พลังงานภายในคืออะไร. กำลังภายใน

สะดวกในการพิจารณาปรากฏการณ์ทางกายภาพเฉพาะหรือระดับของปรากฏการณ์โดยใช้แบบจำลองของระดับการประมาณที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นเมื่ออธิบายพฤติกรรมของก๊าซจะใช้แบบจำลองทางกายภาพ - ก๊าซในอุดมคติ

แบบจำลองใด ๆ มีขีด จำกัด ของการบังคับใช้เมื่อเกินกว่าที่จำเป็นในการปรับแต่งหรือใช้ตัวเลือกที่ซับซ้อนมากขึ้น ในที่นี้เราจะพิจารณากรณีง่ายๆในการอธิบายพลังงานภายในของระบบทางกายภาพโดยพิจารณาจากคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของก๊าซภายในขอบเขตที่กำหนด

ก๊าซในอุดมคติ

เพื่อความสะดวกในการอธิบายกระบวนการพื้นฐานบางอย่างแบบจำลองทางกายภาพนี้ช่วยลดความซับซ้อนของก๊าซจริงดังต่อไปนี้:

• ไม่คำนึงถึงขนาดของโมเลกุลของก๊าซ ซึ่งหมายความว่ามีปรากฏการณ์สำหรับคำอธิบายที่เพียงพอซึ่งพารามิเตอร์นี้ไม่มีนัยสำคัญ
• เธอละเลยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลนั่นคือเธอยอมรับว่าในกระบวนการที่เธอสนใจสิ่งเหล่านี้จะปรากฏในช่วงเวลาเล็กน้อยและไม่ส่งผลกระทบต่อสถานะของระบบ ในกรณีนี้ปฏิสัมพันธ์มีลักษณะของผลกระทบที่ยืดหยุ่นอย่างแท้จริงซึ่งไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการเสียรูป
• ปฏิเสธการทำงานร่วมกันของโมเลกุลกับผนังถัง
• สมมติว่าระบบ "ก๊าซ - อ่างเก็บน้ำ" มีลักษณะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

แบบจำลองดังกล่าวเหมาะสำหรับการอธิบายก๊าซจริงหากความกดดันและอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ

สถานะพลังงานของระบบกายภาพ

ระบบทางกายภาพระดับมหภาคใด ๆ (ร่างกายก๊าซหรือของเหลวในเรือ) มีนอกเหนือจากการเคลื่อนไหวและศักยภาพของตัวมันเองแล้วยังมีพลังงานอีกประเภทหนึ่ง - ภายใน ค่านี้ได้มาจากการสรุปพลังงานของระบบย่อยทั้งหมดที่ประกอบเป็นระบบทางกายภาพ - โมเลกุล

โมเลกุลของก๊าซแต่ละตัวยังมีศักยภาพและพลังงานจลน์ของตัวเอง ประการหลังเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องของโมเลกุล ปฏิสัมพันธ์ต่างๆระหว่างพวกเขา (แรงดึงดูดไฟฟ้าแรงผลัก) ถูกกำหนดโดยพลังงานศักย์

ควรจำไว้ว่าหากสถานะพลังงานของส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบทางกายภาพไม่มีผลกระทบใด ๆ ต่อสถานะมหภาคของระบบจะไม่ถูกนำมาพิจารณา ตัวอย่างเช่นภายใต้สภาวะปกติพลังงานนิวเคลียร์จะไม่ปรากฏในการเปลี่ยนแปลงสถานะของวัตถุทางกายภาพดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องนำมาพิจารณา แต่ที่อุณหภูมิสูงและความกดดันจำเป็นต้องทำอยู่แล้ว

ดังนั้นพลังงานภายในของร่างกายจึงสะท้อนถึงธรรมชาติของการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค ซึ่งหมายความว่าคำนี้พ้องกับคำที่ใช้กันทั่วไปว่า "พลังงานความร้อน"

Monatomic gases นั่นคืออะตอมที่ไม่รวมกันเป็นโมเลกุลนั้นมีอยู่ในธรรมชาติซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อย ก๊าซเช่นออกซิเจนไนโตรเจนหรือไฮโดรเจนสามารถอยู่ในสถานะที่คล้ายคลึงกันได้ก็ต่อเมื่อพลังงานถูกใช้จากภายนอกเพื่อการต่ออายุอย่างต่อเนื่องของสถานะนี้เนื่องจากอะตอมของพวกมันมีการใช้งานทางเคมีและมีแนวโน้มที่จะรวมกันเป็นโมเลกุล

ให้เราพิจารณาสถานะพลังงานของก๊าซอุดมคติเชิงเดี่ยวที่วางอยู่ในภาชนะที่มีปริมาตรหนึ่ง นี่เป็นกรณีที่ง่ายที่สุด เราจำได้ว่าปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอะตอมที่มีต่อกันและกันและกับผนังของเรือดังนั้นพลังงานศักย์ของพวกมันจึงมีค่าเล็กน้อย ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซจึงรวมเฉพาะผลรวมของพลังงานจลน์ของอะตอมเท่านั้น

สามารถคำนวณได้โดยการคูณพลังงานจลน์เฉลี่ยของอะตอมในก๊าซด้วยจำนวน พลังงานเฉลี่ยคือ E \u003d 3/2 x R / N A x T โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล N A คือจำนวนของ Avogadro T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซ เรานับจำนวนอะตอมโดยการคูณปริมาณสสารด้วยค่าคงที่ของ Avogadro พลังงานภายในของก๊าซเชิงเดี่ยวจะเท่ากับ U \u003d N A x m / M x 3/2 x R / N A x T \u003d 3/2 x m / M x RT นี่ m คือมวลและ M คือมวลโมลาร์ของก๊าซ

สมมติว่าองค์ประกอบทางเคมีของก๊าซและมวลของมันเหมือนกันเสมอ ในกรณีนี้ดังที่เห็นได้จากสูตรที่เราได้พลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซเท่านั้น สำหรับก๊าซจริงจำเป็นต้องคำนึงถึงนอกเหนือจากอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเนื่องจากมีผลต่อพลังงานศักย์ของอะตอม

ก๊าซโมเลกุล

ในสูตรข้างต้นหมายเลข 3 จะแสดงถึงจำนวนองศาอิสระในการเคลื่อนที่ของอนุภาคเชิงเดี่ยวซึ่งกำหนดโดยจำนวนพิกัดในอวกาศ: x, y, z สำหรับสถานะของก๊าซเชิงเดี่ยวนั้นไม่สำคัญเลยว่าอะตอมของมันจะหมุนหรือไม่

โมเลกุลมีความไม่สมมาตรเป็นทรงกลมดังนั้นในการพิจารณาสถานะพลังงานของก๊าซโมเลกุลเราต้องคำนึงถึงพลังงานจลน์ของการหมุน โมเลกุลของไดอะตอมนอกเหนือจากระดับอิสระที่ระบุไว้ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบแปลแล้วยังมีอีกสองอันที่เกี่ยวข้องกับการหมุนรอบแกนตั้งฉากสองแกนซึ่งกันและกัน โมเลกุลโพลีอะตอมมีแกนหมุนอิสระสามแกนดังกล่าว ดังนั้นอนุภาคของก๊าซไดอะตอมจึงมีลักษณะตามจำนวนองศาอิสระ f \u003d 5 ในขณะที่โมเลกุลของโพลีอะตอมมี f \u003d 6

เนื่องจากความสับสนวุ่นวายที่เกิดขึ้นในการเคลื่อนที่เชิงความร้อนทุกทิศทางของการเคลื่อนที่แบบหมุนและการแปลจึงมีความเป็นไปได้ที่เท่าเทียมกันอย่างสมบูรณ์ พลังงานจลน์เฉลี่ยที่นำมาจากการเคลื่อนที่แต่ละประเภทจะเท่ากัน ดังนั้นเราสามารถแทนที่ค่า f ในสูตรซึ่งช่วยให้เราสามารถคำนวณพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติขององค์ประกอบโมเลกุลใด ๆ : U \u003d f / 2 x m / M x RT

แน่นอนเราเห็นจากสูตรว่าค่านี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของสสารนั่นคือปริมาณก๊าซที่เรารับไปรวมทั้งโครงสร้างของโมเลกุลของก๊าซนี้ด้วย อย่างไรก็ตามเนื่องจากเราตกลงที่จะไม่เปลี่ยนแปลงมวลและองค์ประกอบทางเคมีเราจึงต้องคำนึงถึงอุณหภูมิเท่านั้น

ตอนนี้เราจะพิจารณาว่าค่าของ U เกี่ยวข้องกับลักษณะอื่น ๆ ของก๊าซ - ปริมาตรและความดันอย่างไร

พลังงานภายในและสถานะทางอุณหพลศาสตร์

อย่างที่คุณทราบอุณหภูมิเป็นหนึ่งในสถานะของระบบ (ในกรณีนี้คือก๊าซ) ในก๊าซอุดมคตินั้นสัมพันธ์กับความดันและปริมาตรโดยอัตราส่วน PV \u003d m / M x RT (สมการ Clapeyron-Mendeleev) อุณหภูมิกำหนดพลังงานความร้อน ดังนั้นสามารถแสดงค่าหลังผ่านชุดของพารามิเตอร์สถานะอื่นได้ เธอไม่สนใจชาติที่แล้วตลอดจนวิธีการเปลี่ยนแปลง

มาดูกันว่าพลังงานภายในเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อระบบผ่านจากสถานะทางอุณหพลศาสตร์หนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงในการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวพิจารณาจากความแตกต่างระหว่างค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้าย หากระบบหลังจากสถานะกลางบางส่วนกลับสู่สถานะเดิมความแตกต่างนี้จะเท่ากับศูนย์

สมมติว่าเราอุ่นแก๊สในถัง (นั่นคือเรานำพลังงานเพิ่มเติมมาให้) สถานะทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซเปลี่ยนไป: อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปโดยไม่ต้องเปลี่ยนระดับเสียง พลังงานภายในของก๊าซของเราเพิ่มขึ้น หลังจากนั้นก๊าซของเราก็ให้พลังงานที่จัดหามาทำให้เย็นลงสู่สภาพเดิม ตัวอย่างเช่นความเร็วของกระบวนการเหล่านี้จะไม่สำคัญ ผลลัพธ์ที่ได้จากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซที่อัตราความร้อนและความเย็นใด ๆ เป็นศูนย์

ประเด็นสำคัญไม่ใช่เรื่องเดียว แต่สถานะทางอุณหพลศาสตร์หลายสถานะสามารถสอดคล้องกับค่าพลังงานความร้อนที่เท่ากันได้

ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน

ในการเปลี่ยนพลังงานจำเป็นต้องมีการทำงาน งานสามารถทำได้โดยก๊าซเองหรือโดยแรงภายนอก

ในกรณีแรกการใช้จ่ายพลังงานในการปฏิบัติงานเกิดจากพลังงานภายในของก๊าซ ตัวอย่างเช่นเราอัดก๊าซในอ่างเก็บน้ำด้วยลูกสูบ หากคุณปล่อยลูกสูบก๊าซที่ขยายตัวจะยกขึ้นทำงาน (เพื่อประโยชน์ให้ลูกสูบยกน้ำหนักขึ้น) พลังงานภายในของก๊าซจะลดลงตามปริมาณที่ใช้ในการทำงานกับแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทาน: U 2 \u003d U 1 - A ในกรณีนี้การทำงานของก๊าซจะเป็นบวกเนื่องจากทิศทางของแรงที่กระทำกับลูกสูบจะเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกสูบ

เราเริ่มลดลูกสูบทำงานกับแรงดันของก๊าซและอีกครั้งกับแรงเสียดทาน ดังนั้นเราจะให้ก๊าซเป็นพลังงานจำนวนหนึ่ง ที่นี่การทำงานของกองกำลังภายนอกถือว่าเป็นบวกอยู่แล้ว

นอกจากงานเชิงกลแล้วยังมีวิธีการเช่นนี้ในการดึงพลังงานออกจากก๊าซหรือให้พลังงานแก่มันดังที่เราได้พบไปแล้วในตัวอย่างของการให้ความร้อนแก่ก๊าซ พลังงานที่ถ่ายโอนไปยังก๊าซในระหว่างกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนเรียกว่าปริมาณความร้อน การถ่ายเทความร้อนแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ การนำการพาความร้อนและการถ่ายเทความร้อน ลองพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเล็กน้อย

การนำความร้อน

ความสามารถของสารในการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยอนุภาคของมันโดยการถ่ายโอนพลังงานจลน์ซึ่งกันและกันในระหว่างการชนกันระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคือการนำความร้อน หากพื้นที่หนึ่งของสารได้รับความร้อนนั่นคือมีการสื่อสารความร้อนจำนวนหนึ่งกับมันพลังงานภายในหลังจากผ่านไประยะหนึ่งผ่านการชนกันของอะตอมหรือโมเลกุลจะกระจายไปในอนุภาคทั้งหมดโดยเฉลี่ยอย่างสม่ำเสมอ

เป็นที่ชัดเจนว่าการนำความร้อนขึ้นอยู่กับความถี่การชนกันอย่างมากซึ่งในทางกลับกันขึ้นอยู่กับระยะห่างเฉลี่ยระหว่างอนุภาค ดังนั้นก๊าซโดยเฉพาะก๊าซในอุดมคติจึงมีลักษณะการนำความร้อนที่ต่ำมากและคุณสมบัตินี้มักใช้สำหรับฉนวนกันความร้อน

ของก๊าซจริงการนำความร้อนจะสูงกว่าสำหรับผู้ที่มีโมเลกุลที่เบาที่สุดและในขณะเดียวกันก็มีหลายอะตอม ไฮโดรเจนระดับโมเลกุลตรงตามเงื่อนไขนี้ในระดับสูงสุดและเรดอนในฐานะก๊าซเชิงเดี่ยวที่หนักที่สุดพบน้อยที่สุด ยิ่งก๊าซที่ตายยากมากเท่าใดตัวนำความร้อนก็ยิ่งแย่ลงเท่านั้น

โดยทั่วไปการถ่ายเทพลังงานผ่านการนำก๊าซในอุดมคติเป็นกระบวนการที่ไม่มีประสิทธิภาพมาก

การพาความร้อน

มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับก๊าซเช่นการพาความร้อนซึ่งพลังงานภายในถูกกระจายผ่านการไหลของสสารที่หมุนเวียนในสนามโน้มถ่วง ก๊าซร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากแรงอาร์คิมีดีนเนื่องจากมีความหนาแน่นน้อยกว่าเนื่องจากก๊าซร้อนที่เคลื่อนที่ขึ้นด้านบนจะถูกแทนที่ด้วยก๊าซที่เย็นกว่าอย่างต่อเนื่อง - มีการหมุนเวียนการไหลของก๊าซ ดังนั้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีประสิทธิภาพนั่นคือความร้อนที่เร็วที่สุดโดยการพาความร้อนจึงจำเป็นต้องทำให้ถังร้อนด้วยแก๊สจากด้านล่างเช่นเดียวกับกาต้มน้ำที่มีน้ำ

หากจำเป็นต้องรับความร้อนจำนวนหนึ่งจากก๊าซการวางตู้เย็นไว้ที่ด้านบนจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากก๊าซที่ให้พลังงานแก่ตู้เย็นจะพุ่งลงด้านล่างภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง

ตัวอย่างของการพาความร้อนในก๊าซคือการทำให้อากาศร้อนในห้องโดยใช้ระบบทำความร้อน (วางไว้ในห้องให้ต่ำที่สุด) หรือการทำความเย็นโดยใช้เครื่องปรับอากาศและในสภาพธรรมชาติปรากฏการณ์ของการพาความร้อนทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของมวลอากาศและส่งผลต่อสภาพอากาศและสภาพอากาศ

ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง (ที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ในยานอวกาศ) การพาความร้อนนั่นคือการหมุนเวียนของการไหลของอากาศจะไม่ถูกสร้างขึ้น ดังนั้นจึงไม่มีจุดใดในการจุดเตาแก๊สหรือไม้ขีดไฟบนยานอวกาศ: ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ร้อนจะไม่ถูกกำจัดขึ้นด้านบนและออกซิเจนจะไม่ถูกส่งไปยังแหล่งกำเนิดไฟและเปลวไฟจะดับ

การถ่ายโอนที่สดใส

สารสามารถถูกทำให้ร้อนภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีความร้อนเมื่ออะตอมและโมเลกุลได้รับพลังงานโดยการดูดซับควอนตาแม่เหล็กไฟฟ้า - โฟตอน ที่ความถี่โฟตอนต่ำกระบวนการนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก จำไว้ว่าเวลาเราเปิดไมโครเวฟเจออาหารร้อน แต่ไม่ใช่อากาศร้อน เมื่อความถี่ของการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นผลของความร้อนจากรังสีจะเพิ่มขึ้นเช่นในบรรยากาศชั้นบนของโลกก๊าซที่หายากสูงจะถูกให้ความร้อนอย่างเข้มข้นและแตกตัวเป็นไอออนโดยแสงอัลตราไวโอเลตจากแสงอาทิตย์

ก๊าซที่แตกต่างกันจะดูดซับรังสีความร้อนในระดับที่แตกต่างกัน ดังนั้นน้ำมีเทนคาร์บอนไดออกไซด์จึงดูดซับได้ค่อนข้างรุนแรง ปรากฏการณ์ของปรากฏการณ์เรือนกระจกเป็นไปตามคุณสมบัตินี้

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

โดยทั่วไปการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในผ่านการให้ความร้อนกับก๊าซ (การแลกเปลี่ยนความร้อน) จะลดลงเช่นกันในการทำงานไม่ว่าจะกับโมเลกุลของก๊าซหรือกับพวกมันโดยอาศัยแรงภายนอก (ซึ่งแสดงในลักษณะเดียวกัน แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม) งานประเภทใดที่ทำด้วยวิธีการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง กฎแห่งการอนุรักษ์พลังงานจะช่วยให้เราตอบคำถามนี้หรือค่อนข้างจะเป็นรูปธรรมที่สัมพันธ์กับพฤติกรรมของระบบอุณหพลศาสตร์ - กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

กฎหมายหรือหลักการสากลของการอนุรักษ์พลังงานในรูปแบบทั่วไประบุว่าพลังงานไม่ได้เกิดจากอะไรและไม่ได้หายไปอย่างไร้ร่องรอย แต่จะส่งผ่านจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น เกี่ยวกับระบบอุณหพลศาสตร์สิ่งนี้จะต้องเข้าใจในลักษณะที่งานที่ทำโดยระบบนั้นแสดงออกผ่านความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ให้กับระบบ (ก๊าซในอุดมคติ) และการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน กล่าวอีกนัยหนึ่งปริมาณความร้อนที่ให้กับก๊าซจะถูกใช้ไปกับการเปลี่ยนแปลงนี้และการทำงานของระบบ

มันเขียนง่ายกว่ามากในรูปแบบของสูตร: dA \u003d dQ - dU และตามนั้น dQ \u003d dU + dA

เรารู้แล้วว่าปริมาณเหล่านี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิธีการเปลี่ยนแปลงระหว่างรัฐที่เกิดขึ้น ความเร็วของการเปลี่ยนแปลงนี้และด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพจึงขึ้นอยู่กับวิธีการ

สำหรับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์นั้นกำหนดทิศทางของการเปลี่ยนแปลง: ไม่สามารถถ่ายเทความร้อนจากก๊าซที่เย็นกว่า (และมีพลังน้อยกว่า) ไปยังก๊าซที่ร้อนกว่าโดยไม่ต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมจากภายนอก หลักการที่สองยังบ่งชี้ว่าส่วนหนึ่งของพลังงานที่ระบบใช้ในการทำงานจะสลายไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้สูญหายไป (ไม่หายไป แต่ส่งผ่านไปในรูปแบบที่ใช้ไม่ได้)

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์

การเปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะพลังงานของก๊าซในอุดมคติอาจมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกันในพารามิเตอร์อย่างใดอย่างหนึ่ง พลังงานภายในในกระบวนการเปลี่ยนประเภทต่างๆก็จะทำงานแตกต่างกันไป ให้เราพิจารณาสั้น ๆ เกี่ยวกับกระบวนการดังกล่าวหลายประเภท

• กระบวนการไอโซคอริกดำเนินไปโดยไม่เปลี่ยนปริมาตรดังนั้นก๊าซจึงไม่ทำงาน พลังงานภายในของก๊าซเปลี่ยนแปลงตามหน้าที่ของความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น
• กระบวนการไอโซบาริกเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ ก๊าซทำงานและพลังงานความร้อนจะถูกคำนวณในลักษณะเดียวกับในกรณีก่อนหน้านี้
• กระบวนการความร้อนใต้พิภพมีลักษณะอุณหภูมิคงที่ซึ่งหมายความว่าพลังงานความร้อนไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากก๊าซจะถูกใช้ไปกับงานทั้งหมด
• กระบวนการอะเดียแบติกหรืออะเดียแบติกเกิดขึ้นในก๊าซที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนในถังหุ้มฉนวนความร้อน งานนี้เสร็จสิ้นเนื่องจากการใช้พลังงานความร้อนเท่านั้น: dA \u003d - dU ด้วยการบีบอัดอะเดียแบติกพลังงานความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อขยายตัวก็จะลดลงตามไปด้วย

ไอโซโพรเซสต่างๆรองรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน ดังนั้นกระบวนการ isochoric จึงเกิดขึ้นในเครื่องยนต์เบนซินที่ตำแหน่งสุดขั้วของลูกสูบในกระบอกสูบและจังหวะที่สองและสามของเครื่องยนต์เป็นตัวอย่างของกระบวนการอะเดียแบติก ในการผลิตก๊าซเหลวการขยายตัวของอะเดียแบติกมีบทบาทสำคัญ - ด้วยเหตุนี้การควบแน่นของก๊าซจึงเป็นไปได้ กระบวนการไอโซโพรเซสในก๊าซในการศึกษาซึ่งไม่สามารถทำได้หากไม่มีแนวคิดเรื่องพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติเป็นลักษณะของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติหลายอย่างและพบการประยุกต์ใช้ในสาขาต่างๆของเทคโนโลยี

มีตัวกล้องขนาดใหญ่ใด ๆ พลังงานเนื่องจาก microstate นี้ พลังงาน เรียกว่า ภายใน (แสดง ยู). มันเท่ากับพลังงานของการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กที่ประกอบกันเป็นร่างกาย ดังนั้น, กำลังภายใน ก๊าซในอุดมคติ ประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลทั้งหมดเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของพวกมันในกรณีนี้อาจถูกละเลย ดังนั้นของเขา กำลังภายใน ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแก๊สเท่านั้น ( คุณ ~ที).

แบบจำลองก๊าซในอุดมคติจะถือว่าโมเลกุลอยู่ห่างจากกันหลายเส้นผ่านศูนย์กลาง ดังนั้นพลังงานของการโต้ตอบจึงน้อยกว่าพลังงานของการเคลื่อนที่มากและสามารถละเว้นได้

ในก๊าซของเหลวและของแข็งจริงไม่สามารถละเลยปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็ก (อะตอมโมเลกุลไอออน ฯลฯ ) ได้เนื่องจากมีผลต่อคุณสมบัติของมันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นของพวกเขา กำลังภายใน ประกอบด้วยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กและพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ พลังงานภายในของพวกเขานอกเหนือจากอุณหภูมิ T, จะขึ้นอยู่กับระดับเสียงด้วย วี, เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรมีผลต่อระยะห่างระหว่างอะตอมและโมเลกุลและด้วยเหตุนี้พลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

กำลังภายใน เป็นหน้าที่ของสถานะของร่างกายซึ่งกำหนดโดยอุณหภูมิของมันที และปริมาตร V.

กำลังภายใน กำหนดโดยอุณหภูมิอย่างไม่น่าสงสัยT และปริมาตรของร่างกาย V โดยระบุลักษณะสถานะ:U \u003dยู (โทรทัศน์)

ถึง เปลี่ยนพลังงานภายใน ร่างกายคุณต้องเปลี่ยนพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กหรือพลังงานศักย์ของปฏิกิริยา (หรือทั้งสองอย่างรวมกัน) ดังที่คุณทราบสามารถทำได้สองวิธี - โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนหรือโดยการทำงาน ในกรณีแรกสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่ง ถาม; ในวินาที - เนื่องจากประสิทธิภาพของงาน ก.

ทางนี้, ปริมาณความร้อนและงานที่ทำคือ การวัดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของร่างกาย:

Δ U \u003dถาม +ก.

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเกิดขึ้นเนื่องจากร่างกายได้รับหรือได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งหรือเนื่องจากประสิทธิภาพของการทำงาน

หากมีเพียงการถ่ายเทความร้อนเท่านั้นการเปลี่ยนแปลง กำลังภายใน เกิดขึ้นจากการรับหรือปล่อยความร้อนจำนวนหนึ่ง: Δ U \u003dถาม. เมื่อให้ความร้อนหรือทำให้ร่างกายเย็นลงจะเท่ากับ:

Δ U \u003dถาม = ซม. (ท 2 - ท 1) \u003dซมΔT.

เมื่อของแข็งละลายหรือตกผลึก กำลังภายใน การเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในโครงสร้างของสสารเกิดขึ้น ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเท่ากับความร้อนของการหลอมรวม (การตกผลึก) ของร่างกาย: Δ ยู -Q pl \u003dλ ม. ที่ไหน λ - ความร้อนจำเพาะของการหลอมรวม (การตกผลึก) ของของแข็ง

การระเหยของของเหลวหรือการควบแน่นของไอน้ำยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง กำลังภายในซึ่งเท่ากับความร้อนของการกลายเป็นไอ: Δ U \u003dQ p \u003drm, ที่ไหน ร- ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (การควบแน่น) ของของเหลว

การเปลี่ยนแปลง กำลังภายใน ร่างกายเนื่องจากประสิทธิภาพของการทำงานเชิงกล (โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน) เป็นตัวเลขเท่ากับมูลค่าของงานนี้: Δ U \u003dก.

หากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนΔ U \u003dถาม \u003dซม. (ท 2 -ท 1),หรือΔ U \u003d Q pl = λ ม.หรือΔ U \u003dถาม n \u003drm.

ดังนั้นจากมุมมองของฟิสิกส์โมเลกุล: วัสดุจากเว็บไซต์

พลังงานภายในของร่างกาย คือผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมโมเลกุลหรืออนุภาคอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยและพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์มันเป็นหน้าที่ของสถานะของร่างกาย (ระบบของร่างกาย) ซึ่งกำหนดโดยเฉพาะโดยพารามิเตอร์ขนาดใหญ่ - อุณหภูมิที และปริมาตร V.

ทางนี้, กำลังภายใน เป็นพลังงานของระบบซึ่งขึ้นอยู่กับสถานะภายใน ประกอบด้วยพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดของระบบ (โมเลกุลอะตอมไอออนอิเล็กตรอน ฯลฯ ) และพลังงานของปฏิสัมพันธ์ ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดมูลค่ารวมของพลังงานภายในดังนั้นจึงคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน Δ ยู, ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพของงาน

พลังงานภายในของร่างกายเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นส่วนประกอบ

ในหน้านี้มีเนื้อหาเกี่ยวกับหัวข้อ:

• มาโครพารามิเตอร์ใดที่กำหนดพลังงานของพลังงานภายในของร่างกาย

• พลังงานภายในร่างกายเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร?

• คำจำกัดความของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนและพลังงานภายใน

• ธีมของตัวแปลงรหัส USE: พลังงานภายในการถ่ายเทความร้อนประเภทของการถ่ายเทความร้อน

  อนุภาคของร่างกายไม่ว่าจะเป็นอะตอมหรือโมเลกุลใด ๆ - ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่หยุดหย่อนวุ่นวาย (ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่ด้วยความร้อน). ดังนั้นแต่ละอนุภาคจึงมีพลังงานจลน์บางส่วน

  นอกจากนี้อนุภาคของสสารยังมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันโดยแรงดึงดูดทางไฟฟ้าและแรงผลักเช่นเดียวกับแรงนิวเคลียร์ ดังนั้นอนุภาคทั้งระบบของร่างกายก็มีพลังงานศักย์เช่นกัน

  พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคและพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาร่วมกันก่อให้เกิดพลังงานรูปแบบใหม่ที่ไม่สามารถลดลงเป็นพลังงานกลของร่างกายได้ (เช่นพลังงานจลน์ของการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยรวมและพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายอื่น ๆ ) พลังงานชนิดนี้เรียกว่าพลังงานภายใน

  พลังงานภายในของร่างกายคือพลังงานจลน์ทั้งหมดของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคบวกกับพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน.

  พลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์คือผลรวมของพลังงานภายในของร่างกายที่รวมอยู่ในระบบ.

  ดังนั้นคำศัพท์ต่อไปนี้จึงสร้างพลังงานภายในของร่างกาย

  1. พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องของอนุภาคในร่างกาย
  2. พลังงานศักย์ของโมเลกุล (อะตอม) เนื่องจากแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล
  3. พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม.
  4. พลังงานอินทราเน็ต

  ในกรณีของแบบจำลองที่ง่ายที่สุดของสสาร - ก๊าซในอุดมคติ - สามารถหาสูตรที่ชัดเจนสำหรับพลังงานภายในได้

  พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติเชิงเดี่ยว

  พลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคของก๊าซในอุดมคติมีค่าเท่ากับศูนย์ (จำได้ว่าในแบบจำลองของก๊าซในอุดมคติเราละเลยการทำงานร่วมกันของอนุภาคในระยะไกล) ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติเชิงเดี่ยวจะลดลงเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดของการแปล (สำหรับก๊าซโพลีอะตอมการหมุนของโมเลกุลและการสั่นของอะตอมภายในโมเลกุล) ของการเคลื่อนที่ของอะตอมจะต้องถูกนำมาพิจารณาด้วย พลังงานนี้สามารถพบได้โดยการคูณจำนวนอะตอมของก๊าซด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอม:

  เราจะเห็นว่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ (มวลและองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่เปลี่ยนแปลง) เป็นเพียงฟังก์ชันของอุณหภูมิเท่านั้น ในก๊าซจริงของเหลวหรือของแข็งพลังงานภายในจะขึ้นอยู่กับปริมาตรด้วยเช่นกันเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลงการจัดเรียงอนุภาคร่วมกันและด้วยเหตุนี้พลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์จึงเปลี่ยนไป

  ฟังก์ชั่นสถานะ

  คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของพลังงานภายในก็คือ ฟังก์ชั่นสถานะ ระบบอุณหพลศาสตร์ กล่าวคือพลังงานภายในถูกกำหนดโดยเฉพาะโดยชุดของพารามิเตอร์ขนาดมหึมาที่แสดงลักษณะของระบบและไม่ได้ขึ้นอยู่กับ“ ดึกดำบรรพ์” ของระบบนั่นคือ ว่าระบบอยู่ในสถานะใดมาก่อนและอยู่ในสถานะนี้อย่างไร

  ดังนั้นในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่งการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะถูกกำหนดโดยสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของระบบและ ไม่ขึ้นอยู่กับ จากเส้นทางของการเปลี่ยนแปลงจากสถานะเริ่มต้นไปสู่สถานะสุดท้าย หากระบบกลับสู่สถานะเดิมการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเท่ากับศูนย์

  ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ามีเพียงสองวิธีในการเปลี่ยนพลังงานภายในของร่างกาย:

  ปฏิบัติงานเครื่องกล
  การถ่ายเทความร้อน.

  พูดง่ายๆก็คือคุณสามารถอุ่นกาต้มน้ำได้ในสองวิธีที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานเท่านั้น: ถูด้วยอะไรบางอย่างหรือวางลงบนกองไฟ :-) ลองพิจารณาวิธีการเหล่านี้โดยละเอียด

  การเปลี่ยนพลังงานภายใน: การทำงาน

  ถ้าทำงานเสร็จ เกิน ร่างกายจากนั้นพลังงานภายในของร่างกายจะเพิ่มขึ้น

  ตัวอย่างเช่นตะปูหลังจากถูกตีด้วยค้อนจะร้อนขึ้นและทำให้เสียรูปเล็กน้อย แต่อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในร่างกาย การให้ความร้อนแก่เล็บบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของอนุภาค: อันที่จริงอนุภาคจะถูกเร่งจากผลกระทบของค้อนและจากการเสียดสีของตะปูกับกระดาน

  การเสียรูปไม่มีอะไรนอกจากการกระจัดของอนุภาคที่สัมพันธ์กัน หลังจากได้รับผลกระทบเล็บจะผ่านการเปลี่ยนรูปของการบีบอัดอนุภาคของมันเข้าหากันแรงผลักระหว่างพวกมันเพิ่มขึ้นและสิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์ของอนุภาคเล็บ

  ดังนั้นพลังภายในของเล็บจึงเพิ่มขึ้น นี่เป็นผลมาจากงานที่ทำ - ค้อนและแรงเสียดทานบนกระดานทำงาน

  ถ้างานเสร็จ ด้วยตัวเราเอง ร่างกายจากนั้นพลังงานภายในของร่างกายจะลดลง

  ตัวอย่างเช่นสมมติว่าอากาศอัดในภาชนะหุ้มฉนวนความร้อนใต้ลูกสูบจะขยายตัวและเพิ่มภาระบางอย่างจึงทำงานได้ (กระบวนการในภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนเรียกว่า อะเดียแบติก... เราจะศึกษากระบวนการอะเดียแบติกเมื่อพิจารณากฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์) ในระหว่างกระบวนการดังกล่าวอากาศจะถูกทำให้เย็นลง - โมเลกุลของมันกระแทกหลังจากลูกสูบเคลื่อนที่ให้พลังงานจลน์เป็นส่วนหนึ่ง (ในทำนองเดียวกันนักฟุตบอลหยุดลูกบอลที่บินอย่างรวดเร็วด้วยเท้าของเขาทำให้เคลื่อนไหวไปกับมัน จาก ลูกบอลและลดความเร็วของมัน) ดังนั้นพลังงานภายในของอากาศจึงลดลง

  ดังนั้นอากาศจึงทำงานได้เนื่องจากพลังงานภายในเนื่องจากเรือมีฉนวนกันความร้อนจึงไม่มีการไหลเวียนของพลังงานสู่อากาศจากแหล่งภายนอกใด ๆ และอากาศสามารถดึงพลังงานเพื่อทำงานจากพลังงานสำรองของตัวเองเท่านั้น

  การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน: การถ่ายเทความร้อน

  การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายโอนพลังงานภายในจากร่างกายที่ร้อนกว่าไปยังตัวที่เย็นกว่าซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเครื่องจักรกล... การถ่ายเทความร้อนสามารถทำได้โดยการสัมผัสโดยตรงกับร่างกายหรือผ่านตัวกลางกลาง (และแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศ) การถ่ายเทความร้อนเรียกอีกอย่างว่า การแลกเปลี่ยนความร้อน.

  การถ่ายเทความร้อนมีสามประเภท ได้แก่ การนำความร้อนการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อน

  ตอนนี้เราจะดูรายละเอียดเพิ่มเติม

  การนำความร้อน

  หากคุณติดเหล็กปลายด้านหนึ่งเข้าไปในกองไฟอย่างที่เราทราบกันดีว่าคุณจะไม่ถือมันไว้ในมือเป็นเวลานาน เมื่อเข้าสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงอะตอมของเหล็กจะเริ่มสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงมากขึ้น (เช่นได้รับพลังงานจลน์เพิ่มเติม) และก่อให้เกิดการระเบิดที่รุนแรงขึ้นกับเพื่อนบ้าน

  พลังงานจลน์ของอะตอมข้างเคียงก็เพิ่มขึ้นเช่นกันและตอนนี้อะตอมเหล่านี้ให้พลังงานจลน์เพิ่มเติมแก่เพื่อนบ้าน ดังนั้นจากไซต์หนึ่งไปยังอีกไซต์หนึ่งความร้อนจะค่อยๆกระจายไปตามแท่ง - จากปลายที่วางไว้ในกองไฟมาที่มือ นี่คือการนำความร้อน (รูปที่ 1) (ภาพจาก educationalelectronicsusa.com)

  

  รูป: 1. การนำความร้อน

  การนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในจากส่วนที่ร้อนกว่าของร่างกายไปยังพลังงานที่ร้อนน้อยกว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและการทำงานร่วมกันของอนุภาคในร่างกาย.

  การนำความร้อนของสารต่างๆแตกต่างกัน โลหะมีการนำความร้อนสูง: ตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดคือเงินทองแดงและทอง การนำความร้อนของของเหลวต่ำกว่ามาก ก๊าซนำความร้อนได้ไม่ดีจนเป็นของฉนวนความร้อนอยู่แล้ว: โมเลกุลของก๊าซเนื่องจากมีระยะห่างระหว่างกันมากจึงมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างอ่อน ๆ นั่นคือเหตุผลที่ตัวอย่างเช่นเฟรมสองชั้นถูกสร้างขึ้นในหน้าต่าง: ชั้นอากาศจะป้องกันความร้อนไม่ให้หนีออกไป)

  เนื้อพรุนเช่นอิฐขนสัตว์หรือขนสัตว์จึงเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี มีอากาศอยู่ในรูขุมขน ไม่น่าแปลกใจที่บ้านอิฐถือเป็นบ้านที่อบอุ่นที่สุดและในสภาพอากาศหนาวเย็นผู้คนจะสวมเสื้อขนสัตว์และแจ็คเก็ตที่มีโพลีเอสเตอร์ขนปุยหรือบุนวม

  แต่ถ้าอากาศนำความร้อนได้ไม่ดีแล้วทำไมห้องถึงร้อนขึ้นจากแบตเตอรี่?

  สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนประเภทอื่น - การพาความร้อน

  การพาความร้อน

  การพาความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในในของเหลวหรือก๊าซอันเป็นผลมาจากการหมุนเวียนของกระแสและการผสมของสสาร.

  อากาศที่อยู่ใกล้แบตเตอรี่ร้อนขึ้นและขยายตัว แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออากาศนี้ยังคงเหมือนเดิม แต่แรงลอยตัวจากอากาศโดยรอบจะเพิ่มขึ้นเพื่อให้อากาศอุ่นเริ่มลอยขึ้นสู่เพดาน อากาศเย็นเข้ามาแทนที่ (กระบวนการเดียวกัน แต่ในระดับที่ยิ่งใหญ่กว่านั้นเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในธรรมชาตินี่คือวิธีที่ลมเกิดขึ้น) ซึ่งสิ่งเดียวกันจะเกิดขึ้นซ้ำ ๆ

  เป็นผลให้มีการหมุนเวียนอากาศซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวอย่างของการพาความร้อน - การแพร่กระจายของความร้อนในห้องจะดำเนินการโดยกระแสอากาศ

  กระบวนการที่คล้ายกันอย่างสมบูรณ์สามารถสังเกตได้ในของเหลว เมื่อคุณวางกาต้มน้ำหรือหม้อน้ำบนเตาน้ำจะร้อนเป็นหลักเนื่องจากการพาความร้อน (การมีส่วนร่วมของการนำความร้อนของน้ำที่นี่ไม่มีนัยสำคัญมาก)

  การพาความร้อนไหลในอากาศและของเหลวแสดงในรูปที่ 2 (ภาพจาก phys.arizona.edu).

  

  รูป: 2. การพาความร้อน

  การพาความร้อนไม่มีอยู่ในของแข็ง: พลังแห่งปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมีขนาดใหญ่อนุภาคสั่นใกล้จุดอวกาศคงที่ (โหนดของโครงตาข่ายคริสตัล) และไม่มีการไหลของสสารในสภาวะเช่นนี้

  สำหรับการหมุนเวียนของกระแสพาความร้อนเมื่อให้ความร้อนในห้องจำเป็นต้องใช้อากาศร้อน มีที่ไหนที่จะปรากฏ... หากติดตั้งหม้อน้ำไว้ใต้เพดานจะไม่มีการไหลเวียนเกิดขึ้น - อากาศอุ่นจะยังคงอยู่ใต้เพดาน นั่นคือเหตุผลที่วางอุปกรณ์ทำความร้อน ข้างล่าง ห้อง. ด้วยเหตุผลเดียวกันพวกเขาจึงวางกาต้มน้ำไว้ บน ไฟซึ่งเป็นผลมาจากการที่ชั้นน้ำร้อนสูงขึ้นทำให้เกิดความเย็นขึ้น

  ในทางตรงกันข้ามเครื่องปรับอากาศควรอยู่ในตำแหน่งที่สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้: จากนั้นอากาศที่เย็นลงจะเริ่มลดระดับลงและอากาศที่อุ่นขึ้นจะเข้ามาแทนที่ การไหลเวียนจะไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่ของกระแสเมื่อให้ความร้อนในห้อง

  การแผ่รังสีความร้อน

  โลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์อย่างไร? ไม่รวมการนำความร้อนและการพาความร้อน: เราถูกคั่นด้วยพื้นที่ไร้อากาศ 150 ล้านกิโลเมตร

  นี่คือที่ที่การถ่ายเทความร้อนประเภทที่สามทำงาน - การแผ่รังสีความร้อน... รังสีสามารถแพร่กระจายได้ทั้งในสสารและในสุญญากาศ มันเกิดขึ้นได้อย่างไร?

  ปรากฎว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดและมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งอย่างหนึ่ง หากสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาสนามแม่เหล็กจะสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งโดยทั่วไปแล้วก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาด้วย (จะกล่าวถึงเรื่องนี้เพิ่มเติมในแผ่นพับเรื่องการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) ในทางกลับกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับอีกครั้งซึ่งจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับอีกครั้ง ...

  อันเป็นผลมาจากการพัฒนากระบวนการนี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - "ติด" บนสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับเสียงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วและความถี่ในการแพร่กระจาย - ในกรณีนี้เป็นความถี่ที่ขนาดและทิศทางของสนามแกว่งไปมาในคลื่น แสงที่มองเห็นได้เป็นกรณีพิเศษของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

  ความเร็วในการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศนั้นมหาศาลมาก: km / s ดังนั้นจากโลกถึงดวงจันทร์แสงจะผ่านไปเพียงเสี้ยววินาที

  ช่วงความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากว้างมาก เราจะพูดคุยเพิ่มเติมเกี่ยวกับมาตราส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแผ่นพับที่เกี่ยวข้อง ที่นี่เราทราบเพียงว่าแสงที่มองเห็นเป็นช่วงเล็ก ๆ ของสเกลนี้ ด้านล่างนี้เป็นความถี่ของรังสีอินฟราเรดด้านบน - ความถี่ของรังสีอัลตราไวโอเลต

  จำได้แล้วว่าอะตอมในขณะที่เป็นกลางทางไฟฟ้ามีโปรตอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้ซึ่งเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายร่วมกับอะตอมทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสลับและจึงปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา คลื่นเหล่านี้เรียกว่า การแผ่รังสีความร้อน - เพื่อเป็นการเตือนว่าแหล่งที่มาคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของสสาร

  ร่างกายใด ๆ เป็นแหล่งกำเนิดรังสีความร้อน ในกรณีนี้รังสีจะนำพลังงานภายในบางส่วนออกไป เมื่อได้พบกับอะตอมของร่างกายอื่นรังสีจะเร่งความเร็วด้วยสนามไฟฟ้าที่สั่นและพลังงานภายในของร่างกายนี้จะเพิ่มขึ้น นี่คือวิธีที่เราอาบแดด

  ที่อุณหภูมิปกติความถี่ของการแผ่รังสีความร้อนจะอยู่ในช่วงอินฟราเรดเพื่อไม่ให้ดวงตารับรู้ (เราไม่เห็นว่าเรา "เรืองแสง" อย่างไร) เมื่อร่างกายร้อนขึ้นอะตอมของมันจะเริ่มปล่อยคลื่นที่มีความถี่สูงขึ้น เล็บเหล็กอาจเป็นสีแดงร้อน - นำไปสู่อุณหภูมิที่รังสีความร้อนจะออกไปที่ส่วนล่าง (สีแดง) ของช่วงที่มองเห็นได้ และดวงอาทิตย์ดูเหมือนเราจะเป็นสีเหลือง - ขาว: อุณหภูมิบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์สูงมากจนความถี่ของแสงที่มองเห็นทั้งหมดมีอยู่ในสเปกตรัมของรังสีและแม้แต่อัลตราไวโอเลตเนื่องจากเราทำให้ผิวสีแทน

  มาดูการถ่ายเทความร้อนอีกสามประเภท (รูปที่ 3) (ภาพจาก beodom.com)

  

  รูป: 3. การถ่ายเทความร้อนสามประเภท: การนำความร้อนการพาความร้อนและการแผ่รังสี

  กำลังภายใน ร่างกาย (แสดงเป็น จ หรือ ยู) คือผลรวมของพลังงานของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลและการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล พลังงานภายในเป็นหน้าที่ที่ชัดเจนของสถานะของระบบ ซึ่งหมายความว่าเมื่อใดก็ตามที่ระบบอยู่ในสถานะที่กำหนดพลังงานภายในของระบบจะรับค่าที่มีอยู่ในสถานะนี้โดยไม่คำนึงถึงประวัติของระบบ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งจะเท่ากับความแตกต่างระหว่างค่าในสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้นเสมอโดยไม่คำนึงถึงเส้นทางที่เกิดการเปลี่ยนแปลง

  พลังงานภายในของร่างกายไม่สามารถวัดได้โดยตรง คุณสามารถกำหนดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเท่านั้น:

  สูตรนี้เป็นการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

  สำหรับกระบวนการกึ่งคงที่จะมีการเติมเต็มความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

  ก๊าซในอุดมคติ

  ตามกฎของ Joule ซึ่งได้มาในเชิงประจักษ์พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติไม่ได้ขึ้นอยู่กับความดันหรือปริมาตร จากข้อเท็จจริงนี้เราสามารถรับการแสดงออกของการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติได้ ตามความหมายของความจุความร้อนโมลาร์ที่ปริมาตรคงที่ เนื่องจากพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติเป็นหน้าที่ของอุณหภูมิเท่านั้น

  .

  สูตรเดียวกันนี้เป็นจริงสำหรับการคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายใด ๆ แต่เฉพาะในกระบวนการที่มีปริมาตรคงที่ (กระบวนการ isochoric) โดยทั่วไปเป็นฟังก์ชันของทั้งอุณหภูมิและปริมาตร

  หากเราละเลยการเปลี่ยนแปลงความจุความร้อนของโมลาร์ด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเราจะได้รับ:

  ,

  ปริมาณของสารอยู่ที่ไหนคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

  วรรณคดี

  • ศิวะขินดี. วี. หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป. - ฉบับที่ 5 แก้ไข - มอสโก: Fizmatlit, 2006 .-- T. II. อุณหพลศาสตร์และฟิสิกส์โมเลกุล. - 544 น. - ISBN 5-9221-0601-5

  หมายเหตุ

  
  

  มูลนิธิวิกิมีเดีย พ.ศ. 2553.

  ดูว่า "พลังงานภายใน" ในพจนานุกรมอื่น ๆ มีอะไรบ้าง:

  กำลังภายใน - ฟังก์ชั่นของสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์แบบปิดซึ่งพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าการเพิ่มขึ้นของกระบวนการใด ๆ ที่เกิดขึ้นในระบบนี้จะเท่ากับผลรวมของความร้อนที่ส่งไปยังระบบและงานที่ทำกับมัน หมายเหตุพลังงานภายใน ... ... คู่มือนักแปลด้านเทคนิค

  พลังงาน nat. ระบบขึ้นอยู่กับภายใน รัฐ V. e. รวมถึงพลังงานของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวาย (ความร้อน) ของอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดของระบบ (โมเลกุลอะตอมไอออน ฯลฯ ) และพลังงานของอนุภาคเหล่านี้ การเคลื่อนไหว พลังงานของการเคลื่อนที่ของระบบโดยรวมและ ... สารานุกรมทางกายภาพ

  กำลังภายใน - พลังงานของร่างกายหรือระบบขึ้นอยู่กับสถานะภายใน ประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอมอิเล็กตรอนนิวเคลียส) พลังงานปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในโมเลกุลพลังงานปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กทรอนิก ... สารานุกรมบิ๊กโปลีเทคนิค

  ร่างกายประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอมอิเล็กตรอนนิวเคลียส) พลังงานของปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในโมเลกุลเป็นต้นพลังงานภายในไม่รวมถึงพลังงานในการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยรวมและพลังงานศักย์ ... พจนานุกรมสารานุกรมใหญ่

  กำลังภายใน - ▲ร่างกายวัสดุพลังงานตามสถานะอุณหภูมิภายในภายในและ ... พจนานุกรมอุดมคติของภาษารัสเซีย

  กำลังภายใน - คือพลังงานทั้งหมดของระบบลบด้วยพลังงานศักย์ที่เกิดจากผลกระทบต่อระบบของสนามพลังภายนอก (ในสนามโน้มถ่วง) และพลังงานจลน์ของระบบเคลื่อนที่ เคมีทั่วไป: หนังสือเรียน / อ. V. Zholnin ... เงื่อนไขทางเคมี

  สารานุกรมสมัยใหม่

  กำลังภายใน - ร่างกายรวมถึงพลังงานจลน์ของโมเลกุลอะตอมอิเล็กตรอนนิวเคลียสที่ประกอบเป็นร่างกายตลอดจนพลังงานของการมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคเหล่านี้ซึ่งกันและกัน การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเป็นตัวเลขเท่ากับงานที่ทำในร่างกาย (ตัวอย่างเช่นเมื่อ ... ... พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ

  กำลังภายใน - ปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่แสดงถึงจำนวนของการเคลื่อนไหวภายในทุกประเภทที่ดำเนินการในระบบ เป็นไปไม่ได้ที่จะวัดพลังงานภายในที่แน่นอนของร่างกาย ในทางปฏิบัติจะวัดเฉพาะการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเท่านั้น ... ... พจนานุกรมสารานุกรมโลหะวิทยา

  ร่างกายประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอมอิเล็กตรอนนิวเคลียส) พลังงานปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในโมเลกุล ฯลฯ พลังงานภายในไม่รวมพลังงานของการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยรวมและพลังงานศักย์ ... พจนานุกรมสารานุกรม

  หนังสือ

  • พลังงานที่ตื่นขึ้น Happinnes มีอยู่จริง? ความสุขในการปรากฏตัว (จำนวนเล่ม: 3), Khusnetdinova Aigul "พลังที่ตื่นขึ้นทุกอย่างทำงานอย่างไรและจะอยู่อย่างมีความสุขได้อย่างไร" ทุกๆวันในการฝึกฝนของฉันฉันเจอคดีลึกลับ แต่ในขณะเดียวกันฉันก็ใช้ชีวิตแบบสมัยใหม่ธรรมดา ๆ ...

  คุณเห็นจรวดกำลังบินขึ้น เธอทำงาน - เธอยกนักบินอวกาศและโหลด พลังงานจลน์ของจรวดเพิ่มขึ้น ตั้งแต่มันสูงขึ้นจรวดจะได้รับความเร็วที่มากขึ้น พลังงานศักย์ของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ในขณะที่มันสูงขึ้นและสูงขึ้นเหนือโลก ดังนั้นผลรวมของพลังงานเหล่านี้นั่นคือ พลังงานกลของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

  เราจำได้ว่าเมื่อร่างกายทำงานพลังงานจะลดลง อย่างไรก็ตามจรวดทำงาน แต่พลังงานไม่ลดลง แต่เพิ่มขึ้น! วิธีแก้ปัญหาความขัดแย้งคืออะไร? ปรากฎว่านอกจากพลังงานกลแล้วยังมีพลังงานอีกประเภทหนึ่ง - กำลังภายใน. เนื่องจากการลดลงของพลังงานภายในของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ซึ่งจรวดทำงานเชิงกลและนอกจากนี้ยังเพิ่มพลังงานกล

  ไม่เพียงแค่ ติดไฟได้แต่ยัง ร้อน ร่างกายมีพลังงานภายในที่สามารถเปลี่ยนเป็นงานเชิงกลได้ง่าย มาทำการทดลองกัน เราให้ความร้อนน้ำหนักในน้ำเดือดและวางไว้บนกล่องดีบุกที่ติดกับมาตรวัดความดัน เมื่ออากาศในกล่องอุ่นขึ้นของเหลวในมาโนมิเตอร์จะเริ่มเคลื่อนที่ (ดูรูป)

  อากาศที่ขยายตัวจะทำงานกับของเหลว พลังงานอะไรเกิดขึ้น? แน่นอนเนื่องจากพลังงานภายในของน้ำหนัก ดังนั้นจากประสบการณ์นี้เราสังเกตเห็น การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายเป็นการทำงานเชิงกล โปรดทราบว่าพลังงานกลของน้ำหนักในการทดลองนี้ไม่เปลี่ยนแปลง - มันจะเท่ากับศูนย์เสมอ

  ดังนั้น, กำลังภายใน - นี่คือพลังงานของร่างกายเนื่องจากการทำงานเชิงกลสามารถทำได้ในขณะที่ไม่ทำให้พลังงานกลของร่างกายลดลง

  พลังงานภายในของร่างกายขึ้นอยู่กับหลายสาเหตุ: ชนิดและสถานะของสารมวลกายและอุณหภูมิและอื่น ๆ ร่างกายทั้งหมดมีพลังงานภายใน: ขนาดใหญ่และขนาดเล็กร้อนและเย็นของแข็งของเหลวและก๊าซ

  สิ่งที่ง่ายที่สุดสำหรับความต้องการของบุคคลสามารถใช้พลังงานภายในเท่านั้นพูดโดยเปรียบเปรยสารและร่างกายที่ร้อนและไวไฟ สิ่งเหล่านี้คือน้ำมันก๊าซถ่านหินน้ำพุร้อนใต้พิภพใกล้ภูเขาไฟและอื่น ๆ นอกจากนี้ในศตวรรษที่ 20 มนุษย์ได้เรียนรู้ที่จะใช้พลังงานภายในของสารกัมมันตภาพรังสีที่เรียกว่า ตัวอย่างเช่นยูเรเนียมพลูโตเนียมและอื่น ๆ

  ดูที่ด้านขวาของแผนภาพ ในวรรณกรรมยอดนิยมมักกล่าวถึงความร้อนเคมีไฟฟ้าปรมาณู (นิวเคลียร์) และพลังงานประเภทอื่น ๆ ตามกฎแล้วทั้งหมดเป็นพลังงานภายในที่หลากหลายเนื่องจากสามารถทำงานเชิงกลได้โดยไม่ทำให้สูญเสียพลังงานกล เราจะพิจารณาแนวคิดเรื่องพลังงานภายในโดยละเอียดในการศึกษาฟิสิกส์เพิ่มเติม