Fizika, Molekulyar fizika

Daxili enerji və istilik mühərrikləri: qazın işi və FİƏ

Qazın daxili enerjisini müqayisə etməyi, işini və aldığı istiliyi hesablamağı, mühərrikin faydalı iş əmsalını tapmağı öyrənəcəksən.

Oxu vaxtı: 4 dəqiqə

Süni intellektlə hazırlanmış şəkil: əllər əl nasosu ilə velosiped təkərini hava ilə doldurur.

Velosiped təkərini əl nasosu ilə vurmusansa, bunu görmüsən: bir az vurandan sonra nasosun aşağı hissəsi isinir. Səbəbi odur ki, porşeni itələyəndə havanı sıxırsan, yəni onun üzərində iş görürsən. Bu iş havanın daxili enerjisini artırır və hava qızır.

Avtomobil mühərriki tərsini edir. Yanacaq yanır, isti qaz porşeni itələyir və iş görür. Amma alınan istiliyin hamısı hərəkətə çevrilmir: bir hissəsi işlənmiş qazla çıxır, bir hissəsini radiator havaya verir. Maşının qabağında radiatorun olması elə buna görədir.

Hər iki hadisə eyni qaydaya tabedir: istilik, iş və daxili enerji arasında hesab həmişə tutur. Bu hesabı aparmağı bacarsan, qrafikli tapşırıqlar da asanlaşacaq.

Niyə lazımdır

Bu mövzu molekulyar fizikanın hesablama hissəsidir. Bir qrafikə baxıb qazın qızdığını, yoxsa soyuduğunu, iş görüb-görmədiyini və istilik alıb-almadığını deyə bilirsənsə, qaz qanunlarına aid tapşırıqların çoxunu bir neçə sətirlə həll edirsən.

Gündəlik həyatda da işə yarayır: soyuducunun arxasının niyə isti olduğunu, mühərrikin niyə soyudulmalı olduğunu və hər hansı mühərrikin niyə yanacağın enerjisini tam işə çevirə bilmədiyini başa düşürsən.

İmtahan bu mövzuda nə soruşur?

İmtahanda qazın iki halındakı daxili enerjini müqayisə edir, diaqramdan temperaturun, həcmin və sıxlığın dəyişməsini müəyyənləşdirirsən. Bir qrafikdə verilən keçidi başqa koordinatlarda göstərmək, qazın işini hesablamaq və bu işin daxili enerji dəyişməsinə nisbətini tapmaq da tələb olunur. Əvvəl oxların hansı kəmiyyətləri göstərdiyini yoxla.

Qayda

Daxili enerji zərrəciklərin nizamsız hərəkətinin və qarşılıqlı təsirinin enerjilərini əhatə edir. Cismin bütövlükdə hərəkət enerjisi buraya daxil deyil. Daxili enerji istilik mübadiləsi və ya iş görülməsi ilə dəyişir.
İstilikvermə istilikkeçirmə, konveksiya və şüalanma ilə baş verir. Konveksiyada maye və ya qaz axını enerji daşıyır; şüalanma vakuumda da mümkündür. Faza dəyişmirsə, qızma üçün $Q=cm\Delta T$ ; $c$ xüsusi istilik tutumudur. İstilik itkisi olmadıqda isti cismin verdiyi istiliyi soyuq cisim alır.
Biratomlu qaz ideal olduqda $U=\frac32\nu RT=\frac32pV=N\overline{E_k}$ , $\overline{E_k}=\frac32kT$ . Burada $\nu$ maddə miqdarı, $N$ zərrəcik sayıdır. Sabit kütlə üçün $U$ , $T$ və $\overline{E_k}$ bir-birinə düz mütənasibdir; temperaturu kelvinlə götür.
İki halı müqayisə edərkən $U_2/U_1=p_2V_2/(p_1V_1)$ , dəyişməni taparkən $\Delta U=\frac32(p_2V_2-p_1V_1)$ yaz. Daxili enerji dəyişməsi yalnız başlanğıc və son hallarla müəyyənləşir.
Qazın işi üçün burada $A$ işarəsindən istifadə edirik: sabit təzyiqdə $A=p(V_2-V_1)$ . Genişlənmədə müsbət, sıxılmada mənfidir. Təzyiq şaquli, həcm üfüqi oxda olduqda qrafikin altındakı sahə işin modulunu verir; şaquli keçiddə iş sıfırdır.
Birinci qanun bu işarələmə ilə $Q=\Delta U+A$ şəklindədir. Qaz istilik alırsa $Q>0$ , verirsə $Q$ mənfidir. İzoxor prosesdə $A=0$ ; ideal qazın izotermik prosesində $\Delta U=0$ ; adiabatik prosesdə $Q=0$ . Biratomlu qazın izobar prosesində $A=\nu R\Delta T$ , buna görə $A/\Delta U=2/3$ alınır, əgər $\Delta T\ne0$ .
İkinci qanun: istilik özbaşına isti cisimdən soyuğa ötürülür. Dövri istilik mühərriki qızdırıcıdan aldığı $Q_1$ enerjisinin $Q_2$ hissəsini soyuducuya verir. Faydalı iş $A_f=Q_1-Q_2$ , faydalı iş əmsalı $\eta=A_f/Q_1$ olur; faizlə ifadə üçün nəticəni $100\%$ -ə vur. Alınan istiliyin hamısını dövr ərzində işə çevirmək mümkün deyil.

Tapşırıqlarda istifadə olunan düsturlar

Öyrənilməli düstur

U=N\overline{E_k}=\frac{3}{2}pV

Biratomlu ideal qazda $U$ daxili enerjini, $N$ zərrəciklərin sayını, $\overline{E_k}$ onların orta kinetik enerjisini, $p$ təzyiqi, $V$ həcmi göstərir. Halları müqayisə edərkən əvvəl $U/N$ nisbətini, sonra $pV$ hasilini nəzərə al.

Öyrənilməli düstur

U=\frac{3}{2}pV,\qquad \frac{U_2}{U_1}=\frac{p_2V_2}{p_1V_1}

Biratomlu ideal qazın $U$ daxili enerjisini tapmaq üçün $p$ təzyiqi ilə $V$ həcminin hasilindən istifadə olunur. Qrafikdə hər halın koordinatlarını oxuyub uyğun hasillərin nisbətini hesabla.

Öyrənilməli düstur

\begin{gathered}A=p\Delta V=\nu R\Delta T\\[6pt]\Delta U=\frac{3}{2}\nu R\Delta T\end{gathered}

Biratomlu ideal qazın izobar prosesində $A$ qazın gördüyü iş, $\Delta U$ daxili enerji dəyişməsi, $\nu$ maddə miqdarı, $R$ universal qaz sabiti, $\Delta T$ mütləq temperaturun, $\Delta V$ həcmin dəyişməsi, $p$ təzyiqdir. Sabit qaz miqdarında $V/T$ nisbətinin dəyişməməsi təzyiqin sabitliyini göstərir və bu düsturlardan istifadə etməyə imkan verir.

Öyrənilməli düstur

U=\frac{3}{2}pV

Biratomlu ideal qazda daxili enerji $U$ təzyiqlə həcmin hasilinə mütənasibdir; $p$ təzyiq, $V$ isə həcmdir. İki halın enerjisini müqayisə etmək üçün hər nöqtədəki təzyiq və həcm qiymətlərini bir-birinə vur.

Öyrənilməli qayda

İdeal qazın kütləsi və növü dəyişmirsə, temperatur yüksəldikcə daxili enerjisi böyüyür. Təzyiqin sabit olduğu prosesdə həcm mütləq temperaturla düz mütənasibdir; qrafikdəki həcm dəyişməsini bu əlaqə ilə qiymətləndir.

Özün hesabla

Bütün qazlar biratomlu idealdır. Cavabı coulla yaz, nisbət soruşulursa ədədlə.

Nümunələr

Qazın təzyiqi üçqat azalır, həcmi ikiqat artır. Daxili enerji necə dəyişir?

U_2/U_1=(1/3)\times2=2/3

: enerji azalır. Təkcə təzyiqin azalması soyumanı göstərmir.

Biratomlu ideal qaz $100\ \text{kPa}$ təzyiqdə izobar genişlənərək həcmini $2\ \text{l}$ artırır. Aldığı istiliyi tap: $A=100000\times0{,}002=200\ \text{J}$ , $\Delta U=3A/2=300\ \text{J}$ , $Q=500\ \text{J}$ .

Mühərrik $800\ \text{J}$ istilik alıb soyuducuya $600\ \text{J}$ verir. $A_f=200\ \text{J}$ , $\eta=200/800=0{,}25=25\%$ .

Tipik səhv

Qrafikdə təzyiq iki dəfə azalıb, deməli $U_2<U_1$ , qaz soyuyub.

Həcm də üç dəfə artıbsa, $p_2V_2=\frac{p_1}{2}\times3V_1=1{,}5\,p_1V_1$ , deməli $U_2=1{,}5\,U_1$ : daxili enerji artıb.

Qrafikdə yalnız bir koordinata baxıb daxili enerji haqqında qərar vermə: hər iki hal üçün $pV$ hasilini hesabla. İşin işarəsini də dəqiqləşdir: qaz üzərində görülən iş qazın gördüyü işin əks işarəlisidir.

$U$ sabitdirsə, $\overline{E_k}(V)$ qrafiki üfüqidir; oxun istiqamətini isə həcmin dəyişməsindən müəyyən et.

Özünü yoxla

Eyni miqdarda biratomlu ideal qaz eyni başlanğıc haldan eyni son hala iki fərqli yolla keçir. Hansı kəmiyyət hər iki yolda mütləq eynidir?

Qaz sıxılarkən onun üzərində $140\ \text{J}$ iş görülür və qaz ətrafa $60\ \text{J}$ istilik verir. Daxili enerji dəyişməsini tap.

İstilik mühərriki bir dövrdə $200\ \text{J}$ faydalı iş görür və soyuducuya $300\ \text{J}$ istilik verir. Mühərrikin faydalı iş əmsalını tap.

Bu mövzu üzrə sınaq

Bu mövzunun tapşırıqlarını həll et və hər birinin izahına bax.

Mövzu üzrə sınaq, I qrup (RK)Mövzu üzrə sınaq, I qrup (Rİ)Mövzu üzrə sınaq, IV qrup

Digər mövzular

Bütün Fizika mövzuları

Dərslikdə bu mövzu

Dərslik: Fizika, 10-cu sinif, 7.1 «Termodinamik sistem. Daxili enerji», səh. 173
Dərslik: Fizika, 10-cu sinif, 7.2 «Termodinamikanın birinci qanunu», səh. 178
Dərslik: Fizika, 10-cu sinif, 7.3 «Termodinamikanın ikinci qanunu. İstilik mühərriklərinin iş prinsipi», səh. 181
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «5.4 Daxili enerji. Daxili enerjinin dəyişmə üsulları», səh. 46
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «5.5 İstilikvermənin növləri: istilikkeçirmə, konveksiya və şüalanma», səh. 49
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.1 İstilik miqdarı. Xüsusi istilik tutumu», səh. 58
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.2 İstilik proseslərində enerjinin saxlanması qanunu», səh. 62
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.3 Bərk cismin xüsusi istilik tutumunun təyini (praktik iş)», səh. 65
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.7 İstilik mühərriki. İstilik mühərrikinin faydalı iş əmsalı», səh. 76
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.8 Buxar mühərriki», səh. 80
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.9 Daxiliyanma mühərriki», səh. 83
Dərslik: Fizika, 8-ci sinif, «6.10 Reaktiv mühərrik», səh. 87