L; енергії та її збереження
Енергія та її збереження
Будь-яка область фізичних наук вводить концепція зенергія. Хоча ця концепція нещодавно (близько двох століть), вона значною мірою перевищила сферу компетенції фізичних наук, і не буде перебільшенням сказати, що вона обумовлює "порядок нашого життя на планеті Земля": чим менше "порушення "в енергопостачанні є джерелом конфліктів і швидкого втручання.
1. Поняття енергозбереження
Слово енергія походить від грецького energhia, що означає "сила в дії", тобто здатність виробляти рух.
Отже тіло, яке має енергію кінетичний (раніше називалась "живою силою") може сама по собі продовжувати рух, принаймні на певну відстань, навіть у стійкому середовищі (протидія руху).
Енергія потенціал (раніше її називали "мертвою силою") здатна виробляти рух, оскільки спонтанно, наприклад, падає важке необмежене тіло, заряджена частинка q не обмежений електричним потенціалом V () приводить в рух області меншої електричної енергії.
У механіці ми бачимо:
- що сили та кінетична енергія з’являються разом у теоремі про кінетичну енергію,
- що потенційна енергія пов'язана з поняттям консервативних сил, тобто сил, що зберігають механічну енергію.
Дуже швидко поняття механічної енергії виявилося недостатнім.
Оператор здійснює дію (силу) на систему, яка набуває механічної енергії. У ряді випадків виявляється, що робота оператора дорівнює механічній енергії, набутій системою.
Це задовільно для людського розуму, прив'язаного до поняття збереження: енергія, набута системою, була втрачена оператором, який зміг передати її (обміняти) завдяки роботі.
Як інтерпретувати, якщо робота оператора не дорівнює механічній енергії, що набуває система? Це трапляється, коли є "тертя, опір", а набрана механічна енергія завжди менше, ніж робота оператора.Чи зменшується енергія Всесвіту? Чи існує можливість спонтанного створення енергії, яка частково, повністю компенсує втрату енергії або навіть перевищує її, що призведе до збільшення енергії Всесвіту ?
Відповідь на ці запитання - Принцип енергозбереження.
2. Перший принцип термодинаміки
2.1. Зміна стану системи
шляхом обміну енергією у вигляді роботи зовнішніх сил оператора
| Газ укладений у ємність (циліндр), один з яких (поршень) твердих стінок є рухомим. Зовнішній оператор, діючи на поршень зусиллям, спричиняє зміщення останнього і, наприклад, зменшення об'єму, зайнятого газом. Відбудеться підвищення тиску газу і, як правило, зміна температури газу. |
Змінився стан газової системи.
Оператор зробив роботу, яка, з того, що ми дізналися від Механіки, є обміном енергією між газовою системою та зовнішнім оператором. Цей обмін енергією призводить до модифікації змінних стану.
за допомогою теплообміну (ми також називаємо теплообмін або теплообмін енергією)
Коли ми встановлюємо "контакт" тіла різної температури, ми виробляємо зміну стану цих тіл (зміна температур та/або фаз).
Вода в каструлі, що контактує з полум'ям палаючого газу, бачить, як підвищується її температура, а потім вона починає кипіти, тобто перетворюється на пару (газ).
Ми не можемо віднести ці зміни стану системи до обміну енергією у формі праці.
В даному випадку мова йде про теплові (або теплові) передачі.
Однак ми не повинні вірити, що ці два способи дії на систему можуть бути абсолютно рівнозначними: завдяки передачі тепла ми ніколи не можемо безпосередньо впливати на рух системи.
2.2. Принцип еквівалентності
Ми цілком здатні підвищити температуру води в горщику, рухаючи тверді лопаті (мішалку). Ми виробляємо ефекти, цілком порівнянні з ефектами, отриманими при передачі тепла, але цього разу шляхом обміну енергією у формі роботи.
Це ще один спосіб передачі тепла (тепла)обмінюватися енергією між різними системами ?
Питання довго обговорювалось у 19 столітті. Відповідь є частиною Принцип еквівалентності а саме те робота сили та тепла - це єдині два можливі способи обміну енергією між системами зачинено.
Творчість Ж. Джоуля в минулому столітті була вирішальною.
У калориметрі (ємності з водою, стінки якої можна ідеально ізолювати з теплової точки зору), Джоуль спочатку підвищував температуру, обмінюючись енергією у формі роботи (W подається в калориметр і зараховується позитивно), тоді він повертає калориметр у вихідний стан, охолоджуючи його теплообміном ззовні (тепло Питання був втрачений калориметром і зарахований негативно).
Вимірювання Джоуля на цьому експериментальному випадку показали це
Цей результат передбачає, що робота і тепло налічуються в одному блоці.
Насправді до Джоуля кількість тепла рахувалась у калоріях, калорія - це кількість тепла, необхідна для підняття 1g води з 14,5 до 15,5 ° С при нормальному атмосферному тиску.
Досліди Джоуля пов’язують одиницю роботи (тепер її називають Джоуль) з одиницею теплоти між 4.1855 і 4.1860. 1 кал = 4,18 джоулів
Результат, узагальнений для будь-якої системи, становить принцип еквівалентності який ми сформулюємо наступним чином:
"В експерименті, в якому не змінилося нічого, крім обсягу роботи та тепла, що обмінюються із зовнішнім середовищем, існує рівноцінність між роботою та теплом"
або
"Коли будь-яка закрита термодинамічна система зазнає цикл перетворень, що повертає її у початковий стан, сума роботи W і тепло Питання обмінюється дорівнює нулю "
2.3. Внутрішня енергія
Потреба у внутрішній енергії
| Будь-яка замкнута система, яка переходить із стану I у стан F шляхом обміну зовнішніми роботами W і тепло Питання, без зміни його механічної енергії. Уявімо собі кілька перетворень, зазначених 1, 2,. перейти від стану I до стану F і перетворення r, що повертає стан F до стану I. Ми застосовуємо принцип еквівалентності для різних циклів, а саме: . |
Кількість W + Питання не залежить від перетворення, що веде від стану I до стану F. Отже, це залежить лише від станів I і F, які враховуються змінними стану.
За визначенням, сума W + Питання є варіацієювнутрішня енергія U системи.
Визначається варіацією внутрішня енергія U відомий лише адитивній константі. Це залежить лише від стану системи.
Для системи в стані рівноваги, де змінні стану (тобто вимірювані параметри, що повідомляють про стан системи) є постійними та рівномірними, внутрішня енергія є функцією цих.
За визначенням ми називаємо функція держави функція змінних стану.
Занадто внутрішня енергія U є функція держави U = U (змінні стану)
Візуалізація внутрішньої енергії
Враховуючи те, що ми знаємо про будову речовини, кінетична енергія, яка звертається лише до макроскопічного аспекту системи, та потенційна енергія, яка є результатом взаємодії з іншими макроскопічними системами,внутрішня енергія є проста концепція в тому числі:
- "мікроскопічна" кінетична енергія частинок, що складають систему, у системі відліку, де частинки, як правило, перебувають у спокої,
- енергія взаємодій між частинками,
- енергія зв'язку молекул (хімічна енергія),
- енергія зв'язку складових частин атома (атомна або ядерна енергія).
З цього пункту випливає важлива властивість внутрішньої енергії: внутрішня енергія має a адитивний характер.
2.4. Перший принцип термодинаміки для замкнутої системи
- U внутрішня енергія є функцією стану; його варіація не залежить від перетворення і залежить лише від початкового та кінцевого станів.
- Внутрішня енергія має аддитивний характер.
- Термін W представляє робота сил, що виробляються зовнішнім оператором, які впливають на термодинамічний стан (змінні стану) системи і Питання являє собою тепло. Це два способи для замкнутої механічно ізольованої системи обмінюватися енергією з іншими системами, які називаються зовнішнім середовищем.
- Оскільки мова йде про біржі, це було б принципово неправильний призначити роботу та/або опалення певній системі.
- W і Питання залежать від перетворення, яке веде з початкового стану в кінцевий.
- Відповідно до Механіки, вони зараховуються позитивно для системи, якщо вони є отримано цим, негативно якщо вони є загублений (або наданий) системою.
- Очевидно, що взаємозв'язок вже не дійсний, якщо система зазнає "макроскопічних" змін механічної енергії.
або з є точним сумарним диференціалом.
є диференціальними формами, які не є точними сумарними диференціалами. Функції W і Питанняне існують.
3. Механіка та термодинаміка. Принцип енергозбереження
Ми завершили параграф 1 цієї глави низкою питань, на які ми можемо відповісти.
У “Механіці та термодинаміці” ми висловили, що коли одна система отримує або втрачає енергію (механічну чи внутрішню), інша система надає або отримує цю енергію.
У "Механіці" у випадку сил тертя ми зазначаємо, що відбувається систематична втрата механічної енергії, тобто робота сил тертя є негативною.
Що сталося з цією втраченою механічною енергією ?
Зауважте,
- з одного боку, що загальна енергія системи дорівнює,
- з іншого боку, що сили тертя виникають через те, що середовище протистоїть руху тіла; сили тертя не створюють руху, вони виникають внаслідок дії зовнішньої сили, яка викликає рух.
Виберіть як систематизувати все тіло у «вільному русі» та стійкому середовищі (поняття руху завжди відносне).
Дотримуючись того, що ми будемо називати "Принципом збереження енергії", втрата механічної енергії призводить до однакового збільшення внутрішньої енергії системи, якщо вона ізольована: загальна енергія системи зберігається. Той факт, що температури в системі зростають, підтверджує наші зауваження, але якщо вона не ізольована, відбудеться обмін енергією (часто у формі тепла) із зовнішнім середовищем, який буде дорівнює частині (доповнення буде зроблено збільшення внутрішньої енергії системи) або до будь-яких втрат механічної енергії (у цьому випадку температури залишаються постійними).
Примітки:
- у термодинаміці сили тертя слід розуміти як внутрішні сили,
- ми не можемо визначити розподіл внутрішнього приросту енергії між рухомим тілом та стійким середовищем (для цього нам потрібні додаткові знання про тертя),- робота сил тертя (втрата механічної енергії) не стає обов’язково тепло (ми бачимо, що це занадто часто пишеться, сприймається як само собою зрозуміле чи сказане, щоб не сильно привернути увагу читача).
Принцип енергозбереження.
Для системи, механічна енергія та внутрішня енергія якої може змінюватися, ми постулюємо про збереження енергії, а саме,
Отже, будь-яке збільшення (або зменшення) енергії однієї системи супроводжується рівним зменшенням (або рівним збільшенням) енергії інших систем.
Спонтанне створення енергії не існує.
У нашому сучасному світі ми споживаємо велику кількість внутрішньої енергії в хімічних (горіння) або ядерних реакціях. Ми перетворюємо цю енергію в теплових двигунах в механічну. Ми використовуємо цю енергію у такому вигляді або, після перетворення, у вигляді електричної енергії. Після використання ми маємо збільшення мікроскопічної механічної енергії нашого середовища. непридатний для використання.
Перший принцип термодинаміки для відкритої системи
Матерія містить енергію, тому існує ще одна можливість обміну енергією: обмін матеріалом. Тому наше написання принципу збереження енергії не поширюється на випадок обміну речовиною.
Передача енергії, що супроводжує обмін речовини, обговорюється в параграфі "Прості поняття про відкритих системах" глави "Міркування щодо теплових машин".
Функція держави нам знадобиться відразу ентальпія ,його фізичний зміст буде вказаний у цитованому параграфі.