Що таке внутрішня енергія
Термодинаміка як дисципліна сформувалася до середини 19-го століття. Це сталося після відкриття закону про збереження енергії. Існує певний зв'язок між термодинамікою і молекулярної кінетики. Яке місце в теорії займає внутрішня енергія? Розглянемо це в статті.
Статистична механіка і термодинаміка
Вихідною науковою теорією про теплових процесах стала не молекулярно-кінетична. Першою була термодинаміка. Вона сформувалася в процесі вивчення оптимальних умов застосування теплоти для здійснення роботи. Це сталося в середині 19-го століття, до того як молекулярна динаміка отримала визнання. На сьогоднішній день в техніці і науці застосовується як термодинаміка, так і молекулярно-кінетична теорія. Остання в теоретичній фізиці називається статистичної механікою. Вона поряд з термодинамікою досліджує із застосуванням різних методів однакові явища. Ці дві теорії взаємно доповнюють один одного. Основа термодинаміки складена двома її законами. Обидва вони стосуються поведінки енергії і встановлені дослідним шляхом. Закони ці справедливі для будь-якої речовини незалежно від внутрішньої будови. Глибшої і точною наукою вважається статистична механіка. У порівнянні з термодинаміки вона представляє велику складність. Її застосовують в тому випадку, коли термодинамічних співвідношень виявляються недостатніми для пояснення досліджуваних явищ.
Молекулярно-кінетична теорія
До середини 19-го століття було доведено, що поряд з механічною існує і внутрішня енергія макроскопічних тел. Вона входить до балансу енергетичних природних перетворень. Після того як була відкрита внутрішня енергія, було сформульовано положення про її збереженні і перетворенні. У той час як шайба, що ковзає по льоду, зупиняється під впливом сили тертя, її кінетична (механічна) енергія не просто перестає існувати, а й передається молекулам шайби і льоду. При русі нерівності поверхонь тіл, що піддаються тертю, деформуються. При цьому інтенсивність рухомих безладно молекул зростає. При нагріванні обох тел зростає внутрішня енергія. Неважко поспостерігати і зворотний перехід. При нагріванні води в закритій пробірці внутрішня енергія (і її, і утворюється пара) починає зростати. Тиск збільшиться, в результаті чого пробка буде витіснена. Внутрішня енергія пара стане причиною збільшення кінетичної енергії. У процесі розширення пар здійснює роботу. При цьому його внутрішня енергія зменшується. В результаті відбувається охолодження пари.
Внутрішня енергія. Загальна інформація
При хаотичному русі всіх молекул сума їх кінетичних енергій, а також потенційних енергій їх взаємодій становить внутрішню енергію. З огляду на положення молекул відносно один одного і їх рух, обчислити цю суму практично неможливо. Це обумовлено великою кількістю елементів в макроскопічних тілах. У зв'язку з цим необхідно вміти обчислювати значення відповідно до макроскопічними параметрами, які можна виміряти.
одноатомний газ
Речовина вважається досить простим за своїми властивостями, оскільки складається з окремих атомів, а не молекул. До одноатомних газів відносять аргон, гелій, неон. Потенційна енергія в даному випадку дорівнює нулю. Це обумовлено тим, що молекули в ідеальному газі один з одним не взаємодіють. Кінетична енергія безладного молекулярного руху є визначальною для внутрішньої (U). Для того щоб обчислити U одноатомного газу масою m, нам необхідно провести множення кінетичної енергії (середньої) 1-го атома на загальне число всіх атомів. Але при цьому потрібно враховувати, що kNA = R. Виходячи з наявних у нас даних, ми отримуємо наступну формулу: U = 2/3 х m / M х RT, де внутрішня енергія прямо пропорційна абсолютній температурі. Всі зміни U визначаються тільки T (температурою), заміряний в первісному і підсумковому стані газу, і не мають прямого відношення до обсягу. Це пов'язано з тим, що взаємодії його потенційної енергії рівні 0, і вже зовсім не залежать від інших системних параметрів макроскопічних об'єктів. При наявності більш складних молекул ідеальний газ також буде мати внутрішню енергію, прямо пропорційну абсолютної температурі. Але, треба сказати, при цьому між U і T коефіцієнт пропорційності зміниться. Адже складні молекули виконують не тільки поступальні рухи, а й обертальні. Внутрішня енергія дорівнює сумі цих рухів молекул.
Від чого залежить U?
Внутрішня енергія знаходиться під впливом одного з макроскопічних параметрів. Це температура. У реальних газів, рідких і твердих тіл потенційна енергія (середня) при взаємодії молекул НЕ дорівнює нулю. Хоча, якщо розглянути точніше, для газів вона багато менше кінетичної (середній же). При цьому для твердих і рідких тіл - порівнянна з нею. А от середня U залежить від V речовини, тому що в період його зміни змінюється і середня відстань, яке є між молекулами. З цього випливає, що в термодинаміки внутрішня енергія залежить не тільки від температури T, але і від V (обсягу). Їх значення однозначно визначає стан тіл, а значить і U.
Світовий океан
Складно уявити, які неймовірно великі запаси енергії містить в собі Світовий океан. Розглянемо, що собою являє внутрішня енергія води. Треба відзначити, що вона ж є теплової, тому що утворилася в результаті перегріву рідкої частини поверхні океану. Так ось, маючи різницю, наприклад, в 20 градусів по відношенню до донної воді, вона набуває значення близько 10 ^ 26 Дж. При вимірюванні течій в океані його кінетична енергія оцінюється величиною близько 10 ^ 18 Дж.
Глобальні проблеми
Існують глобальні проблеми, які можна поставити на світовий рівень. До них відносять:
- виснаження запасів викопного палива (в першу чергу нафти і газу);
- значне забруднення навколишнього середовища, пов'язане з використанням цих копалин;
- теплове "забруднення", плюс до всього підвищення концентрації атмосферної вуглекислоти, що загрожує глобальними кліматичними порушеннями;
- використання уранових запасів, що призводять до появи радіоактивних відходів, які досить негативно позначаються на життєдіяльності всього живого;
- використання термоядерної енергії.
висновок
Вся ця невизначеність щодо очікування наслідків, які неодмінно настануть, якщо не перестати споживати енергію, видобуту такими способами, змушує вчених і інженерів приділяти практично всю свою увагу вирішенню цієї проблеми. Їх головним завданням є пошук оптимального джерела енергії, Важливо й задіяння різних природних процесів. Серед них найбільший інтерес представляють: сонце, вірніше сонячне тепло, вітер і енергія в Світовому океані.
