Co je vnitřní energie?

Termodynamika jako disciplína vznikla do poloviny 19. století. Stalo se tak po objevení zákona o zachování energie. Existuje jednoznačné spojení mezi termodynamikou a molekulární kinetikou. Jaké je místo v teorii vnitřní energie? Zvažte to v článku.

Statistická mechanika a termodynamika

Původní vědecká teorie tepelných procesů nebyla molekulárně-kinetická. První byla termodynamika. Vznikla v procesu studování optimálních podmínek pro aplikaci tepla do práce. Stalo se to v polovině 19. století, než byla molekulární kinetika uznána. Dnešní termodynamika a molekulární kinetická teorie se používají ve strojírenství a vědě. Ten v teoretické fyzice se nazývá statistická mechanika. Ona spolu s termodynamikou zkoumá stejný jev pomocí různých metod. Tyto dvě teorie se navzájem doplňují. Základem termodynamiky jsou dva zákony. Oba se týkají chování energie a jsou založeny empiricky. Tyto zákony platí pro jakoukoli látku, bez ohledu na vnitřní strukturu. Hlubší a přesnější věda se považuje za statistickou mechaniku. Ve srovnání s termodynamikou je to složitější. Používá se v případě, že se termodynamické vztahy ukázaly jako nedostatečné pro vysvětlení studovaných jevů.

Molekulární kinetická teorie

Do poloviny 19. století bylo dokázáno, že společně s mechanickou energií existuje vnitřní energie makroskopických těles. Je součástí rovnováhy energetických přírodních transformací. Poté, co byla objevena vnitřní energie, bylo formulováno prohlášení o jeho zachování a přeměně. Zatímco puk sklouzává přes led se zastaví pod vlivem třecí síly, jeho kinetiky (mechanická) energie ne jen přestane existovat, ale je přenesena na molekuly puku a ledu. Při pohybu se deformují nepravidelnosti povrchů těles vystavených tření. V tomto případě se zvyšuje intenzita náhodně pohybujících se molekul. Když se obě tělesa zahřívají, zvyšuje se vnitřní energie. Je snadné pozorovat a převrátit přechod. Když se voda zahřívá v uzavřené trubce, začne se zvyšovat vnitřní energie (a její a výsledná pára). Tlak se zvýší, což způsobí vytlačování zástrčky. Vnitřní energie páry způsobí nárůst kinetické energie. V procesu rozšiřování páry je práce. Zároveň se snižuje vnitřní energie. V důsledku toho je pára ochlazena.

Vnitřní energie. Obecné informace

Při náhodném pohybu všech molekul je součtem jejich kinetických energií, stejně jako potenciální energie jejich vzájemných interakcí, vnitřní energie. Vzhledem k poloze molekul relativně vůči sobě a jejich pohybu je téměř nemožné tuto hodnotu vypočítat. To je způsobeno obrovským počtem prvků v makroskopických tělech. V tomto ohledu je nutné, aby bylo možné vypočítat hodnotu v souladu s makroskopickými parametry, které lze měřit.

Monatomický plyn

Látka je ve svých vlastnostech považována za poměrně jednoduchou, protože se skládá z jednotlivých atomů, nikoliv molekul. Mezi monatomické plyny patří argon, helium, neon. Potenciální energie v tomto případě je nulová. To je způsobeno skutečností, že molekuly v ideálním plynu vzájemně nereagují. Kinetická energie náhodného molekulárního pohybu je rozhodující pro vnitřní (U). Abychom mohli vypočítat U monatomického plynu o hmotnosti m, musíme vynásobit kinetickou energii (průměrného) prvního atomu celkovým počtem všech atomů. Je však třeba mít na paměti, že kNA = R. Na základě údajů, které máme, získáme následující vzorec: U = 2/3 x m / M x RT, kde vnitřní energie je přímo úměrná absolutní teplotě. Všechny změny v U jsou určeny pouze hodnotou T (teplota) měřenou v počátečním a konečném stavu plynu a přímo nesouvisejí s objemem. To je způsobeno skutečností, že interakce potenciální energie je 0 a vůbec není závislá na jiných systémových parametrech makroskopických objektů. Při komplexnějších molekulách bude mít ideální plyn také vnitřní energii přímo úměrnou absolutní teplotě. Musím však říci, že v tomto případě se změní faktor proporcionality mezi U a T. Koneckonců, složité molekuly nejen progresivní pohyb ale také rotační. Vnitřní energie se rovná součtu těchto pohybů molekul.

Na čem závisí U?

Vnitřní energie je ovlivněna jedním z makroskopických parametrů. To je teplota. V reálných plynech, kapalinách a pevných látkách, potenciální energie (průměr) ve vzájemné interakci molekul není rovna nule. Ačkoli, přesněji, pro plyny je mnohem menší než kinetická (průměrná). Současně pro pevná a kapalná tělesa - srovnatelná s nimi. Avšak průměr U závisí na V substanci, protože během jeho změny se průměrná vzdálenost mezi molekulami také změní. Z toho vyplývá, že v termodynamice vnitřní energie závisí nejen na teplotě T, ale také na V (objem). Jejich hodnota jednoznačně určuje stav těl, a tudíž U.

Světový oceán

Je obtížné si představit, jaké neuvěřitelně velké zásoby energie obsahuje Světový oceán. Zvažte, co představuje vnitřní energie vody. Mělo by být poznamenáno, že je také tepelné, protože vzniklo v důsledku přehřátí kapalné části oceánu. Rozdíl, například o 20 stupňů vzhledem k dolní vodě, získá hodnotu přibližně 10-26 J. Při měření proudů v oceánu se odhaduje, že jeho kinetická energie je asi 10-18 J.

Globální problémy

Existují globální problémy, které lze nalézt na globální úrovni. Patří sem:

- vyčerpání zásob fosilních paliv (zejména ropy a plynu);

- významné znečištění životního prostředí spojené s používáním těchto minerálů;

- tepelné "znečištění" a celkový nárůst koncentrace atmosférického oxidu uhličitého, který ohrožuje globální klimatické škody;

- využívání rezerv uranu vedoucí k vzniku radioaktivního odpadu, které mají velmi negativní dopad na živobytí všech živých bytostí;

- použití termonukleární energie.

Závěr

Všechny tyto nejistoty ohledně očekávání důsledků, které přicházejí všemi prostředky, pokud nepřestanete spotřebovat energii vyrobenou tímto způsobem, činí vědci a inženýři věnovat téměř veškerou pozornost řešení tohoto problému. Jejich hlavním úkolem je najít optimální zdroj energie. Je také důležité zapojit různé přírodní procesy. Mezi nejvýznamnější zájem patří: slunce, nebo spíše sluneční teplo, vítr a energie v oceánech. V mnoha zemích jsou moře a oceány již dlouho považovány za zdroj energie a jejich vyhlídky jsou čím dál slibnější. Oceán je plný mnoha tajemství, její vnitřní energie je bezedné bohatství možností. Pouhá skutečnost, že kolik způsobů získávání energie nám poskytuje (jako jsou oceánské proudy, přílivová energie, tepelná energie a další), nás přemýšlí o své velikosti.