Классификация форм энергии

Название	Обозначение	Где встречается
Потенциальная энергия силы тяжести (часто называется просто «потенциаль ная энергия»), или гравитационная потенциальная энергия	Епот	При поднятии груза происходит возрастание потенциальной энергии, запасенной в поле силы тяжести
Энергия деформации (часто называется «потенциальная энергия»)	Едеф	При сгибании, растяжении, закручивании или сжатии пружины или другого упругого предмета последний запасает энергию деформации.
Кинетическая эергия	Екин	Энергия движения тела. Она определяется произведением 1/2∙(масса)∙(скорость)2

Продолжение табл.№1.1

Название	Обозначение	Где встречается
Кинетическая энергия вращения	Евр	Каждая часть вращающегося тела движется, значит, обладает кинетической энергией. Энергия вращения является суммой этих кинетических энергий
Тепловая энергия	Етепл	Теплота образуется при нагревании тел, при переходах одного вида энергии в другой. Ее понимают как суммарную энергию движения молекул.
Химическая	Ехим	Возникает в процессе химических реакций при соединении или разделении веществ, при горении и т.д.
Молекулярная энергия плавления, испарения (скрытая теплота фазового перехода)	Ескр.тепл	На плавление и испарение требуется теплота. Процесс происходит без изменения температуры, тратится на межмолекулярную перестройку.
Электрическая энергия Магнитная энергия	Еэл Емагн	Электрические цепи, заряженные конденсаторы, электромагниты, обладающие способностью при прохождения электрического тока создавать магнитные поля
Электромагнитная энергия	Еэл-магн	Энергия, свойственная тесно связанным друг с другом электрическим и магнитным полям
Энергия электромагнитных волн и излучения	Еизл	В электромагнитных волнах, т.е. движущихся электрических и магнитных полях. Она включает видимый свет, инфракрасный, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и радиоволны всех длин.
Волновая энергия (включая свет, звук и морские волны)	Еволн Езвук	Волны способны переносить знергию
Ядерная знергия	Еяд	Высвобождается при ядерных преобразованиях: радиоактивности, делении и синтезе ядер

Потенциальная энергия связана с понятиями потенциальных полей – силы притяжения масс, силы притяжения электрически заряженных частиц, а также с наличием упругих сил сжатия газа, пружины и др. Как понятно, для создания энергии необходимо вначале перемещение тела в потенциальном поле (гиря, поднятая на определенную высоту или приближение-удаление зарядов друг от друга), а также сжатие пружины или рабочего тела.

Кинетическая энергия связана с наличием массы тела и скорости его относительного движения (как поступательного, так и вращательного).

Тепловая энергия связана с нагреванием и остыванием массы тела, с возможностью лучистого испускания.

Электрическая и магнитная энергии являются частными случаями потенциальной энергии при наличии электрических или магнитных полей.

Химическая энергия связана с изменением состава вещества, когда происходит сгорание, окисление веществ и другие химические процессы (они могут идти с выделением - экзотермические или с поглощением тепла - эндотермические).

Ядерная энергия связана с преобразованиями структур вещества на ядерном уровне.

Перечисленными видами энергии не исчерпываются ее формы в Природе.

Простейшие бытовые примеры подтверждают взаимный переход одного вида энергии в другой. Сжигая топливо, мы нагреваем воду, получаем пар, который, расширяясь в турбине, приводит в движение ротор электрогенератора. Химическая энергия при сгорании топлива переходит в тепловую для нагревания воды и пара, что создает потенциальную энергию, срабатываемую в приводе электрогенератора, который вырабатывает электрическую энергию. Растягивая пружину лука, первобытный стрелок придавал кинетическую энергию стреле, которая производила механическое разрушение, наткнувшись на преграду. Имеем дело с тройным переходом энергий.

Производя такие переходы, для удобства расчетов количества энергии каждого из видов энергии ученые создали простейшие зависимости по их вычислениям. Многовековой опыт применения таких способов расчетов подтвердил наличие количественных зависимостей. Имеет место строгое количественное соответствие при переходе одного вида энергии в другой.

Применяемые единицы измерения энергии.

Единицы измерения	КилоДжоуль	Килокалория	Килограммометр	КилоВатт·час
Килоджоуль (кДж)	1	0,239	102,0	0,000278
Килокалория (ккал)	4,1868	1	427	0,00116
Килограммометр (кгс·м)	0,00981	0,00234	1	0,00000272
Киловатт·час (кВт·ч)	3600	860	367200	1
Л.с. ·час (л.с.ч.)	2647,8	632,3	270000	0,736

В международной системе единиц СИ предусмотрено использование единицы энергии – Дж = Н·м

ІІ. КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ И ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Основные законы термодинамики изучались учеными на веществах, находящихся в газовом состоянии. Были выделены какие-то характерные свойства тел, которые подлежали измерению и изучению. Их назвали параметрами состояния веществ. К таким физическим характеристикам изучаемых веществ отнесли:

- температуру

- давление

- объем

- массу.

При этом масса, как показали исследования, для конкретных веществ однозначно определяется первыми тремя параметрами. Поэтому переменными были три первых параметра. Для начала определяли количественные изменения каких-то двух параметров при неизменном третьем. Находили зависимость одного из двух параметров при произвольном изменении другого.

Отдельные взаимные зависимости двух из параметров принято называть законами по именам ученых. Так, связь между давлением и объемом при неизменной температуре (изотермический процесс) назвали законом Бойля-Мариотта. Эти ученые установили, что при неизменной температуре произведение давления на объем остается постоянным при произвольных изменениях одного из параметров: рV=const . Получена серия линий для разных температур.

Были изучены зависимости объема V при неизменном давлении (изобарический процесс) и давления р при неизменном объеме (изохорический процесс) от температуры T и получили два закона:

- V/T = const при р = const - закон Гей-Люссака

- р/Т = const при V= const - закон Шарля

Обобщением результатов этих исследований явилась работа Джоуля и др., предложивших «кинетическую теорию газов», в основе которой лежало следующее утверждение: «Газ состоит из мельчайших упругих частиц, находящихся в быстром движении, а давление газа на стенки есть просто результат бомбардировки их частицами». Джоуль показал, что такая теория может объяснить единообразно не только уже известные факты, но и дать важные сведения о самих частицах и параметрах состояния газов.

Движущимися частицами являются молекулы. Это понятие первоначально применялось в химии, где обозначало мельчайшую частицу вещества, сохраняющую все его свойства и могущую существовать самостоятельно. Молекула может быть расщеплена на части, атомы, но тогда свойства вещества не будут соответствовать исходному состоянию. В кинетической теории газов мы имеем дело с молекулами и предполагаем, что они не расщепляются при соударениях. Соударения молекул упругие. Кроме того, мы полагаем, что молекулы действуют друг на друга только лишь в момент соударения; когда они находятся достаточно близко друг к другу, они испытывают отталкивающую силу. В этом заключается факт соударения.

Одной из догадок ученых было то, что число молекул в одном киломоле для любого вещества одинаково и число их составляет 6,02∙10²⁶ (число Авогадро). Киломолем веществ называют количество вещества в кг, численно равное его молекулярному весу. Как известно, атомные и молекулярные веса были подробно исследованы русским химиком Менделеевым Д.И. в его знаменитой «Периодической системе элементов». Объем киломоля вещества при нормальных условиях (давление 1.01∙10⁵ н/м², или 760 мм ртутного столба, температура 0⁰С) для всех веществ одинаков и составляет 22,4 м³ , а при том же давлении и температуре +20⁰С киломоль любого газа равен 24 м³.

Периодическая система элементов приведена в приложениях (по состоянию на октябрь 2005 года). К настоящему времени определены параметры 111 элементов веществ, встречающихся в природе. Различие веществ заключается в различиях на ядерном и молекулярном уровнях.

Разработка кинетической теории газов проходила в период широкого внедрения в физику основных законов динамики И.Ньютона, определивших понятия импульса силы и количества движения. Джоуль предположил, что давление – это результат соударений молекул о стенки сосуда. Молекулы имеют различные скорости движения, но, принимая, что стенка является жесткой и удары молекул упругие, можно вычислить суммарную силу, обусловленную изменением импульса от множества молекул. Молекулы двигаются с произвольными скоростями и направлениями. Разложим векторы скоростей на три направления по осям X,Y и Z, параллельные направлениям стенок сосуда. Тогда υ₁ будет результирующей скоростей _xυ₁ вдоль оси X, yυ₁ вдоль оси Y и zυ₁ вдоль оси Z. Поскольку оси взаимно перпендикулярны, то по теореме Пифагора

для молекулы 1 υ₁² = _xυ₁² + _yυ₁² + _zυ₁²

для молекулы 2 υ₂² = _xυ₂² + _yυ₂² + _zυ₂²

для молекулы 3 υ₃² = _xυ₃² + _yυ₃² + _zυ₃²

..................................

для молекулы N υ_N² = _xυ_N² + _yυ_N² + _zυ_N²

Сложив правые и левые части уравнения и разделив на N, получим среднее значение:

υ_ср² = _xυ_ср² + _yυ_ср² + _zυ_ср²

Призовем теперь на помощь соображения симметрии и потребуем (игнорируя малые отклонения за счет гравитации), чтобы все три средних в правой части уравнения были равными; случайные движения большого числа молекул должны давать одно и то же распределение скоростей в любом направлении:

_xυ_ср² = _yυ_ср² = _zυ_ср²

Чтобы получить давление на одну из стенок сосуда, мы будем дальше рассуждать, используя 2-й закон Ньютона, когда импульс силы равен изменению количества движения. Мо- лекулы подлетают к стенкам со скоростью равной средней для рассматриваемого температурного уровня. Если предположить, что соударение частицы со стенкой упругое (т.е. кинетическая энергия в процессе столкновения не меняется), то

υ_к = - υ_н

Поэтому

изменение импульса = m υ_н - m υ_к = 2m υ_н (2.1)

Изменение импульса, происходящее у стенки за 1 сек из-за столкновения со стенкой, равно: (изменение импульса при одном столкновении) x (количество столкновений в сек). Число столкновений в секунду определяется:

- скоростью частицы

- расстоянием, проходимым частицей между двумя столкновениями, равным удвоенному расстоянию между стенками.

Время между столкновениями равно пути 2L, деленному на скорость частицы

2L/υ = время между столкновениями с рассматривамой стенкой.

Число столкновений в секунду равно 1/ (время между столкновениями) = υ/2L

Тогда величина изменения импульса за секунду из-за столкновений частиц со стенкой = 2m υ_н • υ/2L = m υ² /L , а для числа частиц, действующих на стенку (1/3 от общего числа частиц N, как договорились выше) сила давления на стенку = Nmυ²/3L . Давление р на стенку равно отношению силы давления к площади стенки S, т.е.

Но произведение площади поперечного сечения S рассматриваемого параллелепипеда на его длину L есть объем V, что окончательно дает

или рV= Nmυ² .

Получена следующая зависимость:

рV= N∙m∙υ²_ср , (2.2)

где

р – давление газа

V – физический объем газа

N – число молекул

m – масса молекулы

υ_ср – осредненная скорость движения молекул.

Из уравнения (2.2) можно получить интересную связь

(2.3)

Решая совместно зависимости законов Шарля и Гей-Люссака, имеем

р∙V=const∙T (2.4)

Из равенства (2.4) при р=const имеем закон Гей-Люссака,

а при V=const имеем закон Шарля

Постоянную в (2.4) записывают

Const = N∙ k_Б , где

N – число молекул

k_Б = 1,38∙10^-16 эрг/К - постоянная Больцмана

Тогда рV=Nk_БТ или

рV=RT (2.5)

Уравнение (2.5) называют уравнением состояния для идеального газа. При всех изменениях в газах параметры состояния – давление р, объем V и температура Т строго соответствуют этому соотношению.

Величина R называется универсальной газовой постоянной. Она равна

R= 8,31∙ 10⁷ эрг/ моль∙К (2.6)

Для размерности в системе МКС газовая постоянная находится по формуле

Клапейрона-Менделеева (в системе СИ) :

Дж/кг·град (2.7)

µ - молекулярный вес вещества.

Для водорода Н₂ µ=2 и R= 4657,5 Дж/кг·К

Для воздуха (78% азота N₂ и 21% кислорода О₂) µ= 28,97 и R=287 Дж/кг·град

Из рассмотрения уравнений (2.2) и (2.3) имеем

const∙T= 2/3∙Е_кин (2.8)

Из соотношения (2.8) следует, что температура газа однозначно связана со скоростью движения молекул. Чем выше скорость движения молекул, тем выше температура газа и соответственно наоборот. Эта зависимость температуры и скорости движения молекул справедлива и для всех фазовых состояний вещества. Это объясняет тот факт, что именно температура определяет фазовое состояние вещества. Существенное влияние оказывает и давление.

Приведенное выше элементарное изложение кинетической теории газов позволяет более подробно остановиться на основополагающих параметрах, как температура, плотность и теплоемкость вещества. Газы, подчиняющиеся кинетической теории, принято называть идеальными. Следует дать пояснение о границах применения этого понятия. Как будет показано в дальнейшем, модель идеальных газов хорошо подтверждается при высоких температурах и малых плотностях газа, когда влияние расстояния между молекулами не существенно сказывается на его свойствах.

В практической деятельности различают понятия, относящиеся к давлению:

- абсолютное, р_абс – это то давление, о котором шла речь выше (оно определяет термодинамические свойства веществ);

- барометрическое давление, р_Н или В_Н – это давление в окружающей среде в момент замера параметров состояния;

- избыточное, р_изб – это значение давления, которое мы имеем по показаниям приборов;

- разрежение, р_вак – это давление, измеряемое в системах с понижением давления относительно атмосферного уровня.

Между ними существует зависимость:

р_абс = р_изб + р_Н

р_абс = р_Н - р_вак

Применяемые единицы измерения давлений:

Единицы измерения	Физическая атмосфера (атм)	Техническая атмосфера (1 ат = 1 кгс/см2)	Бар (бар)	Миллиметры ртутного столба (мм рт.ст)
1 атм	1	1,0332	1,0132	760
1 ат	0,9678	1	0,9807	735,5
1 бар	0,9869	1,0197	1	750,1
103 мм рт. ст.	1,3158	1,3595	1,3332	1000
Па, Н/м2	101,3·103	9,807·104	105	133,3

В системе единиц СИ оговаривается единица измерения давления – Па = Н/м².

2.1. Температура.

Как было показано выше, при исследовании Шарлем и Гей-Люссаком были получены зависимости давления и объема газа от температуры. Выявлена линейная зависимость исследованных параметров от температуры:

Объем Давление

0⁰ Температура 0⁰ Температура

Рис. 2.1 Графическая зависимость параметров по законам Шарля и Гей-Люссака.

Если продлить исследованные зависимости законов Шарля и Гей-Люссака до пересечения со шкалой температур, то будет найдено такое значение температур, при котором в газе отсутствует давление, и объем становится физически минимальным (нельзя представить себе ситуацию с отрицательным значением объема вещества). Отсутствие давления свидетельствует об отсутствии движения молекул. Этот уровень температур назвали точкой абсолютного нуля. В градусах Цельсия значение температуры абсолютного нуля составляет -273,16. Логически, осознавая важность полученного положения об отсутствии давления в идеальном газе при достижении абсолютного нуля, перейти к шкале температур, начиная с абсолютного нуля. Отмечая большой вклад, сделанный в исследование термодинамики лордом Кельвином, принятую шкалу абсолютных температур назвали температурной шкалой Кельвина. Тогда точка затвердевания воды станет равной 273,16 К, а температура кипения воды 373,16 К. Можно видеть, что градуировка шкалы по градусам была принята соответствующей стоградусной шкале Цельсия. При записи законов состояния вещества идеальных газов всегда понимается использование температурной шкалы от абсолютного нуля.

В науке началась погоня за достижением значений температур, близких к абсолютному нулю.Первоначально понижение температур достигалось смешиванием веществ. Следующим этапом понижения температуры стало использование явления, связанного с отбором работы, чтоприводит к понижению температур газа. Простейший прибор состоял из устройства сжатия газа (при этом его температура повышалась), охлаждения сжатого газа и расширения, что приводило к снижению температур. Еще одним способом является дросселироваие предварительно сжатого и охлажденного газа через малое отверстие (эффект Джоуля-Томсона, или дроссель-эффект). Внезапное расширение вызывает существенное снижение температур газа. Дальнейшее понижение температуры проводилось с предварительным охлаждением уже сжиженных газов при испарении под вакуумом. Самое глубокое охлаждение невозможно за счет механических мер и достигается адиабатным размагничиванием парамагнетиков и ядер металлов. Как показали исследования, имеется табу в части получения температуры, равной абсолютному нулю.

В таблице № 2.1 из [8] приведена хронология достижения низких температур.

Таблица № 2.1