд бид хийн хамгийн чухал шинж чанарууд дээр үндэслэн физик системийн дотоод энергийг тодорхой хязгаарт багтаан тайлбарлах энгийн жишээг авч үзье.
Хамгийн тохиромжтой бензин
Энэ физик загвар нь зарим үндсэн процессуудыг тайлбарлахад хялбар болгох үүднээс бодит хийг дараах байдлаар хялбарчилдаг:
- Хийн молекулуудын хэмжээг үл тоомсорлодог. Энэ нь хангалттай тайлбар хийхэд энэ параметр чухал биш үзэгдлүүд байна гэсэн үг.
- Молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлодог, өөрөөр хэлбэл түүнийг сонирхож буй процессуудад тэдгээр нь үл тоомсорлодог хугацааны интервалаар гарч ирдэг бөгөөд системийн төлөв байдалд нөлөөлдөггүй гэдгийг хүлээн зөвшөөрдөг. Энэ тохиолдолд харилцан үйлчлэл нь туйлын уян хатан нөлөөллийн шинж чанартай бөгөөд эрчим хүчний алдагдалгүй болно.хэв гажилт.
- Савны ханатай молекулуудын харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлодог.
- "Хийн нөөц"-ийн систем нь термодинамик тэнцвэртэй байна гэж үзье.
Энэ загвар нь даралт болон температур харьцангуй бага бол бодит хийг тодорхойлоход тохиромжтой.
Физик системийн энергийн төлөв
Аливаа макроскоп физик систем (сав дахь бие, хий эсвэл шингэн) өөрийн кинетик болон потенциалаас гадна өөр нэг төрлийн энергитэй байдаг - дотоод. Энэ утгыг физик системийг бүрдүүлдэг бүх дэд системүүд болох молекулуудын энергийг нэгтгэн гаргаж авна.
Хийн молекул бүр өөрийн гэсэн потенциал ба кинетик энергитэй байдаг. Сүүлийнх нь молекулуудын тасралтгүй эмх замбараагүй дулааны хөдөлгөөнтэй холбоотой юм. Тэдгээрийн хоорондох янз бүрийн харилцан үйлчлэл (цахилгаан таталцал, түлхэлт) нь боломжит энергиэр тодорхойлогддог.
Хэрэв физик системийн аль нэг хэсгийн энергийн төлөв байдал нь системийн макроскоп байдалд ямар нэгэн нөлөө үзүүлэхгүй бол үүнийг тооцохгүй гэдгийг санах хэрэгтэй. Жишээлбэл, ердийн нөхцөлд цөмийн энерги нь физик объектын төлөв байдлын өөрчлөлтөд илэрдэггүй тул үүнийг анхаарч үзэх шаардлагагүй. Гэхдээ өндөр температур, даралттай үед энэ нь аль хэдийн зайлшгүй шаардлагатай.
Тиймээс биеийн дотоод энерги нь түүний бөөмсийн хөдөлгөөн, харилцан үйлчлэлийн мөн чанарыг илэрхийлдэг. Энэ нь "дулааны эрчим хүч" гэсэн нэр томьёотой ижил утгатай гэсэн үг.
Монатомын хамгийн тохиромжтой хий
Монатомын хийнүүд, өөрөөр хэлбэл атомууд нь молекулуудад нэгддэггүй хийнүүд байгальд байдаг - эдгээр нь идэвхгүй хий юм. Хүчилтөрөгч, азот, устөрөгч зэрэг хий нь атомууд нь химийн идэвхтэй бөгөөд молекул болон нэгдэх хандлагатай байдаг тул гаднаас энерги зарцуулж байж энэ төлөвийг байнга шинэчилж байх үед л ийм төлөвт байж болно.
Зарим эзэлхүүнтэй саванд байрлуулсан нэг атомын идеал хийн энергийн төлөвийг авч үзье. Энэ бол хамгийн энгийн тохиолдол юм. Атомуудын хооронд болон савны ханатай цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл, улмаар тэдгээрийн боломжит энерги нь үл тоомсорлодог гэдгийг бид санаж байна. Тэгэхээр хийн дотоод энергид зөвхөн түүний атомын кинетик энергийн нийлбэр багтана.
Хий дэх атомуудын дундаж кинетик энергийг тоогоор нь үржүүлж тооцоолж болно. Дундаж энерги нь E=3/2 x R / NA x T, энд R нь бүх нийтийн хийн тогтмол, NA нь Авогадрогийн тоо, T нь үнэмлэхүй хийн температур юм. Бодисын хэмжээг Авогадро тогтмолоор үржүүлэх замаар атомын тоог тооцоолно. Нэг атомт хийн дотоод энерги нь U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=-тэй тэнцүү байх болно. 3/2 x м / M x RT. Энд m нь масс, M нь хийн молийн масс юм.
Хийн химийн найрлага ба масс нь үргэлж ижил хэвээр байна гэж бодъё. Энэ тохиолдолд бидний олж авсан томъёоноос харахад дотоод энерги нь зөвхөн хийн температураас хамаарна. Бодит хийн хувьд үүнээс гадна үүнийг анхаарч үзэх шаардлагатайтемператур, эзлэхүүний өөрчлөлт нь атомын боломжит энергид нөлөөлдөг.
Молекулын хий
Дээрх томьёонд 3-ын тоо нь нэг атомт бөөмийн хөдөлгөөний эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоог тодорхойлдог - энэ нь орон зай дахь координатын тоогоор тодорхойлогддог: x, y, z. Монатомт хийн төлөвийн хувьд атомууд нь эргэх эсэх нь огт хамаагүй.
Молекулууд нь бөмбөрцөг хэлбэртэй тэгш бус байдаг тул молекулын хийн энергийн төлөвийг тодорхойлохдоо тэдгээрийн эргэлтийн кинетик энергийг харгалзан үзэх шаардлагатай. Хоёр атомт молекулууд нь хөрвүүлэх хөдөлгөөнтэй холбоотой эрх чөлөөний зэрэглэлээс гадна хоёр перпендикуляр тэнхлэгийн эргэн тойронд эргэлттэй холбоотой өөр хоёр байдаг; олон атомт молекулууд гурван бие даасан эргэлтийн тэнхлэгтэй байдаг. Иймээс хоёр атомт хийн хэсгүүд нь эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоогоор тодорхойлогддог f=5, харин олон атомт молекулууд f=6 байна.
Дулааны хөдөлгөөнд хамаарах санамсаргүй байдлаас шалтгаалан эргэлтийн болон хөрвүүлэх хөдөлгөөний аль алиных нь бүх чиглэл туйлын адил магадлалтай. Хөдөлгөөний төрөл бүрийн оруулсан дундаж кинетик энерги ижил байна. Тиймээс бид f-ийн утгыг томъёонд орлуулж болох бөгөөд энэ нь ямар ч молекулын найрлагатай идеал хийн дотоод энергийг тооцоолох боломжийг олгодог: U=f / 2 x m / M x RT.
Мэдээж бид томъёоноос харахад энэ утга нь тухайн бодисын хэмжээ, өөрөөр хэлбэл бидний хэр их, ямар төрлийн хий авсан, мөн энэ хийн молекулуудын бүтцээс хамаарна. Гэсэн хэдий ч бид масс, химийн найрлагыг өөрчлөхгүй байхаар тохиролцсон тул үүнийг анхаарч үзээрэйбидэнд зөвхөн температур хэрэгтэй.
Одоо U-ийн утга нь хийн бусад шинж чанарууд - эзэлхүүн, түүнчлэн даралттай хэрхэн холбоотой болохыг харцгаая.
Дотоод энерги ба термодинамик төлөв
Температур нь системийн термодинамик төлөвийн параметрүүдийн нэг юм (энэ тохиолдолд хий). Тохиромжтой хийн хувьд энэ нь PV=m / M x RT (Клапейрон-Менделеевийн тэгшитгэл гэж нэрлэгддэг) харьцаагаар даралт ба эзэлхүүнтэй холбоотой байдаг. Температур нь дулааны энергийг тодорхойлдог. Тиймээс сүүлийнх нь бусад төлөвийн параметрүүдийн багцаар илэрхийлэгдэж болно. Энэ нь өмнөх төлөв байдал, мөн өөрчилсөн арга барилд хайхрамжгүй ханддаг.
Систем нэг термодинамик төлөвөөс нөгөөд шилжихэд дотоод энерги хэрхэн өөрчлөгдөхийг харцгаая. Ийм шилжилтийн үед түүний өөрчлөлтийг анхны болон эцсийн утгуудын зөрүүгээр тодорхойлно. Хэрэв систем зарим завсрын төлөвийн дараа анхны төлөв рүүгээ буцсан бол энэ ялгаа тэгтэй тэнцүү болно.
Бид саванд байгаа хийг халаасан (өөрөөр хэлбэл бид түүнд нэмэлт эрчим хүч авчирсан) гэж бодъё. Хийн термодинамик төлөв өөрчлөгдсөн: түүний температур, даралт нэмэгдсэн. Энэ процесс нь дууны хэмжээг өөрчлөхгүйгээр явагддаг. Манай хийн дотоод энерги нэмэгдсэн. Үүний дараа манай хий нийлүүлсэн эрчим хүчээ орхиж, анхны төлөв рүүгээ хөрнө. Жишээлбэл, эдгээр үйл явцын хурд гэх мэт хүчин зүйл нь хамаагүй. Халаалт, хөргөлтийн аль ч хурдны үед хийн дотоод энергийн өөрчлөлт тэг болно.
Чухал зүйл бол дулааны энергийн ижил утга нь нэг биш, хэд хэдэн термодинамик төлөвт тохирч болно.
Дулааны энергийн өөрчлөлтийн шинж чанар
Эрчим хүчийг өөрчлөхийн тулд ажил хийх ёстой. Ажлыг хий өөрөө эсвэл гадны хүчээр хийж болно.
Эхний тохиолдолд ажил гүйцэтгэхэд зарцуулсан эрчим хүчний зарцуулалт нь хийн дотоод энергитэй холбоотой юм. Жишээлбэл, бид поршений саванд шахсан хийтэй байсан. Хэрэв бүлүүр суллагдсан бол өргөжиж буй хий нь түүнийг өргөж, ажил хийж эхэлнэ (энэ нь ашигтай байхын тулд поршений ямар нэгэн ачааллыг өргөх хэрэгтэй). Хийн дотоод энерги нь таталцал ба үрэлтийн хүчний эсрэг ажиллахад зарцуулсан хэмжээгээр буурна: U2=U1 – A. Үүнд. Энэ тохиолдолд поршенд үйлчлэх хүчний чиглэл нь поршений хөдөлгөөний чиглэлтэй ижил учраас хийн ажил эерэг байна.
Пуршег буулгаж, хийн даралтын хүч болон дахин үрэлтийн хүчний эсрэг ажил хийж эхэлцгээе. Тиймээс бид тодорхой хэмжээний эрчим хүчний хийд мэдэгдэх болно. Энд гадны хүчний ажил аль хэдийн эерэг гэж тооцогддог.
Механик ажлаас гадна хийнээс эрчим хүч авах буюу энерги өгөх ийм арга байдаг, тухайлбал дулаан дамжуулах (дулаан дамжуулалт). Бид түүнтэй хий халаах жишээн дээр аль хэдийн уулзсан. Дулаан дамжуулах процессын явцад хий рүү шилжүүлсэн энергийг дулааны хэмжээ гэж нэрлэдэг. Дамжуулах, конвекц, цацрагийн дамжуулалт гэсэн гурван төрлийн дулаан дамжуулалт байдаг. Тэднийг нарийвчлан харцгаая.
Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр
Бодисын дулаан солилцох чадвар,дулааны хөдөлгөөний үед харилцан мөргөлдөх үед кинетик энергийг бие биедээ шилжүүлэх замаар түүний бөөмсөөр гүйцэтгэдэг - энэ бол дулаан дамжилтын илтгэлцүүр юм. Хэрэв тухайн бодисын тодорхой хэсгийг халааж, өөрөөр хэлбэл түүнд тодорхой хэмжээний дулаан өгвөл хэсэг хугацааны дараа атом эсвэл молекулуудын мөргөлдөөний дотоод энерги нь бүх хэсгүүдэд дунджаар жигд тархдаг.
Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр нь мөргөлдөөний давтамжаас ихээхэн хамаардаг бөгөөд энэ нь бөөмс хоорондын дундаж зайнаас ихээхэн хамаардаг нь тодорхой байна. Тиймээс хий, ялангуяа хамгийн тохиромжтой хий нь маш бага дулаан дамжилтын шинж чанартай байдаг бөгөөд энэ шинж чанарыг ихэвчлэн дулаан тусгаарлалтанд ашигладаг.
Бодит хийнүүдээс молекулууд нь хамгийн хөнгөн бөгөөд нэгэн зэрэг олон атомт байдаг хүмүүсийн дулаан дамжуулалт өндөр байдаг. Молекулын устөрөгч энэ нөхцлийг хамгийн их хангадаг бол хамгийн хүнд моноатомын хий болох радон нь хамгийн бага хэмжээгээр хангадаг. Хий нь ховор байх тусам дулаан дамжуулагч нь муу болно.
Ерөнхийдөө хамгийн тохиромжтой хийн дулаан дамжуулалтаар энерги дамжуулах нь маш үр ашиггүй процесс юм.
Конвекц
Таталцлын талбарт эргэлдэж буй бодисын урсгалаар дотоод энергийг түгээдэг конвекц гэх мэт дулаан дамжуулалт нь хийд илүү үр дүнтэй байдаг. Халуун хийн дээш чиглэсэн урсгал нь дулааны тэлэлтээс болж нягт багатай тул Архимедийн хүчнээс болж үүсдэг. Дээш хөдөлж буй халуун хий нь хүйтэн хийгээр байнга солигддог - хийн урсгалын эргэлтийг бий болгодог. Тиймээс үр ашигтай, өөрөөр хэлбэл конвекцээр хамгийн хурдан халаахын тулд хийн савыг доороос нь устай данх шиг халаах шаардлагатай.
Хэрэв хийнээс тодорхой хэмжээний дулааныг зайлуулах шаардлагатай бол хөргөгчийг дээд талд нь байрлуулах нь илүү үр дүнтэй байдаг, учир нь хөргөгчинд эрчим хүч өгсөн хий нь таталцлын нөлөөгөөр доошоо буух болно..
Хийн доторх конвекцийн жишээ бол халаалтын систем ашиглан доторх агаарыг халаах (тэдгээрийг аль болох бага өрөөнд байрлуулсан) эсвэл агааржуулагч ашиглан хөргөх, байгалийн нөхцөлд дулааны конвекцийн үзэгдэл юм. агаарын массын хөдөлгөөн ба цаг агаар, уур амьсгалд нөлөөлдөг.
Таталцал байхгүй үед (сансрын хөлөгт жингүйдэлтэй) конвекц, өөрөөр хэлбэл агаарын урсгалын эргэлтийг тогтоодоггүй. Тиймээс сансрын хөлөг дээр хийн түлш эсвэл шүдэнз асаах нь утгагүй юм: халуун шаталтын бүтээгдэхүүн дээшээ гадагшлахгүй, хүчилтөрөгч галын эх үүсвэрт нийлүүлэгдэж, дөл унтарна.
Цагаан дамжуулалт
Атом, молекулууд цахилгаан соронзон квант-фотоныг шингээх замаар энерги олж авах үед дулааны цацрагийн нөлөөн дор бодис халж болно. Фотоны бага давтамжтай үед энэ процесс тийм ч үр дүнтэй биш юм. Богино долгионы зуухыг онгойлгоход бид халуун хоолыг дотроос нь олж хардаг боловч халуун агаар биш гэдгийг санаарай. Цацрагийн давтамж нэмэгдэхийн хэрээр цацрагийн халаалтын нөлөө нэмэгддэг, жишээлбэл, дэлхийн агаар мандлын дээд давхаргад маш ховордсон хий эрчимтэй халааж,нарны хэт ягаан туяагаар ионжсон.
Янз бүрийн хий нь дулааны цацрагийг янз бүрийн хэмжээгээр шингээдэг. Тиймээс ус, метан, нүүрстөрөгчийн давхар исэл үүнийг маш хүчтэй шингээдэг. Хүлэмжийн нөлөөллийн үзэгдэл нь энэ шинж чанарт суурилдаг.
Термодинамикийн анхны хууль
Ерөнхийдөө хий халаах (дулаан дамжуулах) замаар дотоод энергийн өөрчлөлт нь хийн молекулууд дээр эсвэл тэдгээрт гадны хүчээр (үүнийг ижил аргаар тэмдэглэсэн боловч эсрэгээр) ажил гүйцэтгэхэд хүргэдэг. тэмдэг). Нэг төлөв байдлаас нөгөөд шилжих ийм байдлаар ямар ажил хийгдэж байна вэ? Эрчим хүч хадгалагдах хууль нь термодинамикийн анхны хууль болох термодинамикийн системийн үйл ажиллагаатай холбоотой энэ асуултыг илүү нарийвчлалтай тодорхойлоход бидэнд тусална.
Эрчим хүч нь оргүй хоосноос төрдөггүй, ор мөргүй алга болдоггүй, зөвхөн нэг хэлбэрээс нөгөөд шилждэг гэж хууль буюу энерги хадгалах бүх нийтийн зарчим хамгийн ерөнхийд нь өгүүлдэг. Термодинамик системтэй холбоотойгоор үүнийг системд өгч буй дулааны хэмжээ (хамгийн тохиромжтой хий) болон түүний дотоод энергийн өөрчлөлтийн зөрүүгээр системийн гүйцэтгэсэн ажлыг илэрхийлэх байдлаар ойлгох хэрэгтэй. Өөрөөр хэлбэл, хийд дамжуулсан дулааны хэмжээг энэ өөрчлөлт болон системийн ажиллагаанд зарцуулдаг.
Үүнийг томьёоны хэлбэрээр бичих нь хамаагүй хялбар: dA=dQ – dU, үүний дагуу dQ=dU + dA.
Эдгээр хэмжигдэхүүн нь төлөв хоорондын шилжилтийн аргаас хамаарахгүй гэдгийг бид аль хэдийн мэдэж байгаа. Энэ шилжилтийн хурд ба үр дүнд нь үр ашиг нь аргаас хамаарна.
Хоёр дахь ньтермодинамикийн эхлэл, дараа нь энэ нь өөрчлөлтийн чиглэлийг тогтоодог: дулааныг гаднаас нэмэлт энерги оруулахгүйгээр хүйтэн (тиймээс бага энергитэй) хийнээс илүү халуун руу шилжүүлэх боломжгүй юм. Хоёрдахь хууль нь мөн системээс ажил гүйцэтгэхэд зарцуулсан энергийн нэг хэсэг нь зайлшгүй сарниж, алдагдаж (алга болдоггүй, харин ашиглах боломжгүй хэлбэр болж хувирдаг) болохыг харуулж байна.
Термодинамик процесс
Идеал хийн энергийн төлөв хоорондын шилжилт нь түүний параметрүүдийн нэг юмуу өөр өөр өөрчлөлттэй байж болно. Өөр өөр төрлийн шилжилтийн үйл явц дахь дотоод энерги нь өөр өөр байх болно. Ийм үйл явцын хэд хэдэн төрлийг товч авч үзье.
- Изохорик процесс нь эзэлхүүний өөрчлөлтгүйгээр явагддаг тул хий ажиллахгүй. Хийн дотоод энерги нь эцсийн болон анхны температурын зөрүүгээс хамаарч өөрчлөгддөг.
- Изобарын процесс тогтмол даралтанд явагддаг. Хий нь ажилладаг бөгөөд дулааны энерги нь өмнөх тохиолдлын адилаар тооцоологддог.
- Изотерм процесс нь тогтмол температураар тодорхойлогддог тул дулааны энерги өөрчлөгддөггүй. Хийн хүлээн авсан дулааны хэмжээг бүхэлд нь ажил хийхэд зарцуулдаг.
- Адиабат буюу адиабат процесс нь дулаан дамжуулалтгүй хийд, дулаан тусгаарлагдсан саванд явагддаг. Ажил нь зөвхөн дулааны энергийн зардлаар хийгддэг: dA=- dU. Адиабат шахалтын үед дулааны энерги нь тэлэх тусам нэмэгддэгбуурч байна.
Янз бүрийн изопроцессууд нь дулааны хөдөлгүүрийн үйл ажиллагааны үндэс суурь болдог. Ийнхүү изохорик процесс нь цилиндр дэх поршений туйлын байрлалд бензин хөдөлгүүрт явагддаг бөгөөд хөдөлгүүрийн хоёр ба гурав дахь цохилт нь адиабат процессын жишээ юм. Шингэрүүлсэн хий олж авахдаа адиабат тэлэлт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг - үүний ачаар хийн конденсац үүсэх боломжтой болдог. Хийн доторх изопроцессууд, тэдгээрийг судлахдаа идеал хийн дотоод энергийн тухай ойлголтгүйгээр хийх боломжгүй байдаг нь байгалийн олон үзэгдлийн шинж чанартай бөгөөд технологийн янз бүрийн салбарт ашиглагддаг.
