WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Термодинаміка — форми енергії і процеси її перетво¬рення в природних і технологічних системах - Реферат

Термодинаміка — форми енергії і процеси її перетво¬рення в природних і технологічних системах - Реферат

.

Для одного моля будь-яких газів кількість молекул, а значить і об'єм, будуть однаковими, отже, разом з газовою сталою R вираз .

Висновок: температура прямо пропорційна внутрішній енергії системи: .

Наведена формула справедлива для одноатомних газів (Ne, Ar тощо), а для двохатомних замість коефіцієнта 3/2 беруть 5/2, оскільки в двохатомних газах до кінетичної енергії руху молекул додається обертальна.

Наведена формула свідчить, що за значення енергія молекул теж дорівнюватиме нулю, що може статися, однак, тільки за припинення їхнього руху. Це міркування використав англійський фізик Кельвін, опрацьовуючи абсолютну температурну шкалу (шкала термодинамічної температури Кельвіна). Різниця між шкалою термодинамічної температури Кельвіна і емпіричною шкалою Цельсія є суттєвою. Відомо, що за шкалою температур Цельсія за початок відрахунку (0°С) взято температуру плавлення (танення) льоду в "потрійній точці" фазової діаграми води (див. 2.1.3), що в ній енергії молекул (отже і температура) в агрегатних станах льоду, води і пари однакові. За шкалою Кельвіна це відповідає 273,15 К. "Потрійна точка" з високою достовірністю відтворюється експериментально.

Заведено вважати, що 1°С дорівнює 1 К, точніше 0,9997 К. Як правило, у практиці вимірювання температури більшості природних чи виробничих об'єктів такою різницею нехтують.

З'ясувавши зміст понять (термінів) енергія, теплота і температура, спинімося грунтовніше ще на одній формі енергії — роботі. Як фізична величина (див. 1.2.2) робота А характеризує явище переміщення маси m під дією сили F на відстань l. З власного досвіду маємо уявлення про механічну роботу, спостерігаючи переміщення в просторі макрооб'єктів. Наприклад, піднімаючи вантаж масою mв на висоту l, підйомний кран переборює гравітаційну силу земного тяжіння (тут g — прискорення тіла у вільному падінні) і виконує роботу .

За припинення руху вантажу на відстані l енергія кінетичної форми руху не зникає, а зберігається вже як потенційна (запасена) форма, зумовлена силою взаємотяжіння Землі й вантажу. Згідно із законом Ньютона сила тяжіння прямо пропорційна добутку маси вантажу і маси Землі і обернено — квадрату відстані між ними. Звільнений вантаж падає вниз, перетворюючи накопичену потенційну енергію знову в кінетичну енергію руху. Начебто все зрозуміло. Але допитлива людина поставить питання: чому за законом Ньютона ми не спостерігаємо руху Землі в напрямку піднятого тіла? Щоб помітити таке явище, треба б було виміряти прискорення Землі . Оскільки сила тяжіння вантажу до Землі така сама, як і Землі до вантажу, то можна записати , звідки . Висновок: прискорення вантажу (отже і швидкість руху) у стільки разів більше від прискорення Землі, у скільки разів маса Землі більша за масу вантажу. Зрозуміло, що швидкість зустрічного руху Землі до вантажу є зникаюче малою.

А що ж відбувається з кінетичною енергією вантажу, котрий падає, коли він стикається з поверхністю Землі чи якогось предмета? Кінетична енергія тіла (тут енергія удару), як ми можемо спостерігати, наприклад, у машинах для забивання будівельних свай у грунт, забезпечує рух сваї та нагрівання її та грунту.

А як теплова енергія руху атомів чи молекул тіла, наприклад газу, перетворюється в механічну роботу? Оскільки рух молекул газу неупорядкований і сумарний вектор напрямку дії їхніх сил дорівнює нулю, то необхідно забезпечити умови направленого руху, наприклад так, як це показано на рис. 13.

Рис. 13. Схема виконання роботи за розширення газу

Збільшуючи об'єм, газ пересуває поршень і виконує механічну роботу, переборюючи зовнішній атмосферний тиск і зменшуючи власну внутрішню енергію. При цьому, як було показано вище, його температура пропорційно теж зменшується. І знов запитання. Чи виконуватиметься робота будь-яким тілом (системою), якщо воно не буде натрапляти на зовнішній опір, наприклад, за розширення газу?

Питання цікаве. Ще на початку минулого сторіччя Гей-Люссак продемонстрував дослід, що в ньому стиснене повітря переходило з однієї посудини в іншу, де повітря не було. На подив присутніх температура повітря не змінилася. Отже, як ми тепер знаємо, не змінилася внутрішня енергія і робота не виконувалась. Пізніше німецький лікар Роберт Майєр пояснив це явище, довівши, що робота і теплота можуть еквівалентно перетворюватись одна в одну. Було помічено, що за нагрівання однакової кількості газу до однакової температури в закритій посудині витрачається менше тепла, ніж тоді, коли газ може розширюватись , наприклад у трубці з поршнем. Отже, теплоємність газу за сталого об'єму Сυ є меншою, ніж за зміни об'єму і сталого тиску Ср. Різниця (в калоріях) у перерахунку на один моль газу і один градус підвищення температури становила незалежно від природи газу. З цього випливає, що за р — const приріст об'єму на і температури на 1°Секвівалентний роботі, тобто , звідси .

Запишемо отримане рівняння відносно газової сталої так:

, де .

Таким чином, за підвищення температури газу на 1°С(чи ІК) і р — const маємо , де — робота розширення газу і водночас різниця енергії, витраченої на підігрів газу за V — const і P — const . Отже, маємо підстави записати: .

Оскільки за рівнянням газового закону стала R дорівнює , що відповідає механічній роботі 0,846, то, пoставивши знак рівняння між двома однаковими значеннями R і розв'язавши вираз відносно 1 калорії, отримаємо:

; .

Так був встановлений механічний еквівалент тепла.

Зробимо висновки: 1) без спрямованого руху не відбувається робота; 2) теплота, як і робота, не є властивістю матерії чи системи, а є тільки проявом (характеристикою) явища передавання енергії;

3) про теплоту і роботу можна говорити тільки як про дві форми передавання енергії руху з однієї системи до іншої. Саме цей процес передавання енергії руху є тим суттєвим, що об'єднує обидва поняття. Різниця між ними полягає в рівні впорядкованості передавання енергії: робота є впорядкованою (спрямованою) формою передавання руху від однієї системи до іншої, а теплота, навпаки, — це передача хаотичного (неспрямованого) руху молекул від нагрітого тіла холодному. Завдання термодинаміки — визначити умови, коли енергія у формі теплоти за її передавання від однієї системи до іншої може трансформуватись у якусь форму роботи.

Література

  1. Колотило Д. М. К 61 Екологія і економіка: Навч. посібник. — К.: КНЕУ, 1999.

Loading...

 
 

Цікаве