És convenient tenir en compte un fenomen físic o una classe de fenòmens en particular utilitzant models de diferents graus d'aproximació. Per exemple, quan es descriu el comportament d'un gas, s'utilitza un model físic: un gas ideal.
Qualsevol model té límits d'aplicabilitat, més enllà dels quals cal perfeccionar-lo o aplicar opcions més complexes. Aquí considerem un cas senzill de descripció de l'energia interna d'un sistema físic basat en les propietats més essencials dels gasos dins d'uns determinats límits.
Gasolina ideal
Aquest model físic, per la comoditat de descriure alguns processos fonamentals, simplifica un gas real de la següent manera:
- Oblida la mida de les molècules de gas. Això vol dir que hi ha fenòmens per als quals aquest paràmetre no és essencial per a una descripció adequada.
- Descuida les interaccions intermoleculars, és a dir, accepta que en els processos del seu interès apareixen en intervals de temps insignificants i no afecten l'estat del sistema. En aquest cas, les interaccions tenen la naturalesa d'un impacte absolutament elàstic, en el qual no hi ha pèrdua d'energiadeformació.
- Oblida la interacció de les molècules amb les parets del tanc.
- Suposem que el sistema "dipòsit de gas" es caracteritza per un equilibri termodinàmic.
Aquest model és adequat per descriure gasos reals si les pressions i les temperatures són relativament baixes.
Estat energètic d'un sistema físic
Qualsevol sistema físic macroscòpic (cos, gas o líquid en un recipient) té, a més de la seva pròpia cinètica i potencial, un tipus més d'energia: interna. Aquest valor s'obté sumant les energies de tots els subsistemes que formen el sistema físic: les molècules.
Cada molècula d'un gas també té la seva pròpia energia potencial i cinètica. Aquest últim es deu al moviment tèrmic caòtic continu de les molècules. Les diferents interaccions entre ells (atracció elèctrica, repulsió) estan determinades per l'energia potencial.
S'ha de recordar que si l'estat energètic de qualsevol part del sistema físic no té cap efecte sobre l'estat macroscòpic del sistema, no es té en compte. Per exemple, en condicions normals, l'energia nuclear no es manifesta en canvis en l'estat d'un objecte físic, per la qual cosa no cal tenir-la en compte. Però a altes temperatures i pressions, això ja és necessari.
Així, l'energia interna del cos reflecteix la naturalesa del moviment i la interacció de les seves partícules. Això vol dir que el terme és sinònim del terme d'ús habitual "energia tèrmica".
Gas ideal monoatòmic
Els gasos monoatòmics, és a dir, aquells els àtoms dels quals no es combinen en molècules, existeixen a la natura: són gasos inerts. Gasos com l'oxigen, el nitrogen o l'hidrogen només poden existir en aquest estat en condicions en què es gasta energia des de l'exterior per renovar constantment aquest estat, ja que els seus àtoms són químicament actius i tendeixen a combinar-se en una molècula.
Considerem l'estat energètic d'un gas ideal monoatòmic col·locat en un recipient d'algun volum. Aquest és el cas més senzill. Recordem que la interacció electromagnètica dels àtoms entre ells i amb les parets del vas, i, en conseqüència, la seva energia potencial és insignificant. Per tant, l'energia interna d'un gas només inclou la suma de les energies cinètiques dels seus àtoms.
Es pot calcular multiplicant l'energia cinètica mitjana dels àtoms d'un gas pel seu nombre. L'energia mitjana és E=3/2 x R / NA x T, on R és la constant del gas universal, NA és el nombre d'Avogadro, T és la temperatura absoluta del gas. El nombre d'àtoms es calcula multiplicant la quantitat de matèria per la constant d'Avogadro. L'energia interna d'un gas monoatòmic serà igual a U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Aquí m és la massa i M és la massa molar del gas.
Suposem que la composició química del gas i la seva massa sempre romanen iguals. En aquest cas, com es desprèn de la fórmula que hem obtingut, l'energia interna depèn només de la temperatura del gas. Per al gas real, caldrà tenir en compte, a més detemperatura, canvi de volum ja que afecta l'energia potencial dels àtoms.
Gasos moleculars
A la fórmula anterior, el número 3 caracteritza el nombre de graus de llibertat de moviment d'una partícula monoatòmica: està determinat pel nombre de coordenades a l'espai: x, y, z. Per a l'estat d'un gas monoatòmic, no importa gens si els seus àtoms giren.
Les molècules són esfèricament asimètriques, per tant, a l'hora de determinar l'estat energètic dels gasos moleculars, cal tenir en compte l'energia cinètica de la seva rotació. Les molècules diatòmiques, a més dels graus de llibertat indicats associats amb el moviment de translació, tenen dos més associats amb la rotació al voltant de dos eixos mútuament perpendiculars; les molècules poliatòmiques tenen tres eixos de rotació independents. En conseqüència, les partícules de gasos diatòmics es caracteritzen pel nombre de graus de llibertat f=5, mentre que les molècules poliatòmiques tenen f=6.
A causa de l'aleatorietat inherent al moviment tèrmic, totes les direccions del moviment de rotació i de translació són absolutament igual de probables. L'energia cinètica mitjana aportada per cada tipus de moviment és la mateixa. Per tant, podem substituir el valor de f a la fórmula, que ens permet calcular l'energia interna d'un gas ideal de qualsevol composició molecular: U=f / 2 x m / M x RT.
Per descomptat, veiem a partir de la fórmula que aquest valor depèn de la quantitat de substància, és a dir, de quant i quin tipus de gas hem pres, així com de l'estructura de les molècules d'aquest gas. No obstant això, ja que vam acordar no canviar la massa i la composició química, tingueu en comptenomés necessitem temperatura.
Ara mirem com es relaciona el valor de U amb altres característiques del gas: el volum, així com la pressió.
Energia interna i estat termodinàmic
La temperatura, com ja sabeu, és un dels paràmetres de l'estat termodinàmic del sistema (en aquest cas, gas). En un gas ideal, està relacionat amb la pressió i el volum mitjançant la relació PV=m / M x RT (l'anomenada equació de Clapeyron-Mendeleev). La temperatura determina l'energia tèrmica. Així, aquest últim es pot expressar en termes d'un conjunt d' altres paràmetres d'estat. És indiferent a l'estat anterior, així com a la manera com es va canviar.
Vem com canvia l'energia interna quan el sistema passa d'un estat termodinàmic a un altre. El seu canvi en qualsevol transició d'aquest tipus està determinat per la diferència entre els valors inicials i finals. Si el sistema torna al seu estat original després d'algun estat intermedi, aleshores aquesta diferència serà igual a zero.
Suposem que hem escalfat el gas del dipòsit (és a dir, que hi hem aportat energia addicional). L'estat termodinàmic del gas ha canviat: la seva temperatura i pressió han augmentat. Aquest procés passa sense canviar el volum. L'energia interna del nostre gas ha augmentat. Després d'això, el nostre gas va renunciar a l'energia subministrada i es va refredar fins al seu estat original. Un factor com, per exemple, la velocitat d'aquests processos, no importarà. El canvi resultant en l'energia interna del gas a qualsevol velocitat d'escalfament i refrigeració és zero.
El punt important és que el mateix valor d'energia tèrmica pot correspondre no a un, sinó a diversos estats termodinàmics.
La naturalesa del canvi en l'energia tèrmica
Per canviar l'energia, cal treballar. El treball es pot fer pel propi gas o per una força externa.
En el primer cas, la despesa d'energia per a la realització del treball es deu a l'energia interna del gas. Per exemple, teníem gas comprimit en un dipòsit amb un pistó. Si s'allibera el pistó, el gas en expansió començarà a aixecar-lo, fent feina (perquè sigui útil, deixeu que el pistó aixequi algun tipus de càrrega). L'energia interna del gas disminuirà en la quantitat gastada en el treball contra la gravetat i les forces de fricció: U2=U1 – A. En aquest cas cas, el treball del gas és positiu perquè la direcció de la força aplicada al pistó és la mateixa que la direcció del moviment del pistó.
Comencem a baixar el pistó, fent feina contra la força de la pressió del gas i de nou contra les forces de fricció. Així, informarem al gas d'una determinada quantitat d'energia. Aquí, el treball de les forces externes ja es considera positiu.
A més del treball mecànic, també hi ha una manera d'agafar energia del gas o donar-li energia, com ara la transferència de calor (transferència de calor). Ja l'hem conegut en l'exemple d'escalfar un gas. L'energia transferida al gas durant els processos de transferència de calor s'anomena quantitat de calor. Hi ha tres tipus de transferència de calor: conducció, convecció i transferència radiativa. Mirem-los més de prop.
Conductivitat tèrmica
La capacitat d'una substància per intercanviar calor,realitzat per les seves partícules transferint energia cinètica entre si durant col·lisions mútues durant el moviment tèrmic: aquesta és la conductivitat tèrmica. Si s'escalfa una determinada àrea de la substància, és a dir, se li imparteix una certa quantitat de calor, l'energia interna al cap d'un temps, mitjançant col·lisions d'àtoms o molècules, es distribuirà de mitjana entre totes les partícules de manera uniforme.
És clar que la conductivitat tèrmica depèn fortament de la freqüència de col·lisions, i això, al seu torn, de la distància mitjana entre partícules. Per tant, un gas, especialment un gas ideal, es caracteritza per una conductivitat tèrmica molt baixa, i aquesta propietat s'utilitza sovint per a l'aïllament tèrmic.
Dels gasos reals, la conductivitat tèrmica és més alta per a aquells les molècules dels quals són les més lleugeres i alhora poliatòmiques. L'hidrogen molecular compleix aquesta condició en la major mesura, i el radó, com el gas monoatòmic més pesat, en la menor mesura. Com més rar és el gas, pitjor conductor de calor és.
En general, la transferència d'energia per conducció tèrmica per a un gas ideal és un procés molt ineficient.
Convecció
Molt més eficient per a un gas és aquest tipus de transferència de calor, com la convecció, en què l'energia interna es distribueix a través del flux de matèria que circula pel camp gravitatori. El flux ascendent de gas calent es forma a causa de la força d'Arquimedia, ja que és menys dens a causa de l'expansió tèrmica. El gas calent que es mou cap amunt es substitueix constantment per gas més fred: s'estableix la circulació dels fluxos de gas. Per tant, per tal d'assegurar un escalfament eficient, és a dir, l'escalfament més ràpid per convecció, cal escalfar el dipòsit de gas des de sota, igual que un bullidor d'aigua amb aigua.
Si cal treure una mica de calor del gas, llavors és més eficient col·locar la nevera a la part superior, ja que el gas que donava energia a la nevera baixarà ràpidament sota la influència de la gravetat..
Un exemple de convecció en gas és l'escalfament de l'aire interior mitjançant sistemes de calefacció (es col·loquen a l'habitació el més baix possible) o la refrigeració mitjançant un aparell d'aire condicionat, i en condicions naturals, el fenomen de la convecció tèrmica provoca el moviment de les masses d'aire i afecta el temps i el clima.
En absència de gravetat (amb ingravidesa en una nau espacial), no s'estableix la convecció, és a dir, la circulació dels corrents d'aire. Per tant, no té sentit encendre cremadors de gas o llumins a bord de la nau espacial: els productes de combustió calents no es descarregaran cap amunt i es subministrarà oxigen a la font de foc i la flama s'apagarà..
Transferència radiant
Una substància també es pot escalfar sota l'acció de la radiació tèrmica, quan els àtoms i les molècules adquireixen energia absorbint quants electromagnètics: fotons. A baixes freqüències de fotons, aquest procés no és gaire eficient. Recordeu que quan obrim un forn de microones trobem menjar calent a dins, però no aire calent. Amb un augment de la freqüència de radiació, l'efecte de l'escalfament per radiació augmenta, per exemple, a l'atmosfera superior de la Terra, un gas altament enrarit s'escalfa intensament iionitzat per l'ultraviolat solar.
Diferents gasos absorbeixen la radiació tèrmica en diferents graus. Així, l'aigua, el metà, el diòxid de carboni l'absorbeixen amb força. El fenomen de l'efecte hivernacle es basa en aquesta propietat.
La primera llei de la termodinàmica
En termes generals, el canvi d'energia interna mitjançant l'escalfament de gas (transferència de calor) també es redueix a fer treballs sobre les molècules de gas o sobre elles mitjançant una força externa (que es denota de la mateixa manera, però al contrari. signe). Quina feina es fa en aquesta via de transició d'un estat a un altre? La llei de conservació de l'energia ens ajudarà a respondre aquesta pregunta, més precisament, la seva concreció en relació al comportament dels sistemes termodinàmics -la primera llei de la termodinàmica.
La llei, o principi universal de conservació de l'energia, en la seva forma més generalitzada diu que l'energia no neix del no-res i no desapareix sense deixar rastre, sinó que només passa d'una forma a una altra. En relació a un sistema termodinàmic, s'ha d'entendre de tal manera que el treball realitzat pel sistema s'expressa en termes de la diferència entre la quantitat de calor impartida al sistema (gas ideal) i el canvi de la seva energia interna. En altres paraules, la quantitat de calor comunicada al gas es gasta en aquest canvi i en el funcionament del sistema.
Això s'escriu en forma de fórmules molt més fàcils: dA=dQ – dU, i en conseqüència, dQ=dU + dA.
Ja sabem que aquestes quantitats no depenen de la manera com es faci la transició entre estats. La velocitat d'aquesta transició i, com a resultat, l'eficiència depèn del mètode.
Pel que fa al segonl'inici de la termodinàmica, llavors estableix la direcció del canvi: la calor no es pot transferir d'un gas més fred (i, per tant, menys energètic) a un de més calent sense aportar energia addicional des de l'exterior. La segona llei també indica que part de l'energia gastada pel sistema per realitzar el treball es dissipa inevitablement, es perd (no desapareix, sinó que es converteix en una forma inutilitzable).
Processos termodinàmics
Les transicions entre els estats energètics d'un gas ideal poden tenir diferents patrons de canvi en un o altre dels seus paràmetres. L'energia interna en els processos de transicions de diferents tipus també es comportarà de manera diferent. Considerem breument diversos tipus d'aquests processos.
- El procés isocòric transcorre sense canvi de volum, per tant, el gas no funciona. L'energia interna del gas canvia en funció de la diferència entre les temperatures final i inicial.
- El procés isobàric es produeix a pressió constant. El gas funciona, i la seva energia tèrmica es calcula de la mateixa manera que en el cas anterior.
- El procés isotèrmic es caracteritza per una temperatura constant i, per tant, l'energia tèrmica no canvia. La quantitat de calor que rep el gas es gasta íntegrament en la feina.
- El procés adiabàtic, o adiabàtic, té lloc en un gas sense transferència de calor, en un dipòsit aïllat tèrmicament. El treball es fa només a costa de l'energia tèrmica: dA=- dU. Amb la compressió adiabàtica, l'energia tèrmica augmenta, amb l'expansió, respectivamentdecreixent.
Diversos isoprocessos subjacents al funcionament dels motors tèrmics. Així, el procés isocòric té lloc en un motor de gasolina a les posicions extremes del pistó al cilindre, i la segona i tercera carrera del motor són exemples de procés adiabàtic. Quan s'obtenen gasos liquats, l'expansió adiabàtica juga un paper important; gràcies a això, es fa possible la condensació de gasos. Els isoprocessos dels gasos, en l'estudi dels quals no es pot prescindir del concepte d'energia interna d'un gas ideal, són característics de molts fenòmens naturals i s'utilitzen en diverses branques de la tecnologia.
