Cos'è l'energia interna?

La termodinamica come disciplina fu formata dalla metà del 19 ° secolo. Questo è successo dopo la scoperta della legge sulla conservazione dell'energia. Esiste una connessione definita tra termodinamica e cinetica molecolare. Qual è il posto nella teoria dell'energia interna? Considera questo nell'articolo.

Meccanica statistica e termodinamica

La teoria scientifica originale dei processi termici non era molecolare-cinetica. Il primo era la termodinamica. Si è formato nel processo di studio delle condizioni ottimali per l'applicazione del calore al lavoro. Questo avvenne a metà del XIX secolo, prima che venisse riconosciuta la cinetica molecolare. Ad oggi, sia la termodinamica che la teoria cinetica molecolare sono utilizzate in ingegneria e scienza. Quest'ultimo nella fisica teorica è chiamato meccanica statistica. Lei, insieme alla termodinamica, esplora gli stessi fenomeni usando metodi diversi. Queste due teorie si completano a vicenda. La base della termodinamica è costituita da due delle sue leggi. Entrambi si riferiscono al comportamento dell'energia e sono stabiliti empiricamente. Queste leggi sono valide per qualsiasi sostanza, indipendentemente dalla struttura interna. La scienza più approfondita e più accurata è considerata una meccanica statistica. Rispetto alla termodinamica, è più complesso. È usato nel caso in cui le relazioni termodinamiche risultino insufficienti per la spiegazione dei fenomeni studiati.

Teoria cinetica molecolare

Entro la metà del 19 ° secolo, è stato dimostrato che, insieme all'energia meccanica, c'è un'energia interna di corpi macroscopici. È incluso nel bilancio delle trasformazioni energetiche naturali. Dopo che l'energia interna è stata scoperta, è stata formulata una dichiarazione sulla sua conservazione e trasformazione. Mentre il disco scivola sul ghiaccio si ferma sotto l'influenza della forza di attrito, la sua cinetica energia (meccanica) non solo cessa di esistere, ma viene trasferito alle molecole del disco e del ghiaccio. Quando si spostano, le irregolarità delle superfici dei corpi soggetti ad attrito si deformano. In questo caso, aumenta l'intensità del movimento di molecole casuali. Quando entrambi i corpi sono riscaldati, l'energia interna aumenta. È facile osservare e invertire la transizione. Quando l'acqua viene riscaldata in un tubo chiuso, l'energia interna (e il suo e il vapore risultante) iniziano ad aumentare. La pressione aumenterà, provocando l'espulsione della spina. L'energia interna del vapore causerà un aumento di energia cinetica. Nel processo di espansione del vapore fa lavoro. Allo stesso tempo, la sua energia interna diminuisce. Di conseguenza, il vapore viene raffreddato.

Energia interna. Informazioni generali

Con il movimento casuale di tutte le molecole, la somma delle loro energie cinetiche, così come le potenziali energie delle loro interazioni, costituisce l'energia interna. Data la posizione delle molecole relative l'una all'altra e il loro movimento, è quasi impossibile calcolare questa quantità. Ciò è dovuto all'enorme numero di elementi nei corpi macroscopici. A questo proposito, è necessario essere in grado di calcolare il valore in base ai parametri macroscopici che possono essere misurati.

Gas monatomico

La sostanza è considerata piuttosto semplice nelle sue proprietà, poiché consiste di singoli atomi, non di molecole. Per i gas monatomici sono inclusi argon, elio, neon. Energia potenziale in questo caso è zero. Ciò è dovuto al fatto che le molecole in un gas ideale non interagiscono tra loro. L'energia cinetica del movimento molecolare casuale è decisiva per l'interno (U). Per calcolare l'U di un gas monatomico di massa m, dobbiamo moltiplicare l'energia cinetica del primo atomo (medio) per il numero totale di tutti gli atomi. Ma bisogna ricordare che kNA = R. Sulla base dei dati che abbiamo, otteniamo la seguente formula: U = 2/3 x m / M x RT, dove l'energia interna è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. Tutte le modifiche in U sono determinate solo da T (temperatura), misurate nello stato iniziale e finale del gas e non sono direttamente correlate al volume. Ciò è dovuto al fatto che l'interazione della sua energia potenziale è 0, e non dipende affatto da altri parametri di sistema di oggetti macroscopici. Con molecole più complesse, il gas ideale avrà anche energia interna direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. Ma devo dire che in questo caso il fattore di proporzionalità cambierà tra U e T. Dopotutto, le molecole complesse non solo movimento progressivo ma anche rotazionale. L'energia interna è uguale alla somma di questi movimenti di molecole.

Da cosa dipende U?

L'energia interna è influenzata da uno dei parametri macroscopici. Questa è la temperatura Nei gas reali, liquidi e solidi, l'energia potenziale (media) nell'interazione delle molecole non è uguale a zero. Anche se, per essere più precisi, per i gas è molto meno della cinetica (media). Allo stesso tempo, per corpi solidi e liquidi - paragonabili con esso. Ma la U media dipende dalla V della sostanza, perché durante il periodo del suo cambiamento cambia anche la distanza media tra le molecole. Da ciò consegue che nella termodinamica, l'energia interna dipende non solo dalla temperatura T, ma anche dalla V (volume). Il loro valore determina in modo univoco lo stato dei corpi e quindi U.

Oceano del mondo

È difficile immaginare quali incredibilmente grandi riserve di energia l'Oceano Mondiale contenga. Considera cosa costituisce l'energia interna dell'acqua. Va notato che è anche termico, perché è stato formato come risultato del surriscaldamento della parte liquida della superficie oceanica. Quindi, avendo una differenza, ad esempio, di 20 gradi rispetto all'acqua di fondo, acquisisce un valore di circa 10 ^ 26 J. Quando si misurano le correnti nell'oceano, la sua energia cinetica è stimata in circa 10 ^ 18 J.

Problemi globali

Ci sono problemi globali che possono essere messi a livello globale. Questi includono:

- esaurimento delle riserve di combustibili fossili (principalmente petrolio e gas);

- significativo inquinamento ambientale associato all'uso di questi minerali;

- "inquinamento" termico, oltre all'intero aumento della concentrazione di biossido di carbonio nell'atmosfera, che minaccia le violazioni climatiche globali;

- l'uso delle riserve di uranio, che portano alla comparsa di scorie radioattive, che ha un impatto molto negativo sui mezzi di sostentamento di tutti gli esseri viventi;

- l'uso di energia termonucleare.

conclusione

Tutta questa incertezza sull'aspettativa delle conseguenze, che con tutti i mezzi arriverà, se non smettete di consumare l'energia prodotta in tali modi, rende gli scienziati e gli ingegneri dedicare quasi tutta la loro attenzione alla risoluzione di questo problema. Il loro compito principale è trovare la fonte di energia ottimale ed è anche importante coinvolgere vari processi naturali. Tra questi il ​​più grande interesse sono: il sole, o meglio il calore solare, il vento e l'energia negli oceani. In molti paesi, i mari e gli oceani sono stati a lungo considerati una fonte di energia e le loro prospettive stanno diventando sempre più promettenti. L'oceano è pieno di molti segreti, la sua energia interna è una ricchezza infinita di possibilità. Il semplice fatto che quanti modi di estrarre energia ci fornisce (come le correnti oceaniche, l'energia delle maree, l'energia termica e altri), ci fa già riflettere sulla sua grandezza.