พลังงานภายในคืออะไร กำลังภายใน

สะดวกในการพิจารณาปรากฏการณ์ทางกายภาพเฉพาะหรือประเภทของปรากฏการณ์โดยใช้แบบจำลองที่มีระดับการประมาณต่างกัน ตัวอย่างเช่น เมื่ออธิบายพฤติกรรมของก๊าซ จะใช้แบบจำลองทางกายภาพ ซึ่งเป็นก๊าซในอุดมคติ

โมเดลใดๆ ก็ตามมีข้อจำกัดในการใช้งาน นอกเหนือจากนั้นจะต้องมีการชี้แจงหรือใช้ตัวเลือกที่ซับซ้อนมากขึ้น ในที่นี้เราจะพิจารณากรณีง่ายๆ ในการอธิบายพลังงานภายในของระบบทางกายภาพโดยพิจารณาจากคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของก๊าซภายในขอบเขตที่กำหนด

ก๊าซในอุดมคติ

เพื่อความสะดวกในการอธิบายกระบวนการพื้นฐานบางอย่าง แบบจำลองทางกายภาพนี้ทำให้ก๊าซจริงง่ายขึ้นดังนี้:

• ละเลยขนาดของโมเลกุลก๊าซ ซึ่งหมายความว่ามีปรากฏการณ์ที่พารามิเตอร์นี้ไม่จำเป็นสำหรับคำอธิบายที่เพียงพอ
• มันละเลยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลนั่นคือยอมรับว่าในกระบวนการที่น่าสนใจพวกเขาปรากฏตัวในช่วงเวลาสั้น ๆ โดยประมาทและไม่ส่งผลกระทบต่อสถานะของระบบ ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาจะมีลักษณะของการกระแทกที่ยืดหยุ่นอย่างยิ่ง ซึ่งไม่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการเสียรูป
• ละเลยปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลกับผนังถัง
• โดยสันนิษฐานว่าระบบกักเก็บก๊าซมีลักษณะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

แบบจำลองนี้เหมาะสำหรับการอธิบายก๊าซจริงหากความดันและอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ

สถานะพลังงานของระบบทางกายภาพ

ระบบทางกายภาพขนาดมหภาคใดๆ (ร่างกาย ก๊าซ หรือของเหลวในภาชนะ) มีพลังงานภายในอีกประเภทหนึ่งนอกเหนือจากจลน์และศักย์ของมันเอง ค่านี้ได้มาจากการรวมพลังงานของระบบย่อยทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นระบบทางกายภาพ - โมเลกุล

แต่ละโมเลกุลในก๊าซก็มีศักยภาพและพลังงานจลน์ของตัวเองเช่นกัน หลังเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องของโมเลกุล ปฏิกิริยาต่างๆ ระหว่างสิ่งเหล่านี้ (แรงดึงดูดทางไฟฟ้า แรงผลัก) ถูกกำหนดโดยพลังงานศักย์

ต้องจำไว้ว่าหากสถานะพลังงานของส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบทางกายภาพไม่ส่งผลกระทบใด ๆ ต่อสถานะมหภาคของระบบก็จะไม่นำมาพิจารณา ตัวอย่างเช่น ภายใต้สภาวะปกติ พลังงานนิวเคลียร์จะไม่ปรากฏให้เห็นในการเปลี่ยนแปลงสถานะของวัตถุทางกายภาพ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องนำมาพิจารณา แต่ต้องทำสิ่งนี้ที่อุณหภูมิและความดันสูง

ดังนั้นพลังงานภายในของร่างกายจึงสะท้อนถึงธรรมชาติของการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค ซึ่งหมายความว่าคำนี้ตรงกันกับแนวคิดเรื่อง "พลังงานความร้อน" ที่ใช้บ่อย

ก๊าซ Monatomic นั่นคือก๊าซที่อะตอมไม่รวมกันเป็นโมเลกุลนั้นมีอยู่ในธรรมชาติ - สิ่งเหล่านี้เป็นก๊าซเฉื่อย ก๊าซ เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน หรือไฮโดรเจนสามารถดำรงอยู่ในสถานะดังกล่าวได้เฉพาะภายใต้สภาวะที่พลังงานถูกใช้ไปจากภายนอกเพื่อสร้างสถานะนี้ใหม่อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากอะตอมของพวกมันมีปฏิกิริยาทางเคมีและมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเป็นโมเลกุล

ขอให้เราพิจารณาสถานะพลังงานของก๊าซในอุดมคติที่มีอะตอมเดี่ยวที่วางอยู่ในภาชนะที่มีปริมาตรพอเหมาะ นี่เป็นกรณีที่ง่ายที่สุด เราจำได้ว่าปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอะตอมซึ่งกันและกันและกับผนังของภาชนะและด้วยเหตุนี้พลังงานศักย์ของพวกมันจึงมีน้อยมาก ดังนั้นพลังงานภายในของก๊าซจึงรวมเฉพาะผลรวมของพลังงานจลน์ของอะตอมเท่านั้น

สามารถคำนวณได้โดยการคูณพลังงานจลน์เฉลี่ยของอะตอมในก๊าซด้วยจำนวนของมัน พลังงานเฉลี่ยเท่ากับ E = 3/2 x R / N A x T โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล N A คือเลขของอาโวกาโดร T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซ เราคำนวณจำนวนอะตอมโดยการคูณปริมาณของสสารด้วยค่าคงที่ของอโวกาโดร พลังงานภายในของก๊าซเชิงเดี่ยวจะเท่ากับ U = N A x m / M x 3/2 x R/N A x T = 3/2 x m / M x RT โดยที่ m คือมวล และ M คือมวลโมลของก๊าซ

สมมติว่าองค์ประกอบทางเคมีของก๊าซและมวลของมันยังคงเท่าเดิมเสมอ ในกรณีนี้ ดังที่เห็นได้จากสูตรที่เราได้รับ พลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซเท่านั้น สำหรับก๊าซจริง การเปลี่ยนแปลงปริมาตรจะต้องคำนึงถึงนอกเหนือจากอุณหภูมิด้วย เนื่องจากสิ่งนี้ส่งผลต่อพลังงานศักย์ของอะตอม

ก๊าซโมเลกุล

ในสูตรข้างต้น หมายเลข 3 แสดงถึงจำนวนองศาอิสระในการเคลื่อนที่ของอนุภาค monatomic ซึ่งถูกกำหนดโดยจำนวนพิกัดในอวกาศ: x, y, z สำหรับสถานะของก๊าซที่มีอะตอมเดี่ยว โดยทั่วไปแล้วจะไม่แยแสว่าอะตอมของแก๊สจะหมุนหรือไม่

โมเลกุลมีลักษณะเป็นทรงกลมไม่สมมาตรดังนั้นเมื่อพิจารณาสถานะพลังงานของก๊าซโมเลกุลจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงพลังงานจลน์ของการหมุนของพวกมันด้วย โมเลกุลไดอะตอมมิก นอกเหนือจากระดับความอิสระที่ระบุไว้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของการแปลแล้ว ยังมีอีกสองโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับการหมุนรอบแกนตั้งฉากกันสองแกน โมเลกุลโพลีอะตอมมิกมีแกนหมุนอิสระสามแกน ดังนั้น อนุภาคของก๊าซไดอะตอมมิกจึงมีลักษณะเป็นจำนวนองศาอิสระ f = 5 ในขณะที่โมเลกุลโพลีอะตอมมิก f = 6

เนื่องจากการสุ่มโดยธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ทุกทิศทางของการเคลื่อนที่แบบหมุนและการเคลื่อนที่แบบแปลนจึงมีความเป็นไปได้ที่เท่าเทียมกันโดยสมบูรณ์ พลังงานจลน์เฉลี่ยที่เกิดจากการเคลื่อนที่แต่ละประเภทจะเท่ากัน ดังนั้นเราจึงสามารถแทนค่า f ลงในสูตรได้ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติขององค์ประกอบโมเลกุลใด ๆ ได้: U = f / 2 x m / M x RT

แน่นอนเราเห็นจากสูตรว่าค่านี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของสาร กล่าวคือ ปริมาณก๊าซที่เราใช้ และชนิดของก๊าซ ตลอดจนโครงสร้างของโมเลกุลของก๊าซนี้ด้วย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเราตกลงที่จะไม่เปลี่ยนมวลและองค์ประกอบทางเคมี เราจึงต้องคำนึงถึงอุณหภูมิเท่านั้น

ตอนนี้เรามาดูกันว่าค่า U เกี่ยวข้องกับคุณลักษณะของก๊าซอื่น ๆ อย่างไร - ปริมาตรและความดัน

พลังงานภายในและสถานะทางอุณหพลศาสตร์

ดังที่ทราบกันว่าอุณหภูมิเป็นหนึ่งในสถานะของระบบ (ในกรณีนี้คือก๊าซ) ในก๊าซอุดมคติ มีความสัมพันธ์กับความดันและปริมาตรโดยความสัมพันธ์ PV = m / M x RT (หรือที่เรียกว่าสมการคลาเปรอง-เมนเดเลเยฟ) อุณหภูมิเป็นตัวกำหนดพลังงานความร้อน ดังนั้นอย่างหลังสามารถแสดงผ่านชุดของพารามิเตอร์สถานะอื่นๆ เธอไม่แยแสกับสถานะก่อนหน้าตลอดจนวิธีการเปลี่ยนแปลง

เรามาดูกันว่าพลังงานภายในเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อระบบเคลื่อนที่จากสถานะทางอุณหพลศาสตร์หนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้าย ถ้าระบบกลับสู่สถานะเดิมหลังจากสถานะกลาง ผลต่างนี้จะเท่ากับศูนย์

สมมติว่าเราให้ความร้อนแก่แก๊สในอ่างเก็บน้ำ (นั่นคือ เราจ่ายพลังงานเพิ่มเติมให้กับมัน) สถานะทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซเปลี่ยนไป: อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนระดับเสียง พลังงานภายในของก๊าซของเราเพิ่มขึ้น หลังจากนั้น ก๊าซของเราก็สูญเสียพลังงานที่จ่ายไป และเย็นลงสู่สถานะเดิม ปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วของกระบวนการเหล่านี้จะไม่มีความสำคัญใดๆ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในพลังงานภายในของก๊าซในอัตราการให้ความร้อนและความเย็นจะเป็นศูนย์

จุดสำคัญคือค่าพลังงานความร้อนที่เท่ากันสามารถสอดคล้องกับสถานะทางอุณหพลศาสตร์ได้หลายสถานะ

ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน

เพื่อที่จะเปลี่ยนพลังงานต้องทำงาน งานสามารถทำได้โดยตัวแก๊สเองหรือแรงภายนอก

ในกรณีแรก ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานในการทำงานเกิดจากพลังงานภายในของก๊าซ ตัวอย่างเช่น เรามีก๊าซอัดอยู่ในถังที่มีลูกสูบ หากคุณปล่อยลูกสูบ ก๊าซที่ขยายตัวจะเริ่มยกขึ้นทำงาน (เพื่อให้มีประโยชน์ ให้ลูกสูบยกน้ำหนักบางอย่างขึ้น) พลังงานภายในของก๊าซจะลดลงตามปริมาณที่ใช้ในการทำงานกับแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทาน: U 2 = U 1 - A ในกรณีนี้ งานของก๊าซจะเป็นค่าบวก เนื่องจากทิศทางของแรงที่กระทำกับลูกสูบ สอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกสูบ

มาเริ่มลดลูกสูบลงโดยทำงานกับแรงดันแก๊สและต่อต้านแรงเสียดทานอีกครั้ง ดังนั้นเราจึงให้พลังงานจำนวนหนึ่งแก่ก๊าซ ที่นี่การทำงานของกองกำลังภายนอกถือว่าเป็นบวกแล้ว

นอกจากงานเครื่องกลแล้ว ยังมีวิธีที่จะดึงพลังงานออกจากก๊าซหรือให้พลังงาน ดังที่เราได้พบเห็นมาแล้วในตัวอย่างการให้ความร้อนกับแก๊ส พลังงานที่ถ่ายโอนไปยังก๊าซระหว่างกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนเรียกว่าปริมาณความร้อน การถ่ายเทความร้อนมีสามประเภท: การนำ การพาความร้อน และการถ่ายโอนรังสี มาดูรายละเอียดเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย

การนำความร้อน

ความสามารถของสารในการแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งดำเนินการโดยอนุภาคโดยการถ่ายโอนพลังงานจลน์ให้กันและกันระหว่างการชนกันระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคือการนำความร้อน หากบริเวณใดบริเวณหนึ่งของสสารถูกให้ความร้อน นั่นคือ ความร้อนจำนวนหนึ่งถูกปล่อยออกมา พลังงานภายในหลังจากเวลาผ่านไปผ่านการชนกันของอะตอมหรือโมเลกุล จะถูกกระจายโดยเฉลี่ยอย่างสม่ำเสมอในหมู่อนุภาคทั้งหมด

เห็นได้ชัดว่าการนำความร้อนขึ้นอยู่กับความถี่ของการชนเป็นอย่างมาก และในทางกลับกันก็ขึ้นอยู่กับระยะห่างเฉลี่ยระหว่างอนุภาคด้วย ดังนั้นก๊าซโดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซในอุดมคติจึงมีคุณลักษณะการนำความร้อนต่ำมากและคุณสมบัตินี้มักใช้เป็นฉนวนกันความร้อน

ในบรรดาก๊าซจริง ค่าการนำความร้อนจะสูงกว่าในก๊าซที่มีโมเลกุลที่เบาที่สุดและในเวลาเดียวกันก็มีโพลีอะตอมมิก สภาวะนี้เป็นไปตามขอบเขตสูงสุดโดยโมเลกุลไฮโดรเจน และน้อยที่สุดโดยเรดอน ซึ่งเป็นก๊าซที่มีอะตอมเดี่ยวที่หนักที่สุด ยิ่งก๊าซทำให้บริสุทธิ์มากเท่าไร ตัวนำความร้อนก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น

โดยทั่วไป การถ่ายโอนพลังงานโดยการนำความร้อนสำหรับก๊าซในอุดมคตินั้นเป็นกระบวนการที่ไม่มีประสิทธิภาพมาก

การพาความร้อน

ก๊าซที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามากคือการพาความร้อน ซึ่งพลังงานภายในถูกกระจายผ่านการไหลของสสารที่หมุนเวียนอยู่ในสนามโน้มถ่วง ก๊าซร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากแรงอาร์คิมีดีน เนื่องจากมีความหนาแน่นน้อยกว่าเนื่องจากก๊าซร้อนเคลื่อนขึ้นด้านบนจะถูกแทนที่ด้วยก๊าซที่เย็นกว่าอย่างต่อเนื่อง - การไหลเวียนของการไหลของก๊าซจะเกิดขึ้น ดังนั้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีประสิทธิภาพนั่นคือการให้ความร้อนผ่านการพาความร้อนที่เร็วที่สุดจึงจำเป็นต้องให้ความร้อนถังแก๊สจากด้านล่าง - เช่นเดียวกับกาต้มน้ำที่มีน้ำ

หากจำเป็นต้องกำจัดความร้อนจำนวนหนึ่งออกจากแก๊สการวางตู้เย็นไว้ที่ด้านบนจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากก๊าซที่ให้พลังงานแก่ตู้เย็นจะพุ่งลงมาภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง

ตัวอย่างของการพาความร้อนในแก๊สคือการทำความร้อนอากาศภายในอาคารโดยใช้ระบบทำความร้อน (วางไว้ในห้องให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) หรือการทำความเย็นโดยใช้เครื่องปรับอากาศและในสภาพธรรมชาติปรากฏการณ์การพาความร้อนทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของมวลอากาศและส่งผลต่อสภาพอากาศ และสภาพภูมิอากาศ

ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง (โดยที่ไม่มีน้ำหนักในยานอวกาศ) การหมุนเวียนของอากาศจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่จะจุดไฟให้กับเตาแก๊สหรือไม้ขีดไฟบนยานอวกาศ: ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ร้อนจะไม่ถูกระบายขึ้นไปด้านบน และออกซิเจนจะไม่ถูกส่งไปยังแหล่งกำเนิดไฟ และเปลวไฟก็จะดับลง

การถ่ายโอนที่สดใส

สารยังอาจร้อนขึ้นภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีความร้อน เมื่ออะตอมและโมเลกุลได้รับพลังงานโดยการดูดซับควอนตัมโฟตอนแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ความถี่โฟตอนต่ำ กระบวนการนี้ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากนัก ให้เราจำไว้ว่าเมื่อเราเปิดเตาไมโครเวฟเราจะพบอาหารร้อนที่นั่นแต่ไม่ใช่อากาศร้อน เมื่อความถี่ของการแผ่รังสีเพิ่มขึ้น ผลกระทบของการให้ความร้อนด้วยรังสีก็จะเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ในชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก ก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์สูงจะถูกให้ความร้อนอย่างเข้มข้นและแตกตัวเป็นไอออนโดยรังสีอัลตราไวโอเลตจากแสงอาทิตย์

ก๊าซต่าง ๆ ดูดซับรังสีความร้อนในระดับที่ต่างกัน ดังนั้นน้ำ มีเทน คาร์บอนไดออกไซด์จึงดูดซับได้ค่อนข้างแรง ปรากฏการณ์ปรากฏการณ์เรือนกระจกขึ้นอยู่กับคุณสมบัตินี้

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

โดยทั่วไปแล้ว การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในโดยการให้ความร้อนแก่ก๊าซ (การแลกเปลี่ยนความร้อน) ก็ลงมาที่การทำงานทั้งกับโมเลกุลของก๊าซหรือกับพวกมันผ่านแรงภายนอก (ซึ่งแสดงในลักษณะเดียวกัน แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม) งานประเภทใดที่ทำได้ด้วยวิธีนี้ในการเปลี่ยนจากรัฐหนึ่งไปอีกรัฐหนึ่ง? กฎการอนุรักษ์พลังงานจะช่วยเราตอบคำถามนี้หรืออย่างแม่นยำยิ่งขึ้นคือการเป็นรูปธรรมซึ่งสัมพันธ์กับพฤติกรรมของระบบอุณหพลศาสตร์ - กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

กฎหมายหรือหลักการอนุรักษ์พลังงานสากล ในรูปแบบทั่วไปส่วนใหญ่ระบุว่าพลังงานไม่ได้เกิดจากความว่างเปล่าและไม่ได้หายไปอย่างไร้ร่องรอย แต่จะผ่านจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับระบบอุณหพลศาสตร์ จะต้องเข้าใจสิ่งนี้ในลักษณะที่งานที่ทำโดยระบบแสดงออกมาผ่านความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับระบบ (ก๊าซในอุดมคติ) และการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับแก๊สจะถูกใช้ไปกับการเปลี่ยนแปลงนี้และการทำงานของระบบ

สิ่งนี้เขียนง่ายกว่ามากในรูปแบบของสูตร: dA = dQ - dU และตามลำดับ dQ = dU + dA

เรารู้อยู่แล้วว่าปริมาณเหล่านี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิธีที่การเปลี่ยนแปลงระหว่างรัฐเกิดขึ้น ความเร็วของการเปลี่ยนแปลงนี้และผลที่ตามมาคือประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับวิธีการ

สำหรับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ระบุทิศทางของการเปลี่ยนแปลง: ความร้อนไม่สามารถถ่ายโอนจากก๊าซที่เย็นกว่า (และมีพลังงานน้อยกว่า) ไปยังก๊าซที่ร้อนกว่าโดยไม่ต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมจากภายนอก กฎข้อที่สองยังระบุด้วยว่าพลังงานส่วนหนึ่งที่ระบบใช้ในการทำงานจะกระจายไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และสูญหายไป (ไม่หายไป แต่ไปอยู่ในรูปแบบที่ใช้ไม่ได้)

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์

การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะพลังงานของก๊าซในอุดมคติสามารถมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์บางอย่างที่แตกต่างกันได้ พลังงานภายในในกระบวนการเปลี่ยนผ่านประเภทต่าง ๆ ก็จะมีพฤติกรรมแตกต่างกันเช่นกัน ให้เราพิจารณากระบวนการดังกล่าวหลายประเภทโดยย่อ

• กระบวนการไอโซคอริกเกิดขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ดังนั้น ก๊าซจึงไม่ทำงานใดๆ พลังงานภายในของก๊าซเปลี่ยนแปลงตามความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น
• กระบวนการไอโซบาริกเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ ก๊าซใช้งานได้และพลังงานความร้อนจะคำนวณในลักษณะเดียวกับในกรณีก่อนหน้า
• กระบวนการไอโซเทอร์มอลมีลักษณะเป็นอุณหภูมิคงที่ ซึ่งหมายความว่าพลังงานความร้อนจะไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาณความร้อนที่ก๊าซได้รับนั้นถูกใช้ไปกับการทำงานทั้งหมด
• กระบวนการอะเดียแบติกหรืออะเดียแบติกเกิดขึ้นในก๊าซที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนในอ่างเก็บน้ำที่หุ้มฉนวนความร้อน งานเสร็จเนื่องจากการใช้พลังงานความร้อนเท่านั้น: dA = - dU ในระหว่างการบีบอัดอะเดียแบติก พลังงานความร้อนจะเพิ่มขึ้น และในระหว่างการขยายตัว พลังงานความร้อนจะลดลงตามไปด้วย

ไอโซโพรเซสต่างๆ รองรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน ดังนั้นกระบวนการไอโซคอริกเกิดขึ้นในเครื่องยนต์เบนซินที่ตำแหน่งสุดขีดของลูกสูบในกระบอกสูบ และจังหวะที่สองและสามของเครื่องยนต์เป็นตัวอย่างของกระบวนการอะเดียแบติก เมื่อผลิตก๊าซเหลว การขยายตัวแบบอะเดียแบติกมีบทบาทสำคัญ ด้วยเหตุนี้จึงเกิดการควบแน่นของก๊าซได้ ไอโซโพรเซสในก๊าซในการศึกษาซึ่งเราไม่สามารถทำได้หากไม่มีแนวคิดเรื่องพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ เป็นลักษณะของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมากมายและพบการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีสาขาต่างๆ มากมาย

ร่างกายขนาดมหึมาใด ๆ มี พลังงานกำหนดโดยไมโครสเตตของมัน นี้ พลังงานเรียกว่า ภายใน(แสดง ยู- เท่ากับพลังงานแห่งการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กที่ประกอบกันเป็นร่างกาย ดังนั้น, กำลังภายใน ก๊าซในอุดมคติประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลทั้งหมดเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของพวกมันในกรณีนี้สามารถถูกละเลยได้ ดังนั้นมัน กำลังภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซเท่านั้น ( ยู~ต).

แบบจำลองก๊าซในอุดมคติถือว่าโมเลกุลอยู่ห่างจากกันหลายเส้นผ่านศูนย์กลาง ดังนั้นพลังงานของการโต้ตอบจึงน้อยกว่าพลังงานของการเคลื่อนไหวมากและสามารถเพิกเฉยได้

ในก๊าซ ของเหลว และของแข็งจริง ปฏิกิริยาของอนุภาคขนาดเล็ก (อะตอม โมเลกุล ไอออน ฯลฯ) ไม่สามารถละเลยได้ เนื่องจากมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านั้น ดังนั้นพวกเขา กำลังภายในประกอบด้วยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กและพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาระหว่างกัน พลังงานภายในของพวกเขา ยกเว้นอุณหภูมิ ที,จะขึ้นอยู่กับปริมาณด้วย วีเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรส่งผลต่อระยะห่างระหว่างอะตอมและโมเลกุล และผลที่ตามมาคือพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

กำลังภายใน เป็นหน้าที่ของสภาวะของร่างกายซึ่งกำหนดโดยอุณหภูมิของมันตและปริมาตร V

กำลังภายใน ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิโดยเฉพาะT และปริมาตรของร่างกาย V ซึ่งแสดงลักษณะสถานะ:ยู =ยู(โทรทัศน์)

ถึง เปลี่ยนพลังงานภายในร่างกาย จริงๆ แล้วคุณจำเป็นต้องเปลี่ยนพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็ก หรือพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาระหว่างกัน (หรือทั้งสองอย่างรวมกัน) ดังที่คุณทราบแล้วว่าสามารถทำได้สองวิธี - โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนหรือโดยการทำงาน ในกรณีแรกสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่ง ถาม;ในครั้งที่สอง - เนื่องจากประสิทธิภาพการทำงาน ก.

ดังนั้น, ปริมาณความร้อนและงานที่ทำคือ การวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกาย:

Δ ยู =ถาม+ก.

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเกิดขึ้นเนื่องจากความร้อนจำนวนหนึ่งที่ร่างกายได้รับหรือได้รับหรือเนื่องจากการปฏิบัติงาน

หากเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนเพียงอย่างเดียวก็เกิดการเปลี่ยนแปลง กำลังภายในเกิดจากการรับหรือปล่อยความร้อนจำนวนหนึ่งออกมา: Δ ยู =ถามเมื่อให้ความร้อนหรือทำให้ร่างกายเย็นลงจะเท่ากับ:

Δ ยู =ถาม = ซม.(ที 2 - ที 1) =ซม∆T.

ในระหว่างการหลอมหรือการตกผลึกของของแข็ง กำลังภายในการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์ของการโต้ตอบของอนุภาคขนาดเล็กเนื่องจาก การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในโครงสร้างของสารเกิดขึ้น ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจะเท่ากับความร้อนของการหลอมละลาย (การตกผลึก) ของร่างกาย: Δ ยู-คิวพีแอล =λ ม.ที่ไหน λ — ความร้อนจำเพาะของการหลอมละลาย (การตกผลึก) ของของแข็ง

การระเหยของของเหลวหรือการควบแน่นของไอน้ำก็ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเช่นกัน กำลังภายในซึ่งเท่ากับความร้อนของการกลายเป็นไอ: Δ ยู =คิว พี =RM,ที่ไหน ร— ความร้อนจำเพาะของการกลายเป็นไอ (การควบแน่น) ของของเหลว

เปลี่ยน กำลังภายในร่างกายเนื่องจากประสิทธิภาพของงานเครื่องกล (ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน) มีค่าเท่ากับตัวเลขของงานนี้: Δ ยู =ก.

หากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเกิดขึ้นเนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อนแล้วΔ ยู =ถาม=ซม.(ที 2 -ที 1)หรือΔ ยู = กรุณา = λ ม.หรือΔ ยู =ถามน=RM.

ดังนั้น จากมุมมองของฟิสิกส์โมเลกุล: วัสดุจากเว็บไซต์

พลังงานภายในร่างกาย คือผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอม โมเลกุล หรืออนุภาคอื่นที่อะตอมนั้นประกอบด้วยอยู่ และพลังงานศักย์ของอันตรกิริยาระหว่างกัน จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์มันเป็นหน้าที่ของสภาวะของร่างกาย (ระบบของร่างกาย) ซึ่งถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์มาโคร - อุณหภูมิโดยเฉพาะตและปริมาตร V

ดังนั้น, กำลังภายในคือพลังงานของระบบซึ่งขึ้นอยู่กับสถานะภายในของมัน ประกอบด้วยพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดของระบบ (โมเลกุล อะตอม ไอออน อิเล็กตรอน ฯลฯ) และพลังงานของอันตรกิริยาของพวกมัน แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะระบุมูลค่าเต็มของพลังงานภายใน ดังนั้นจึงคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน Δ ยู,ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพการทำงาน

พลังงานภายในของร่างกายเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและพลังงานศักย์ของอันตรกิริยาของอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นส่วนประกอบ

ในหน้านี้จะมีเนื้อหาในหัวข้อต่อไปนี้:

• พารามิเตอร์ขนาดใหญ่ใดเป็นตัวกำหนดพลังงานภายในของร่างกาย

• จะเปลี่ยนพลังงานภายในร่างกายได้อย่างไร?

• คำจำกัดความของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและพลังงานภายใน

• หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State: พลังงานภายใน การถ่ายเทความร้อน ประเภทการถ่ายเทความร้อน

  อนุภาคของร่างกายใด ๆ - อะตอมหรือโมเลกุล - ทำการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องอย่างวุ่นวาย (ที่เรียกว่า การเคลื่อนไหวด้วยความร้อน- ดังนั้นแต่ละอนุภาคจึงมีพลังงานจลน์อยู่บ้าง

  นอกจากนี้ อนุภาคของสสารยังมีปฏิกิริยาต่อกันผ่านแรงดึงดูดและแรงผลักทางไฟฟ้า รวมถึงผ่านแรงนิวเคลียร์ด้วย ดังนั้นระบบอนุภาคทั้งหมดของร่างกายที่กำหนดจึงมีพลังงานศักย์เช่นกัน

  พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคและพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์กันก่อให้เกิดพลังงานชนิดใหม่ที่ไม่ลดลงเป็นพลังงานกลของร่างกาย (เช่นพลังงานจลน์ของการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยรวมและ พลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่น) พลังงานประเภทนี้เรียกว่าพลังงานภายใน

  พลังงานภายในของร่างกายคือพลังงานจลน์ทั้งหมดของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคบวกกับพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน.

  พลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์คือผลรวมของพลังงานภายในของร่างกายที่รวมอยู่ในระบบ.

  ดังนั้นพลังงานภายในของร่างกายจึงเกิดขึ้นได้จากเงื่อนไขดังต่อไปนี้

  1. พลังงานจลน์ของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องของอนุภาคในร่างกาย
  2. พลังงานศักย์ของโมเลกุล (อะตอม) ที่เกิดจากแรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล
  3. พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม
  4. พลังงานภายในนิวเคลียร์

  ในกรณีของแบบจำลองที่ง่ายที่สุดของสสาร - ก๊าซในอุดมคติ - สามารถหาสูตรที่ชัดเจนสำหรับพลังงานภายในได้

  พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติที่มีอะตอมเดี่ยว

  พลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคของก๊าซในอุดมคตินั้นเป็นศูนย์ (จำได้ว่าในแบบจำลองก๊าซในอุดมคติเราละเลยปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคในระยะไกล) ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติที่มีอะตอมเดี่ยวจะลดลงเหลือพลังงานจลน์รวมของพลังงานการแปล (สำหรับก๊าซที่มีอะตอมหลายอะตอม จะต้องคำนึงถึงการหมุนของโมเลกุลและการสั่นของอะตอมภายในโมเลกุลด้วย) การเคลื่อนไหวของอะตอมของมัน พลังงานนี้สามารถพบได้โดยการคูณจำนวนอะตอมของก๊าซด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยของหนึ่งอะตอม:

  เราจะเห็นว่าพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ (ซึ่งมีมวลและองค์ประกอบทางเคมีไม่เปลี่ยนแปลง) เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิเท่านั้น ในก๊าซ ของเหลว หรือของแข็งจริง พลังงานภายในจะขึ้นอยู่กับปริมาตรด้วย หลังจากนั้น เมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลง การจัดเรียงสัมพัทธ์ของอนุภาค และผลที่ตามมาคือพลังงานศักย์ของการโต้ตอบของพวกมันจะเปลี่ยนไป

  ฟังก์ชั่นสถานะ

  คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของพลังงานภายในก็คือมัน ฟังก์ชั่นของรัฐระบบอุณหพลศาสตร์ กล่าวคือพลังงานภายในถูกกำหนดโดยไม่ซ้ำกันโดยชุดของพารามิเตอร์มหภาคที่แสดงลักษณะของระบบและไม่ขึ้นอยู่กับ "ยุคก่อนประวัติศาสตร์" ของระบบนั่นคือ ว่าระบบเคยอยู่ในสถานะใด และจบลงที่สถานะนี้โดยเฉพาะเพียงใด

  ดังนั้น เมื่อระบบเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจะถูกกำหนดโดยสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้น และ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจากเส้นทางแห่งการเปลี่ยนแปลงจากสถานะเริ่มต้นไปสู่สถานะสุดท้าย หากระบบกลับสู่สถานะเดิม การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจะเป็นศูนย์

  ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ามีเพียงสองวิธีในการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกาย:

  ปฏิบัติงานเครื่องกล
  การถ่ายเทความร้อน.

  พูดง่ายๆ ก็คือ คุณสามารถอุ่นกาต้มน้ำได้ด้วยวิธีที่แตกต่างกันสองวิธีเท่านั้น: ถูด้วยบางสิ่งบางอย่างหรือจุดไฟ :-) ลองพิจารณาวิธีการเหล่านี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น

  การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน: งานเสร็จแล้ว

  ถ้างานเสร็จแล้ว ข้างบนร่างกายแล้วพลังงานภายในร่างกายก็เพิ่มขึ้น

  ตัวอย่างเช่น ตะปูหลังจากถูกทุบด้วยค้อน จะร้อนขึ้นและผิดรูปเล็กน้อย แต่อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในร่างกาย การให้ความร้อนแก่ตะปูบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของอนุภาค ที่จริงแล้ว อนุภาคจะถูกเร่งด้วยการทุบด้วยค้อนและแรงเสียดทานของตะปูบนกระดาน

  การเสียรูปนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการกระจัดของอนุภาคที่สัมพันธ์กัน หลังจากการกระแทก เล็บจะเกิดการเสียรูปแบบบีบอัด อนุภาคของมันจะเข้ามาใกล้กันมากขึ้น แรงผลักระหว่างเล็บจะเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์ของอนุภาคของเล็บ

  ดังนั้นพลังงานภายในของเล็บจึงเพิ่มขึ้น นี่เป็นผลลัพธ์ของงานที่ทำอยู่ - งานทำด้วยค้อนและแรงเสียดทานบนกระดาน

  ถ้างานเสร็จแล้ว ตัวเราเองร่างกายแล้วพลังงานภายในร่างกายลดลง

  ตัวอย่างเช่น ปล่อยให้อากาศอัดในภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนใต้ลูกสูบขยายและยกภาระบางอย่าง จึงจะทำงานได้ (กระบวนการในภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนเรียกว่า อะเดียแบติก- เราจะศึกษากระบวนการอะเดียแบติกโดยคำนึงถึงกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์) ในระหว่างกระบวนการนี้ อากาศจะเย็นลง - โมเลกุลของอากาศจะกระทบกับลูกสูบที่กำลังเคลื่อนที่ ทำให้อากาศเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานจลน์ (ในทำนองเดียวกัน นักฟุตบอลที่หยุดลูกบอลที่บินเร็วด้วยเท้าของเขา เคลื่อนไหวด้วยลูกบอล จากและทำให้ความเร็วลดลง) ดังนั้น พลังงานภายในของอากาศจึงลดลง

  ดังนั้น อากาศจึงทำงานโดยสูญเสียพลังงานภายใน เนื่องจากตัวเรือมีฉนวนความร้อน จึงไม่มีพลังงานไหลจากแหล่งภายนอกใดๆ ไปยังอากาศ และอากาศสามารถดึงพลังงานมาทำงานจากแหล่งสำรองของตัวเองเท่านั้น .

  การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน: การถ่ายเทความร้อน

  การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายโอนพลังงานภายในจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของงานเครื่องกล- การถ่ายเทความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้จากการสัมผัสวัตถุโดยตรง หรือผ่านตัวกลางที่อยู่ตรงกลาง (และแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศ) การถ่ายเทความร้อนเรียกอีกอย่างว่า การแลกเปลี่ยนความร้อน.

  การถ่ายเทความร้อนมีสามประเภท: การนำ การพา และการแผ่รังสีความร้อน

  ตอนนี้เราจะดูรายละเอียดเพิ่มเติม

  การนำความร้อน

  หากคุณเอาปลายด้านหนึ่งของแท่งเหล็กเข้าไปในไฟ ดังที่เราทราบ คุณจะไม่ถือมันไว้ในมือนานนัก เมื่ออยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง อะตอมของเหล็กจะเริ่มสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงมากขึ้น (เช่น พวกมันได้รับพลังงานจลน์เพิ่มเติม) และก่อให้เกิดผลกระทบที่รุนแรงต่อเพื่อนบ้าน

  พลังงานจลน์ของอะตอมข้างเคียงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และตอนนี้อะตอมเหล่านี้ให้พลังงานจลน์เพิ่มเติมแก่เพื่อนบ้าน ดังนั้นจากส่วนหนึ่งไปอีกส่วนหนึ่งความร้อนจึงค่อย ๆ กระจายไปตามก้าน - จากปลายที่วางไว้บนไฟถึงมือของเรา นี่คือการนำความร้อน (รูปที่ 1) (ภาพจาก educationalelectronicsusa.com)

  

  ข้าว. 1. การนำความร้อน

  การนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในจากบริเวณที่มีความร้อนมากขึ้นของร่างกายไปยังบริเวณที่มีความร้อนน้อยกว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ของความร้อนและปฏิกิริยาของอนุภาคในร่างกาย.

  ค่าการนำความร้อนของสารต่าง ๆ นั้นแตกต่างกัน โลหะมีค่าการนำความร้อนสูง: ตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดคือเงิน ทองแดง และทอง ค่าการนำความร้อนของของเหลวมีค่าน้อยกว่ามาก ก๊าซนำความร้อนได้ไม่ดีนักจนถือเป็นฉนวนความร้อน: โมเลกุลของก๊าซเนื่องจากมีระยะห่างระหว่างกันมากจึงมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างอ่อน นี่คือเหตุผลว่าทำไมหน้าต่างจึงมีกรอบสองชั้น: ชั้นอากาศจะป้องกันไม่ให้ความร้อนเล็ดลอดออกไป)

  ดังนั้นวัตถุที่มีรูพรุน เช่น อิฐ สำลี หรือขนสัตว์ จึงเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี พวกมันมีอากาศอยู่ในรูขุมขน ไม่ใช่เพื่ออะไรเลยที่บ้านอิฐถือว่าอบอุ่นที่สุดและในสภาพอากาศหนาวเย็นผู้คนจะสวมเสื้อโค้ทขนสัตว์และแจ็คเก็ตที่มีขนดาวน์หรือบุนวมสังเคราะห์

  แต่ถ้าอากาศนำความร้อนได้ไม่ดีทำไมห้องถึงอุ่นจากหม้อน้ำ?

  สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนประเภทอื่น - การพาความร้อน

  การพาความร้อน

  การพาความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานภายในไปยังของเหลวหรือก๊าซอันเป็นผลมาจากการไหลเวียนของการไหลและการผสมของสสาร.

  อากาศใกล้แบตเตอรี่ร้อนขึ้นและขยายตัว แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออากาศนี้ยังคงเท่าเดิม แต่แรงลอยตัวจากอากาศโดยรอบเพิ่มขึ้น ดังนั้นอากาศร้อนจึงเริ่มลอยขึ้นไปบนเพดาน อากาศเย็นเข้ามาแทนที่ (กระบวนการเดียวกัน แต่ในขนาดที่ใหญ่กว่ามาก เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในธรรมชาติ นี่คือวิธีที่ลมเกิดขึ้น) ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกันซ้ำแล้วซ้ำอีก

  เป็นผลให้มีการไหลเวียนของอากาศซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวอย่างของการพาความร้อน - การแพร่กระจายของความร้อนในห้องจะดำเนินการโดยกระแสอากาศ

  กระบวนการที่คล้ายกันโดยสิ้นเชิงสามารถสังเกตได้ในของเหลว เมื่อคุณวางกาต้มน้ำหรือกระทะบนเตา น้ำจะถูกทำให้ร้อนเนื่องจากการพาความร้อนเป็นหลัก (การมีส่วนร่วมของการนำความร้อนของน้ำไม่มีนัยสำคัญมาก)

  กระแสการพาความร้อนในอากาศและของเหลวแสดงไว้ในรูปที่ 1 2 (ภาพจากฟิสิกส์.arizona.edu)

  

  ข้าว. 2. การพาความร้อน

  ในของแข็ง ไม่มีการพาความร้อน: แรงปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคมีขนาดใหญ่ อนุภาคจะสั่นใกล้กับจุดเชิงพื้นที่คงที่ (โหนดผลึกขัดแตะ) และไม่มีการไหลของสสารสามารถก่อตัวได้ภายใต้สภาวะดังกล่าว

  สำหรับการไหลเวียนของกระแสการพาความร้อนเมื่อทำความร้อนในห้องจำเป็นต้องมีอากาศร้อน มีที่ว่างให้โผล่ออกมา- หากติดตั้งหม้อน้ำไว้ใต้เพดาน การไหลเวียนจะไม่เกิดขึ้น - อากาศอุ่นจะยังคงอยู่ใต้เพดาน นั่นคือเหตุผลที่วางอุปกรณ์ทำความร้อน ที่ส่วนลึกสุดห้องพัก ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้จึงต้องเปิดกาต้มน้ำไว้ บนไฟซึ่งเป็นผลมาจากการที่ชั้นน้ำอุ่นเพิ่มขึ้นทำให้เกิดความเย็นขึ้น

  ในทางตรงกันข้าม ควรวางเครื่องปรับอากาศให้สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากนั้นอากาศเย็นจะเริ่มลดลง และอากาศอุ่นจะเข้ามาแทนที่ การไหลเวียนจะไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่ของกระแสเมื่อทำความร้อนในห้อง

  การแผ่รังสีความร้อน

  โลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์อย่างไร? ไม่รวมการนำความร้อนและการพาความร้อน: เราถูกคั่นด้วยพื้นที่ไร้อากาศ 150 ล้านกิโลเมตร

  การถ่ายเทความร้อนประเภทที่สามใช้งานได้ที่นี่ - การแผ่รังสีความร้อน- รังสีสามารถแพร่กระจายได้ทั้งในสสารและในสุญญากาศ มันเกิดขึ้นได้อย่างไร?

  ปรากฎว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดและมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งอย่างหนึ่ง หากสนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา มันจะสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาด้วย (ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมในเอกสารเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กสลับจะสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กสลับอีกครั้ง ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับอีกครั้ง...

  จากการพัฒนากระบวนการนี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก "มีส่วนร่วม" ซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับเสียง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วของการแพร่กระจายและความถี่ - ในกรณีนี้ นี่คือความถี่ที่ขนาดและทิศทางของสนามผันผวนในคลื่น แสงที่มองเห็นเป็นกรณีพิเศษของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

  ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศนั้นมีมหาศาล: km/s ดังนั้นแสงจึงเดินทางจากโลกไปยังดวงจันทร์ในเวลาเพียงเสี้ยววินาที

  ช่วงความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นกว้างมาก เราจะพูดคุยเพิ่มเติมเกี่ยวกับขนาดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแผ่นพับที่เกี่ยวข้อง ในกรณีนี้ เราสังเกตว่าแสงที่ตามองเห็นเป็นเพียงช่วงเล็กๆ ของขนาดนี้ ด้านล่างเป็นความถี่ของรังสีอินฟราเรด ด้านบนเป็นความถี่ของรังสีอัลตราไวโอเลต

  ในตอนนี้ จำได้ว่าอะตอม แม้ว่าโดยทั่วไปจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ก็มีโปรตอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อนุภาคที่มีประจุเหล่านี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายร่วมกับอะตอม ทำให้เกิดสนามไฟฟ้ากระแสสลับ และด้วยเหตุนี้จึงปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา คลื่นเหล่านี้เรียกว่า การแผ่รังสีความร้อน- เพื่อเป็นการเตือนใจว่าแหล่งกำเนิดของพวกมันคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของสสาร

  แหล่งกำเนิดรังสีความร้อนคือวัตถุใดๆ ในกรณีนี้ การแผ่รังสีจะพาพลังงานภายในบางส่วนออกไป เมื่อพบกับอะตอมของวัตถุอื่น การแผ่รังสีจะเร่งพวกมันด้วยสนามไฟฟ้าที่สั่น และพลังงานภายในของร่างกายนี้จะเพิ่มขึ้น นี่คือวิธีที่เราอาบแดด

  ที่อุณหภูมิปกติ ความถี่ของการแผ่รังสีความร้อนจะอยู่ในช่วงอินฟราเรด ดังนั้นดวงตาจึงไม่รับรู้ (เราไม่เห็นว่า "เรืองแสง") อย่างไร เมื่อร่างกายร้อนขึ้น อะตอมของมันจะเริ่มปล่อยคลื่นความถี่ที่สูงกว่า ตะปูเหล็กสามารถให้ความร้อนสีแดงร้อนได้ - นำไปที่อุณหภูมิที่การแผ่รังสีความร้อนของมันไปถึงส่วนล่าง (สีแดง) ของช่วงที่มองเห็นได้ และดวงอาทิตย์ปรากฏเป็นสีเหลืองขาวสำหรับเรา อุณหภูมิบนพื้นผิวดวงอาทิตย์สูงมากจนสเปกตรัมการแผ่รังสีของมันประกอบด้วยความถี่ทั้งหมดของแสงที่มองเห็นได้ และแม้แต่รังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งทำให้เรามีสีแทน

  เรามาดูการถ่ายเทความร้อนสามประเภทกันอีกครั้ง (รูปที่ 3) (ภาพจาก beodom.com)

  

  ข้าว. 3. การถ่ายเทความร้อนสามประเภท: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี

  กำลังภายในร่างกาย (แสดงเป็น อีหรือ ยู) คือผลรวมของพลังงานของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลและการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล พลังงานภายในเป็นหน้าที่เฉพาะของสถานะของระบบ ซึ่งหมายความว่าเมื่อใดก็ตามที่ระบบพบว่าตัวเองอยู่ในสถานะที่กำหนด พลังงานภายในของระบบจะรับค่าที่มีอยู่ในสถานะนี้ โดยไม่คำนึงถึงประวัติของระบบก่อนหน้านี้ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งจะเท่ากับความแตกต่างระหว่างค่าในสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้นเสมอ โดยไม่คำนึงถึงเส้นทางที่การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น

  พลังงานภายในของร่างกายไม่สามารถวัดได้โดยตรง คุณสามารถระบุการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเท่านั้น:

  สูตรนี้เป็นนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

  สำหรับกระบวนการกึ่งคงที่ ความสัมพันธ์ต่อไปนี้จะคงอยู่:

  ก๊าซในอุดมคติ

  ตามกฎของจูล ซึ่งมาจากการทดลอง พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติไม่ได้ขึ้นอยู่กับความดันหรือปริมาตร จากข้อเท็จจริงนี้ เราสามารถหาการแสดงออกของการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติได้ โดยนิยามของความจุความร้อนของโมลที่ปริมาตรคงที่ เนื่องจากพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคตินั้นเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิเท่านั้น

  .

  สูตรเดียวกันนี้ก็เป็นจริงเช่นกันสำหรับการคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายใด ๆ แต่เฉพาะในกระบวนการที่มีปริมาตรคงที่ (กระบวนการไอโซคอริก) โดยทั่วไปจะเป็นฟังก์ชันของทั้งอุณหภูมิและปริมาตร

  หากเราละเลยการเปลี่ยนแปลงความจุความร้อนของโมลาร์กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เราจะได้:

  ,

  โดยที่ปริมาณของสารคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

  วรรณกรรม

  • ศิวะคิน ดี.วี.วิชาฟิสิกส์ทั่วไป - ฉบับที่ 5 แก้ไขแล้ว - ม.: Fizmatlit, 2549. - ต. II. อุณหพลศาสตร์และฟิสิกส์โมเลกุล - 544 หน้า - ไอ 5-9221-0601-5

  หมายเหตุ

  
  

  มูลนิธิวิกิมีเดีย 2010.

  ดูว่า "พลังงานภายใน" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

  กำลังภายใน- ฟังก์ชั่นของสถานะของระบบเทอร์โมไดนามิกส์แบบปิด ซึ่งกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าการเพิ่มขึ้นของกระบวนการใด ๆ ที่เกิดขึ้นในระบบนี้เท่ากับผลรวมของความร้อนที่จ่ายให้กับระบบและงานที่ทำในระบบนั้น หมายเหตุ พลังงานภายใน...... คู่มือนักแปลทางเทคนิค

  พลังงานทางกายภาพ ระบบขึ้นอยู่กับภายในของมัน เงื่อนไข. วีอี รวมถึงพลังงานของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวาย (ความร้อน) ของอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดของระบบ (โมเลกุล อะตอม ไอออน ฯลฯ) และพลังงานของการกระทำของอนุภาคเหล่านี้ จลน์ศาสตร์ พลังงานการเคลื่อนที่ของระบบโดยรวมและ... สารานุกรมกายภาพ

  กำลังภายใน- พลังงานของร่างกายหรือระบบขึ้นอยู่กับสถานะภายใน ประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอม อิเล็กตรอน นิวเคลียส) พลังงานอันตรกิริยาของอะตอมในโมเลกุล พลังงานอันตรกิริยาของอิเล็กทรอนิกส์... ... สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่

  ร่างกายประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอม, อิเล็กตรอน, นิวเคลียส), พลังงานของอันตรกิริยาของอะตอมในโมเลกุล ฯลฯ พลังงานภายในไม่รวมพลังงานการเคลื่อนที่ของร่างกายเป็น พลังงานทั้งหมดและศักยภาพ... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

  กำลังภายใน- ▲ตัววัสดุพลังงานตามสถานะอุณหภูมิภายในตัวภายใน... พจนานุกรมอุดมการณ์ของภาษารัสเซีย

  กำลังภายใน- คือพลังงานทั้งหมดของระบบลบศักย์ ที่เกิดจากอิทธิพลของสนามแรงภายนอกที่มีต่อระบบ (ในสนามโน้มถ่วง) และพลังงานจลน์ของระบบที่กำลังเคลื่อนที่ เคมีทั่วไป: หนังสือเรียน / A.V. Zholnin ... เงื่อนไขทางเคมี

  สารานุกรมสมัยใหม่

  กำลังภายใน- ร่างกาย รวมถึงพลังงานจลน์ของโมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน นิวเคลียสที่ประกอบเป็นร่างกายตลอดจนพลังงานของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคเหล่านี้ซึ่งกันและกัน การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะมีตัวเลขเท่ากับงานที่ทำกับร่างกาย (เช่น เมื่อ... ... พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ

  กำลังภายใน- ปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่แสดงลักษณะจำนวนการเคลื่อนไหวภายในทุกประเภทที่ดำเนินการในระบบ เป็นไปไม่ได้ที่จะวัดพลังงานภายในที่สมบูรณ์ของร่างกาย ในทางปฏิบัติจะวัดเฉพาะการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเท่านั้น... ... พจนานุกรมสารานุกรมโลหะวิทยา

  ร่างกายประกอบด้วยพลังงานจลน์ของโมเลกุลของร่างกายและหน่วยโครงสร้าง (อะตอม, อิเล็กตรอน, นิวเคลียส), พลังงานของอันตรกิริยาของอะตอมในโมเลกุล ฯลฯ พลังงานภายในไม่รวมพลังงานการเคลื่อนที่ของร่างกายเป็น พลังงานทั้งหมดและศักยภาพ... พจนานุกรมสารานุกรม

  หนังสือ

  • ปลุกพลัง. แฮปปี้เนสมีอยู่จริงเหรอ? ความสุขของการปรากฏตัว (จำนวนเล่ม: 3), Khusnetdinova Aigul “ปลุกพลัง ทุกอย่างทำงานอย่างไร และใช้ชีวิตอย่างไรให้มีความสุข” ทุกวันในการปฏิบัติของฉัน ฉันต้องเผชิญกับกรณีลึกลับ แต่ในขณะเดียวกัน ฉันก็ใช้ชีวิตสมัยใหม่แบบธรรมดา...

  คุณจะเห็นจรวดกำลังบินขึ้น มันใช้งานได้ - มันยกนักบินอวกาศและสินค้า พลังงานจลน์ของจรวดเพิ่มขึ้นเนื่องจากเมื่อจรวดเพิ่มขึ้น มันก็จะมีความเร็วเพิ่มขึ้น พลังงานศักย์ของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกันขณะที่มันสูงขึ้นเรื่อยๆ เหนือพื้นโลก ดังนั้นผลรวมของพลังงานเหล่านี้ก็คือ พลังงานกลของจรวดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

  เราจำได้ว่าเมื่อร่างกายทำงาน พลังงานจะลดลง อย่างไรก็ตาม จรวดทำงานได้ แต่พลังงานไม่ลดลง แต่เพิ่มขึ้น! วิธีแก้ปัญหาความขัดแย้งคืออะไร? ปรากฎว่านอกเหนือจากพลังงานกลแล้ว ยังมีพลังงานอีกประเภทหนึ่ง - กำลังภายใน.จรวดทำงานทางกลโดยการลดพลังงานภายในของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้และยังเพิ่มพลังงานกลอีกด้วย

  ไม่เพียงแค่ ไวไฟแต่ยัง ร้อนร่างกายมีพลังงานภายในที่สามารถเปลี่ยนเป็นงานเครื่องกลได้ง่าย มาทำการทดลองกัน อุ่นตุ้มน้ำหนักในน้ำเดือดแล้ววางลงในกล่องดีบุกที่ติดกับเกจวัดความดัน เมื่ออากาศในกล่องอุ่นขึ้น ของเหลวในเกจวัดความดันจะเริ่มเคลื่อนที่ (ดูรูป)

  การขยายอากาศจะทำงานกับของเหลวได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานอะไร? แน่นอนเนื่องจากพลังงานภายในของน้ำหนัก ดังนั้นในการทดลองนี้เราจึงสังเกต การแปลงพลังงานภายในร่างกายเป็นงานเครื่องกลโปรดทราบว่าพลังงานกลของน้ำหนักไม่เปลี่ยนแปลงในการทดลองนี้ แต่จะเท่ากับศูนย์เสมอ

  ดังนั้น, กำลังภายใน- นี่คือพลังงานของร่างกายเนื่องจากสามารถทำงานทางกลได้โดยไม่ทำให้พลังงานกลของร่างกายนี้ลดลง

  พลังงานภายในของร่างกายขึ้นอยู่กับหลายสาเหตุ เช่น ชนิดและสถานะของสาร มวลและอุณหภูมิของร่างกาย และอื่นๆ ร่างกายทุกคนมีพลังงานภายใน: ใหญ่และเล็ก ร้อนและเย็น ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ

  พลังงานภายในของสารและร่างกายที่ร้อนและติดไฟได้เท่านั้นที่สามารถนำไปใช้ตามความต้องการของมนุษย์ได้ง่ายที่สุด สิ่งเหล่านี้ได้แก่ น้ำมัน ก๊าซ ถ่านหิน น้ำพุร้อนใต้พิภพใกล้ภูเขาไฟ และอื่นๆ นอกจากนี้ ในศตวรรษที่ 20 มนุษย์เรียนรู้ที่จะใช้พลังงานภายในของสิ่งที่เรียกว่าสารกัมมันตภาพรังสี ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม และอื่นๆ

  ลองดูที่ด้านขวาของแผนภาพ ในวรรณกรรมยอดนิยม มักกล่าวถึงพลังงานความร้อน เคมี ไฟฟ้า อะตอม (นิวเคลียร์) และพลังงานประเภทอื่นๆ ตามกฎแล้วทั้งหมดนี้เป็นพลังงานภายในประเภทหนึ่งเนื่องจากงานเครื่องกลจึงสามารถดำเนินการได้โดยไม่ทำให้สูญเสียพลังงานกล เราจะพิจารณาแนวคิดเรื่องพลังงานภายในโดยละเอียดมากขึ้นในการศึกษาฟิสิกส์ครั้งต่อไป