Көп атомды газдың ішкі энергиясы

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасы Білім және Ғылым Министрлігі

Семей қаласының Шәкәрім атындағы мемлекеттік университеті

Инженерлік-технологиялық факультет

(факультет атауы)

Техникалық физика және жылуэнергетика

(кафедраның атауы)

5В071700- «Жылуэнергетика»

(шифр, мамандықтың атауы)

СӨЖ

Жылу техникасының теориялық негіздері

(пән аты)

Орындаған: Тексерген:

ТЭ-701 тобының студенті: аға оқытушы: Шалаганова А. Н.

Асанова Н.

Семей

2018 ж.

МАЗМҰНЫ

Кіріспе3

1 Энергия және оның түрлері4

2 Ішкі энергия5

2. 1 Көп атомды газдың ішкі энергиясы6

2. 2 Ішкі энегияны өзгерту әдістері7

Қорытынды9

Пайдаланған әдебиеттер:10

Кіріспе

Дененің механикалық энергиясынан басқа, ішкі энергиясы да болады. Газдың молекулалары мен атомдары үздіксіз ретсіз қозғалыста болады және олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің шамасы өте аз. Газдардың ішкі энергиясы дегенде, оның бөлшектері қозғалысының кинетикалық энергиясын айтады. Сұйықтар мен қатты денелердің молекулалары мен атомдары ілгерілмелі қозғалыс жасайды және өзара әрекеттеседі. Сондықтан сұйықтардың, қатты заттардың және газдардың ішкі энергиясы олардың бөлшектері қозғалысының бір мезгілде кинетикалық бірде потенциалдық энергияларын түсінеміз. Дененің ішкі энергиясы деп денені құрайтын бөлшектердің ретсіз қозғалысының энергиясы мен олардың өзара әрекеттесу энергиясын айтады. Дәлірек айтқанда, ішкі энергияға, сонымен қатар дене ішіндегі бөлшектер қозғалысының басқа да түрлеріне байланысты энергияны жатқызады, олар: химиялық энергия, атом энергиясы, ядроның ішкі энергиясы. Бірақ молекулалық физика мен термодинамикада жылу құбылыстарын зерделегенде, молекулалардың тек кинетикалық және потенциалдық энергияларының өзгеруі болатын құбылыстар ғана қарастырылады. Сондықтан дененің ішкі энергиясы туралы айтқанда, біз төмендегі анықтамаға сүйенеміз.

Дененің барлық молекулаларының жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясы мен өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясының қосындысын дененің ішкі энергиясы деп атайды [1] .

1 Энергия және оның түрлері

Энергия - материя қозғалысының әртүрлі формасының жалпы өлшеуіші. тМатерия қозғалысының әртүрлі формалары бір-біріне айналып (түрленіп) отырады. 19 ғасырдың орта шенінде осы қозғалыстың барлық формалары бір-біріне белгілі бір сандық мөлшерде ғана айтылатындығы анықталды; осы жағдай “энергия” ұғымын енгізуге, яғни қозғалыстың әртүрлі физикалық формаларын бірыңғай өлшеуішпен өлшеуге мүмкіндік берді. “ Энергия” ұғымы сақталу заңына бағынады. Энергия туралы түсінік мәңгілік қозғалтқыш жасаудың мүмкін еместігін дәлелдеуге байланысты пайда болды. Жұмыстың қоршаған ортадағы немесе жүйедегі белгілі бір өзгерістің (отынның жануы, судың құлауы, т. б. ) нәтижесінде ғана орындалатындығы анықталды; дененің бір күйден басқа бір күйге ауысуы кезіндегі белгілі бір жұмыс істеу қабілеті оның энергиясы деп аталды.

Қозғалыстың әртүрлі формасына сәйкес энергияның да бірнеше түрі бар (мысалы, механикалық энергия, химиялық энергия, электромагниттік энергия, гравитациялық энергия, ядролық энергия, т. б. ) Физиканың даму процесінде энергия ұғымы нақтыланып әрі жалпыланып отырды. Энергия туралы ілімнің дамуындағы маңызды бір кезең үздіксіз ортадағы энергия қозғалысы мен “энергия ағыны” туралы ұғымның енгізілуі болды. Энергия ағыны деп энергия тығыздығы мен берілген ортадағы орын ауыстыру жылдамдығының көбейтіндісіне тең векторды айтады. Жалпы Энергияның екі түрі қарастырылады: потенциалдық және кинетикалық энергия. Потенциалдық энергия денелердің немесе дене бөліктерінің өзара алмасуынан пайда болады. Кинетикалық энергия дене қозғалысқа түскенде пайда болады. Дененің қозғалысымен байланысты энергия кинетикалық энергия деп аталады. Денені үдету үшін орындалатын жұмыс оның кинетикалық энергиясын арттырады, ал үдетілген денемен орындалатын жұмыс оның кинетикалық энергиясының төмендеуіне әкеледі. Дененің кинетикалық энергиясы дененің жылдамдығының квадратына тура пропорционал. Кинетикалық энергия бір денеден екінші денеге беріледі, сонымен қатар ол өзінің формасын өзгертеді. Бір қалыпты қозғалатын дененің кинетикалық энергиясын динамика мен кинематика теңдеулерін қолданып, денені үдету үшін жасалынатын жұмыс ретінде анықтауға болады.

Дененің потенциалдық энергиясы гравитациялық өрісте дене салмағы мен оның орналасқан биіктігінің көбейтіндісіне тең. Потенциалдық энергия белгілі бір деңгейге байланысты беріледі. Дененің энергиясының артуы мөлшері біз көтеретін биіктікпен салыстырғанда үлкен болып келетін, биіктігін анықтай алмайтын денелердің биіктігін ауырлық центрі арқылы анықтаймыз [2] . Кинетикалық және потенциалдық энергиядан басқа дененің ішкі энергиясын да қарастырамыз.

2 Ішкі энергия

Ішкі энергия - дененің (жүйенің) тек ішкі күйіне байланысты энергия. Ішкі энергияға дененің барлық микробөлшектерінің (молекулалардың, атомдардың, иондардың, т. б. ) ретсіз (хаосты) қозғалыстарының энергиясы, микробөлшектердің өзара әсерлесу энергиясы, атомдар мен молекулалардың ішкі энергиясы, т. б. жатады. Ішкі энергия ұғымын 1851 жылы У. Томсон енгізген. Дененің бір күйден екінші күйге ауысу барысындағы Ішкі энергиясының өзгерісі (ΔU) мынаған тең (1) :

ΔU=ΔQ-A (1)

Мұндағы Q - жүйенің қоршаған ортамен алмасқан жылу мөлшері, А - істелген жұмыс. Бұл теңдеу жылу алмасу процесі басты рөл атқаратын жүйелердегі энергияның сақталу және айналу заңын (термодинамиканың бірінші бастамасын) өрнектейді. Энергияның сақталу заңына сәйкес Ішкі энергия физикалық жүйе күйінің, яғни осы күйді анықтайтын тәуелсіз айнымалылардың (мысалы, температура, көлем не қысым), бір мәнді функциясы болады. Q және А шамаларының әрқайсысы жүйені Ішкі энергиясы U1-ге тең күйден U2-ге тең күйге ауыстыратын процестің сипатына тәуелді болады (2) :

ΔU=U2-U1 (2)

Жүйе бастапқы күйіне қайтып келетін (U2-U1) кез келген тұйық процесс үшін Ішкі энергияның өзгерісі (ΔU) нөлге тең. Адиабаттық процесте (қоршаған ортамен жылу алмасу болмаған, яғни Q=0 жағдайда) жүйенің Ішкі энергияның өзгерісі жүйенің істеген жұмысына не жүйеге жасалған жұмысқа тең. Газдардың кинетикалық теориясы бойынша идеал газдар Ішкі энергиясының өзгеруі нәтижесінде, температураға байланысты молекулалардың кинетикалық энергиясы өзгереді. Сондықтан идеал газдың (немесе қасиеттері сол идеал газға жуық газдардың) Ішкі энергиясының өзгерісі тек оның температурасының өзгерісімен анықталады (Джоуль заңы) . Бөлшектері өзара әсерлесетін физикалық жүйелерде (нақты газдарда, сұйықтықтарда, қатты денелерде) молекулааралық және молекула ішіндегі өзара әсер энергиялары да Ішкі энергияға жатады. Мұндай жүйелерде Ішкі энергия температурамен қатар қысым мен көлемге де тәуелді болады. Абс. нөлге жуық (-273, 16°С) төмен температуралар аймағында конденсацияланған жүйелер (сұйық және қатты дене) Ішкі энергиясының температураға тәуелділігі жойылып, ол белгілі бір тұрақты мәнге (U0) - “нөлдік энергия” дейтін мәнге ұмтылады (термодинамиканың үшінші бастамасы) . Ішкі энергия негізгі термодинамиқалық потенциалдардың бірі болып есептеледі.

2. 1 Көп атомды газдың ішкі энергиясы

Көп атомды газдың ішкі энергиясы дегеніміз - серпімдішариктер деп қарастыруға болатын молекулалардың ілгерілемелі қозғалыстың орташа кинетикалық энергиясы. Егер екі атомды газды алсақ, онда бізге атомдармен емес, молекулалармен жұмыс істеуге тура келеді, ал олар түрлене де алады. Сондықтан, екі атомды идеал газдың ішкі энергиясы молекулалардың ілгерлемелі қозғалысының кинетикалық энергиясы мен айналмалы қозғалысының кинетикалық энергиясының қосындысына тең [3] .

Бiр атомды газдың iшкi энергиясы. Идеал газдың барлық iшкi энергиясы оның молекулаларының қалыптаспаған қозғалысының кинетикалық энергиясы болып табылады. Массасы m бiр атомды газ үшiн ол бiр атомның орташа кинетикалық энергиясының жалпы атомдар санына көбейткенге тең. Бiр атомды идеал газдың iшкi энергиясы, молекулаларының өзара әсерлесуiнiң потенциалдық энергиясы нөлге тең болғандықтан, көлемге (қысымға) байланысты емес. Тек газ температурасының өзгеруiнiң есебiнен ғана газдың энергиясы өзгередi. Нақты газдар және сұйықтар үшiн молекулалардың орташа потенциалдық энергиясы нөлден өзгеше. Газдарда ол кинетикалық энергиямен салыстырғанда өте аз, ал сұйықтар мен қатты денелер үшiн кинетикалық энергиямен шамалас болып келедi. Демек, жалпы жағдайда, iшкi энергия потенциалдық энергия сияқты қозғалмалы ортаның көлемiне, температурасына тәуелдi болады. МКТ тұрғысынан макроскопиялық денелердің ішкі энергиясы U [Дж] - денені құрайтын бөлшектердің (молекулалардың, атомдардың, электрондардың, т. б. ) хаосты қозғалыстары мен өзара әсерлесуінің энергияларының қосындысы. Идеал газдың ішкі энергиясы оның молекулаларының тек жылулық қозғалысының кинетикалық энергияларының қосындысы болып табылады, өйткені идеал газ бөлшектерінің өзара әрекетін ескермеуге болады. Идеал газ - молекулалар арасындағы өзара әсер ескерілмейтін газ моделі.

Біратомды идеал газдың ішкі энергиясы (3) :

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ U = \frac{3}{2}\frac{m}{\mu}RT$ (3)

Екі атомды (мысалы, О2, H2, N2) газдардың ішкі энергиясын анықтайтын формула (4) :

$U = \frac{5}{2}\frac{m}{\mu}RT$ (4)

Үш және одан да көп атомды газдың ішкі энергиясын анықтайтын формула (5) :

$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ U = \frac{6}{2}\frac{m}{\mu}RT$ (5)

2. 2 Ішкі энегияны өзгерту әдістері

Дене молекулаларының қозғалыс жылдамдығы өзгергенде, демек дененің температурасы өзгергенде оның ішкі энергиясы да өзгереді. Дене молекулаларының қозғалыс жылдамдығын, яғни оның ішкі энергиясын дилатометр аспабын пайдаланып, бірқатар тәжірибелер арқылы өзгертуге болады. Дилатометр құралының құтысын алақан қызыуымен жылытамыз (1 сурет) .

Сурет 1. Дилатометр құралының құтысын алақан қызыуымен жылыту

Бұл кезде түтікшедегі боялған су тамшыларының солдан оңға қарай орын ауыстырғанын байқалады. Бұл - ауаны қыздырған кезде оның көлемінің ұлғаюы салдарынан болады. Ауаның қызуы оның молекулаларының ретсіз (жылулық) қозғалысы жылдамдығының, демек дененің ішкі энергиясының бір бөлігін құрайтын кинетикалық энергияның артуының дәлелі болып табылады. Құтыны бөлме температурасынан төмен температурадағы су құйылған ыдысқа орналастырамыз. Онда түтікшедегі су тамшысының солға қарай ауысатындығын байқауға болады. Бұл құтыдағы ауаның температурасының төмендегенін, демек молекулалардың ретсіз қозғалыс жылдамдығы мен олардың кинетикалық энергиясының кемігенін дәлелдейді.

Кинетикалық энергия мысалы, су молекулаларының кинетикалық энергиясы, яғни оның ішкі энергиясын шәугімді ыстық пешке қою немесе мұзды күннің көзіне қою арқылы арттырылуы мүмкін. Барлық аталған жағдайлардағы ауаның және судың ішкі энергиясының артуы немесе кемуі температура өзгерісіне тікелей байланысты. Зат температурасының өзгеруіне байланысты туындайтын процестер жылулық процестер дап аталады. Барлық жылулық процестер заттың ішкі энергиясының өзгеруімен байланысты өтеді.

Ішкі энергияны басқа жолмен өзгертуге болады.

- Тұрғыға бекітілген әрі манометрге жалғастырылған баллонды шұғамен ысқылайды. Бұдан манометр түтікшесіндегі сұйықтың деңгейі өзгергені байқалады. Бұл құбылыс, өз кезегінде ауа молекулаларында кинетикалық энергияның артуы салдарынан баллондағы ауанығң ұлғаюына байланысты болады. Тәжірибеде баллонды шұғамен ысқылағанда, істелген механикалық жұмыстың нәтижесінде ауаның ішкі энергиясы артады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.