Lebih mudah untuk mempertimbangkan fenomena fisik tertentu atau kelas fenomena menggunakan model dengan berbagai tingkat pendekatan. Misalnya, ketika menggambarkan perilaku gas, model fisik digunakan - gas ideal.
Model apa pun memiliki batas penerapan, di luar itu perlu disempurnakan atau opsi yang lebih kompleks diterapkan. Di sini kami mempertimbangkan kasus sederhana untuk menggambarkan energi internal sistem fisik berdasarkan sifat paling esensial dari gas dalam batas-batas tertentu.
Gas ideal
Model fisik ini, untuk memudahkan menjelaskan beberapa proses fundamental, menyederhanakan gas nyata sebagai berikut:
- Mengabaikan ukuran molekul gas. Ini berarti bahwa ada fenomena yang parameter ini tidak penting untuk deskripsi yang memadai.
- Mengabaikan interaksi antarmolekul, yaitu, menerima bahwa dalam proses yang menarik, interaksi tersebut muncul dalam interval waktu yang dapat diabaikan dan tidak mempengaruhi keadaan sistem. Dalam hal ini, interaksinya bersifat tumbukan elastik mutlak, di mana tidak ada kehilangan energi padadeformasi.
- Mengabaikan interaksi molekul dengan dinding tangki.
- Asumsikan bahwa sistem "reservoir gas" dicirikan oleh kesetimbangan termodinamika.
Model ini cocok untuk menggambarkan gas nyata jika tekanan dan suhunya relatif rendah.
Keadaan energi sistem fisik
Setiap sistem fisik makroskopik (benda, gas atau cairan dalam bejana), selain kinetik dan potensialnya sendiri, memiliki satu jenis energi lagi - internal. Nilai ini diperoleh dengan menjumlahkan energi dari semua subsistem yang membentuk sistem fisik - molekul.
Setiap molekul dalam gas juga memiliki energi potensial dan kinetiknya sendiri. Yang terakhir ini disebabkan oleh gerakan termal molekul yang kacau terus menerus. Berbagai interaksi di antara mereka (tarik listrik, tolakan) ditentukan oleh energi potensial.
Harus diingat bahwa jika keadaan energi dari setiap bagian dari sistem fisik tidak berpengaruh pada keadaan makroskopik sistem, maka itu tidak diperhitungkan. Misalnya, dalam kondisi normal, energi nuklir tidak memanifestasikan dirinya dalam perubahan keadaan benda fisik, sehingga tidak perlu diperhitungkan. Tetapi pada suhu dan tekanan tinggi, ini sudah diperlukan.
Dengan demikian, energi internal tubuh mencerminkan sifat gerakan dan interaksi partikel-partikelnya. Artinya, istilah ini identik dengan istilah "energi panas" yang umum digunakan.
Gas ideal monoatomik
Gas monoatomik, yaitu, mereka yang atomnya tidak digabungkan menjadi molekul, ada di alam - ini adalah gas inert. Gas seperti oksigen, nitrogen, atau hidrogen dapat berada dalam keadaan seperti itu hanya dalam kondisi ketika energi dikeluarkan dari luar untuk terus memperbarui keadaan ini, karena atom-atomnya aktif secara kimia dan cenderung bergabung menjadi molekul.
Mari kita perhatikan keadaan energi dari gas ideal monoatomik yang ditempatkan dalam bejana dengan volume tertentu. Ini adalah kasus yang paling sederhana. Kita ingat bahwa interaksi elektromagnetik atom antara mereka sendiri dan dengan dinding bejana, dan, akibatnya, energi potensialnya dapat diabaikan. Jadi energi internal gas hanya mencakup jumlah energi kinetik atom-atomnya.
Ini dapat dihitung dengan mengalikan energi kinetik rata-rata atom dalam gas dengan jumlahnya. Energi rata-rata adalah E=3/2 x R / NA x T, di mana R adalah konstanta gas universal, NA adalah bilangan Avogadro, T adalah suhu gas mutlak. Jumlah atom dihitung dengan mengalikan jumlah materi dengan konstanta Avogadro. Energi internal gas monoatomik akan sama dengan U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Di sini m adalah massa dan M adalah massa molar gas.
Asumsikan bahwa komposisi kimia gas dan massanya selalu sama. Dalam hal ini, seperti yang dapat dilihat dari rumus yang kita peroleh, energi internal hanya bergantung pada suhu gas. Untuk gas nyata, perlu diperhitungkan, selainsuhu, perubahan volume karena mempengaruhi energi potensial atom.
Gas molekuler
Dalam rumus di atas, angka 3 mencirikan jumlah derajat kebebasan gerak partikel monoatomik - ditentukan oleh jumlah koordinat dalam ruang: x, y, z. Untuk keadaan gas monoatomik, tidak masalah sama sekali apakah atomnya berotasi.
Molekul berbentuk bola asimetris, oleh karena itu, ketika menentukan keadaan energi gas molekuler, energi kinetik rotasinya perlu diperhitungkan. Molekul diatomik, selain derajat kebebasan yang terkait dengan gerak translasi, memiliki dua lagi yang terkait dengan rotasi di sekitar dua sumbu yang saling tegak lurus; molekul poliatomik memiliki tiga sumbu rotasi independen. Akibatnya, partikel gas diatomik dicirikan oleh jumlah derajat kebebasan f=5, sedangkan molekul poliatomik memiliki f=6.
Karena keacakan yang melekat pada gerakan termal, semua arah baik gerakan rotasi maupun translasi memiliki kemungkinan yang sama. Energi kinetik rata-rata yang disumbangkan oleh setiap jenis gerak adalah sama. Oleh karena itu, kita dapat mensubstitusi nilai f ke dalam rumus, yang memungkinkan kita menghitung energi dalam dari gas ideal dengan komposisi molekul apa pun: U=f / 2 x m / M x RT.
Tentu saja, kita melihat dari rumus bahwa nilai ini tergantung pada jumlah zat, yaitu berapa banyak dan jenis gas apa yang kita ambil, serta pada struktur molekul gas ini. Namun, karena kami sepakat untuk tidak mengubah massa dan komposisi kimia, maka pertimbangkankita hanya butuh suhu.
Sekarang mari kita lihat bagaimana nilai U berhubungan dengan karakteristik lain dari gas - volume, serta tekanan.
Energi dalam dan keadaan termodinamika
Suhu, seperti yang Anda ketahui, adalah salah satu parameter keadaan termodinamika sistem (dalam hal ini, gas). Dalam gas ideal, ini terkait dengan tekanan dan volume dengan hubungan PV=m / M x RT (yang disebut persamaan Clapeyron-Mendeleev). Suhu menentukan energi panas. Jadi yang terakhir dapat dinyatakan dalam satu set parameter keadaan lainnya. Itu tidak peduli dengan keadaan sebelumnya, serta cara mengubahnya.
Mari kita lihat bagaimana energi internal berubah ketika sistem berpindah dari satu keadaan termodinamika ke keadaan termodinamika lainnya. Perubahannya dalam transisi semacam itu ditentukan oleh perbedaan antara nilai awal dan akhir. Jika sistem kembali ke keadaan semula setelah beberapa keadaan peralihan, maka perbedaan ini akan sama dengan nol.
Misalkan kita telah memanaskan gas di dalam tangki (yaitu, kita telah membawa energi tambahan ke dalamnya). Keadaan termodinamika gas telah berubah: suhu dan tekanannya meningkat. Proses ini berjalan tanpa mengubah volume. Energi internal gas kita telah meningkat. Setelah itu, gas kami melepaskan energi yang dipasok, mendingin ke kondisi semula. Faktor seperti, misalnya, kecepatan proses ini, tidak akan menjadi masalah. Perubahan yang dihasilkan dalam energi internal gas pada setiap tingkat pemanasan dan pendinginan adalah nol.
Poin pentingnya adalah bahwa nilai energi panas yang sama dapat sesuai dengan bukan hanya satu, tetapi beberapa keadaan termodinamika.
Sifat perubahan energi panas
Untuk mengubah energi, usaha harus dilakukan. Usaha dapat dilakukan oleh gas itu sendiri atau oleh gaya luar.
Dalam kasus pertama, pengeluaran energi untuk kinerja pekerjaan disebabkan oleh energi internal gas. Misalnya, kami telah mengompres gas dalam tangki dengan piston. Jika piston dilepaskan, gas yang mengembang akan mulai mengangkatnya, melakukan pekerjaan (agar berguna, biarkan piston mengangkat semacam beban). Energi internal gas akan berkurang dengan jumlah yang dihabiskan untuk bekerja melawan gaya gravitasi dan gesekan: U2=U1 – A. Dalam hal ini kasus, kerja gas positif karena arah gaya yang diberikan pada piston sama dengan arah gerakan piston.
Mari kita mulai menurunkan piston, melakukan pekerjaan melawan gaya tekanan gas dan sekali lagi melawan gaya gesekan. Dengan demikian, kami akan memberi tahu gas tentang sejumlah energi tertentu. Di sini, kerja gaya eksternal sudah dianggap positif.
Selain kerja mekanik, ada juga cara untuk mengambil energi dari gas atau memberinya energi, seperti perpindahan panas (heat transfer). Kami telah bertemu dengannya dalam contoh memanaskan gas. Energi yang dipindahkan ke gas selama proses perpindahan panas disebut jumlah panas. Ada tiga jenis perpindahan panas: konduksi, konveksi, dan perpindahan radiasi. Mari kita lihat mereka lebih dekat.
Konduktivitas termal
Kemampuan suatu zat untuk menukar panas,dilakukan oleh partikelnya dengan mentransfer energi kinetik satu sama lain selama tumbukan timbal balik selama gerakan termal - ini adalah konduktivitas termal. Jika area tertentu dari zat dipanaskan, yaitu sejumlah panas diberikan padanya, energi internal setelah beberapa saat, melalui tumbukan atom atau molekul, akan didistribusikan di antara semua partikel rata-rata secara merata.
Jelas bahwa konduktivitas termal sangat bergantung pada frekuensi tumbukan, dan pada gilirannya, pada jarak rata-rata antar partikel. Oleh karena itu, gas, terutama gas ideal, dicirikan oleh konduktivitas termal yang sangat rendah, dan sifat ini sering digunakan untuk isolasi termal.
Dari gas nyata, konduktivitas termal lebih tinggi untuk mereka yang molekulnya paling ringan dan sekaligus poliatomik. Hidrogen molekuler paling memenuhi kondisi ini, dan radon, sebagai gas monoatomik terberat, paling sedikit. Semakin langka gasnya, semakin buruk konduktor panasnya.
Secara umum, transfer energi melalui konduksi termal untuk gas ideal adalah proses yang sangat tidak efisien.
Konveksi
Jauh lebih efisien untuk gas adalah jenis perpindahan panas ini, seperti konveksi, di mana energi internal didistribusikan melalui aliran materi yang beredar di medan gravitasi. Aliran gas panas ke atas terbentuk karena gaya Archimedean, karena kurang padat karena ekspansi termal. Gas panas yang bergerak ke atas terus-menerus digantikan oleh gas yang lebih dingin - sirkulasi aliran gas terbentuk. Oleh karena itu, untuk memastikan efisiensi, yaitu pemanasan tercepat melalui konveksi, tangki bensin perlu dipanaskan dari bawah - seperti ketel dengan air.
Jika perlu untuk menghilangkan sejumlah panas dari gas, maka lebih efisien untuk menempatkan lemari es di atas, karena gas yang memberi energi ke lemari es akan mengalir ke bawah di bawah pengaruh gravitasi.
Contoh konveksi dalam gas adalah pemanasan udara dalam ruangan menggunakan sistem pemanas (ditempatkan di dalam ruangan serendah mungkin) atau pendinginan menggunakan AC, dan dalam kondisi alami, fenomena konveksi termal menyebabkan pergerakan massa udara dan mempengaruhi cuaca dan iklim.
Dengan tidak adanya gravitasi (dengan bobot di pesawat ruang angkasa), konveksi, yaitu sirkulasi arus udara, tidak terbentuk. Jadi tidak masuk akal untuk menyalakan kompor gas atau korek api di pesawat ruang angkasa: produk pembakaran panas tidak akan dibuang ke atas, dan oksigen akan disuplai ke sumber api, dan nyala api akan padam.
Transfer Radiant
Suatu zat juga dapat memanas di bawah aksi radiasi termal, ketika atom dan molekul memperoleh energi dengan menyerap kuanta elektromagnetik - foton. Pada frekuensi foton rendah, proses ini tidak terlalu efisien. Ingatlah bahwa ketika kita membuka oven microwave, kita menemukan makanan panas di dalamnya, tetapi bukan udara panas. Dengan peningkatan frekuensi radiasi, efek pemanasan radiasi meningkat, misalnya, di atmosfer atas Bumi, gas yang sangat jarang dipanaskan secara intensif danterionisasi oleh ultraviolet matahari.
Gas yang berbeda menyerap radiasi termal dengan derajat yang berbeda-beda. Jadi, air, metana, karbon dioksida menyerapnya dengan cukup kuat. Fenomena efek rumah kaca didasarkan pada sifat ini.
Hukum pertama termodinamika
Secara umum, perubahan energi internal melalui pemanasan gas (perpindahan panas) juga terjadi karena melakukan kerja pada molekul gas atau pada mereka melalui gaya eksternal (yang dilambangkan dengan cara yang sama, tetapi dengan kebalikannya tanda). Usaha apa yang dilakukan dengan cara transisi ini dari satu keadaan ke keadaan lain? Hukum kekekalan energi akan membantu kita menjawab pertanyaan ini, lebih tepatnya, konkretisasinya dalam kaitannya dengan perilaku sistem termodinamika - hukum pertama termodinamika.
Hukum, atau prinsip universal kekekalan energi, dalam bentuknya yang paling umum mengatakan bahwa energi tidak lahir dari ketiadaan dan tidak hilang tanpa jejak, tetapi hanya berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sehubungan dengan sistem termodinamika, ini harus dipahami sedemikian rupa sehingga kerja yang dilakukan oleh sistem dinyatakan dalam perbedaan antara jumlah panas yang diberikan ke sistem (gas ideal) dan perubahan energi internalnya. Dengan kata lain, jumlah panas yang dikomunikasikan ke gas dihabiskan untuk perubahan ini dan untuk pengoperasian sistem.
Ini ditulis dalam bentuk rumus yang jauh lebih mudah: dA=dQ – dU, dan karenanya, dQ=dU + dA.
Kita telah mengetahui bahwa besaran-besaran ini tidak bergantung pada cara transisi antar keadaan dibuat. Kecepatan transisi ini dan, sebagai hasilnya, efisiensi bergantung pada metodenya.
Adapun yang keduaawal termodinamika, maka ia menetapkan arah perubahan: panas tidak dapat dipindahkan dari gas yang lebih dingin (dan karenanya kurang energik) ke gas yang lebih panas tanpa masukan energi tambahan dari luar. Hukum kedua juga menunjukkan bahwa bagian dari energi yang dikeluarkan oleh sistem untuk melakukan pekerjaan pasti hilang, hilang (tidak hilang, tetapi berubah menjadi bentuk yang tidak dapat digunakan).
Proses termodinamika
Transisi antara keadaan energi gas ideal dapat memiliki pola perubahan yang berbeda dalam satu atau lain parameternya. Energi internal dalam proses transisi dari berbagai jenis juga akan berperilaku berbeda. Mari kita pertimbangkan secara singkat beberapa jenis proses tersebut.
- Proses isokhorik berlangsung tanpa perubahan volume, oleh karena itu, gas tidak bekerja. Energi internal gas berubah sebagai fungsi dari perbedaan antara suhu akhir dan suhu awal.
- Proses isobarik terjadi pada tekanan konstan. Gas bekerja, dan energi panasnya dihitung dengan cara yang sama seperti pada kasus sebelumnya.
- Proses isotermal dicirikan oleh suhu yang konstan, dan oleh karena itu, energi panasnya tidak berubah. Jumlah panas yang diterima oleh gas seluruhnya dihabiskan untuk melakukan pekerjaan.
- Adiabatik, atau proses adiabatik terjadi dalam gas tanpa perpindahan panas, dalam tangki berinsulasi termal. Kerja dilakukan hanya dengan mengorbankan energi panas: dA=- dU. Dengan kompresi adiabatik, energi panas meningkat, dengan ekspansi, masing-masingmenurun.
Berbagai isoproses mendasari fungsi mesin termal. Dengan demikian, proses isokhorik terjadi di mesin bensin pada posisi ekstrem piston di dalam silinder, dan langkah mesin kedua dan ketiga adalah contoh proses adiabatik. Saat mendapatkan gas cair, ekspansi adiabatik memainkan peran penting - berkat itu, kondensasi gas menjadi mungkin. Isoproses dalam gas, dalam studi yang tidak dapat dilakukan tanpa konsep energi internal gas ideal, merupakan karakteristik dari banyak fenomena alam dan digunakan dalam berbagai cabang teknologi.
