אנרגיה תרמית: הגדרה ותרגילים

אֵנֶרְגִיָהתֶרמִי הוא מונח רחב, המשמש לביטוי כמויות תרמודינמיות שונות, כגון אנרגיה פנימית או סכום של חוֹם הוחלף בין מערכות של הרבה הבדליםטמפרטורות. במאמר זה נתייחס לאנרגיה תרמית כשם נרדף אֵנֶרְגִיָהפְּנִימִי, שניתן להבין כסכום של אנרגיותקינטיקה ו פוטנציאל מ אטומים ומולקולות המרכיבות מערכת תרמודינמית.

תראהגַם:לפני שתמשיך, בדוק סיכום מדהים על תרמולוגיה

אנרגיית תרמית

אֵנֶרְגִיָהתֶרמִי היא תוצאה של סְכוּם נותן אֵנֶרְגִיָהקינטיקה ו פוטנציאל מכל החלקיקים המרכיבים של הגוף. אנרגיית תרמית זה תלויבאופן ישיר נותן טֶמפֶּרָטוּרָהמוּחלָט של הגוף, נמדד בקלווין (K), ותלוי גם בכמות מעלותבחוֹפֶשׁ של המערכת, כלומר: מספר הכיוונים בהם מולקולות יכולות לנוע, לרטוט, להתנדנד או אפילו להסתובב.

מפעלים תרמואלקטריים ממירים אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית.

או מִשׁפָּטנותןמחיצה האנרגיה קובעת כי: בכל דרגת חופש של מערכת ניתן לחשב את האנרגיה הפנימית שלה ממכפל שלם של הביטוי ½ k_בT, איפה Kb הוא קָבוּעַבבולצמן ו- T הוא ה טֶמפֶּרָטוּרָה נמדד בקלווין. הנוסחה המשמשת לחישוב האנרגיה התרמית של גז חד-אטומי אידיאלי מוצגת להלן, בדוק זאת:

ק_ב - קבוע בולצמן (ק_ב = 1,38.10^-23 מ"ר. ק"ג / s². K)

מאחר שהאנרגיה התרמית של הגזים האידיאליים באה לידי ביטוי על ידי הנוסחה הנ"ל ומייצגת את אֵנֶרְגִיָהקינטיקהמְמוּצָע של המערכת נוכל לכתוב את השוויון הבא:

חלוקת מהירות של חלקיקים של גז מונואטומי אידיאלי.

תראהגַם:אחרי הכל, איזה צבע המים הם?

באמצעות הנוסחה שלמעלה, זה אפשרי לְהַעֲרִיךאת מהירות התרגום הממוצעת של האטומים הקיימים ב גז אטמוספרי. אם ניקח בחשבון טמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ולקחת אטומים של חַמצָן (M = 16 גרם למול), מצאנו מהירות ממוצעת של 680 מ / ש או 1525 קמ"ש - זו המהירות בה חלקיקי גז אטמוספריים פוגעים בנו כל הזמן.

אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום;)

במקרה של גז דיאטומי, הגורם ½k מתווסף לביטוי המשמש לגזים מונו-אטומיים_בT, עקב הגדלת דרגת חופש אחת, וכתוצאה מכך הביטוי הבא:

על פי החוק הראשון של תֶרמוֹדִינָמִיקָה, א אֵנֶרְגִיָהתֶרמִי של מערכת ניתן להמיר לצורות אנרגיה אחרות, כגון חוֹם ו עֲבוֹדָה. החום, למשל, מתייחס ל לְהַעֲבִירבאֵנֶרְגִיָהתֶרמִי,אך ורק בשל הפרש טמפרטורות בין מערכת וסביבתה; העבודה, בתורם, נוגעת להפעלת כוחות על המערכת או על ידי המערכת.

במובן זה ניתן להשתמש בעבודה להזזת בוכנה, כמו בקטרים ​​המונעים בקיטור, וגם ב מנועי בעירה פנימית, שמפעילים כמעט את כל כלי הרכב המנועים הנוכחיים. להלן אנו מביאים את החוק הראשון של התרמודינמיקה, הערה:

על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, השונות של האנרגיה הפנימית היא ההבדל בין עבודה לחום.

ישנן דרכים אחרות לחשב את מודול האנרגיה התרמית של הגוף, במקרה של גזיםאידיאלים, בו האנרגיה הפוטנציאלית בין חלקיקים נחשבת לאפסית, לשם כך אנו מבטאים את האנרגיה הפנימית במונחים של מספר שומות (n) וגם מה- קבוע אוניברסלי של גזים מושלמים (R), בדוק:

n - מספר שומות (mol)

ר - קבוע אוניברסלי של גזים מושלמים (R = 0.082 atm. L / mol. K או 8.31 J / mol. K)

עדיין במסגרת הגזים המושלמים, המשלבים בין משוואת clapeyron (PV = nRT), עם הגדרת האנרגיה חשופה, ניתן לקבל ביטוי חדש, שימו לב:

פ - לחץ (אב)

ו - נפח (m³)

ראה גם:אוויר חם עולה ואוויר קר נופל, אבל למה?

יתרונות וחסרונות של אנרגיה תרמית

מדי יום אנו משתמשים במספר גדול של מקורותבאֵנֶרְגִיָהתֶרמִי לייצר אנרגיה. או גוף האדם, למשל, צורכת הרבה חומרים מזינים לייצר את האנרגיה התרמית הנחוצה לתפקוד התהליכים החיוניים שלנו. חלק גדול מה- חַשְׁמַל מיוצר בעולם זה תלוי ביכולת שלנו להפוך אנרגיה תרמית לחשמל.

בדוק את האמצעים המשתמשים באנרגיה תרמית להפקת חשמל ויתרונותיו וחסרונותיו העיקריים:

סוג הצמח	יתרונות	חסרונות
מפעל תרמו-גרעיני	פליטה נמוכה של גזים מזהמים ויעילות גבוהה	ייצור פסולת רדיואקטיבית וחשיפה לקרינה
תחנת כוח תרמואלקטרית מונעת פחם	ייצור אנרגיה גדול ועלות נמוכה	פליטת גזי חממה ומזהמים
תחנת כוח תרמואלקטרית המופעלת באמצעות גז טבעי	פחות זיהום משריפת פחם	עלותו משתנה מאוד מכיוון שגז טבעי הוא נגזרת של נפט
מפעל תרמו-אלקטרי המופעל על ידי ביומסה	עלות התקנה נמוכה ופליטת גזי חממה נמוכה	כריתת יערות ומטעים חד-תרבותיים גדולים
מפעל גיאותרמי	לא מלטף	עלות התקנה ותחזוקה גבוהה

ראה גם: למדו הידרוסטטיקה אחת ולתמיד!

תרגילים על אנרגיה תרמית

שאלה 1) שתי שומות של גז דיאטומי אידיאלי נפגשות בטמפרטורה של 127 מעלות צלזיוס. האנרגיה התרמית של גז זה היא בערך:

נתונים: R = 8.31 J / mol. ק

א) 1.5.10⁶ י

ב) 1.7.10⁴ י

ג) 8.5.10³ י

ד) 5.3.10⁴ י

ה) 8.5.10⁴ י

תבנית: אות ב '

פתרון הבעיה:

בואו נחשב את האנרגיה של הגז באמצעות הביטוי הבא, מכיוון שהגז הוא דיאטומי, עם זאת, לפני שתעשה זאת, יש להמיר את הטמפרטורה ממעלות צלזיוס לקלווין, שים לב ל תַחשִׁיב:

על פי חישובים, לגז הדיאטומי הזה אנרגיה של 16,620 J, כלומר בערך 1,7.10⁴ י, אם בא לידי ביטוי בסימון מדעי ובשימוש בכללי העיגול.

שאלה 2) שלוש שומות של גז חד-אטומי אידיאלי מקבלות כמות חום השווה ל -5.10² cal ומבצע עבודה של 2.10² סיד במהלך התהליך. קבע את שינויי הטמפרטורה שחווה גז זה, במעלות צלזיוס.

נתונים: R = 0.082 כספומט. L / mol. ק

א) 214 מעלות צלזיוס

ב) 813 מעלות צלזיוס

ג) 1620 מעלות צלזיוס

ד) 740 מעלות צלזיוס

ה) 370 מעלות צלזיוס

תבנית: אות ב '

פתרון הבעיה:

כדי לפתור תרגיל זה, נצטרך לשלב שתי נוסחאות מובחנות, החוק הראשון של תרמודינמיקה, הקובעת את וריאציית האנרגיה ואת הנוסחה של האנרגיה התרמית של הגז המונאטומי האידיאלי, שעון:

לאחר שהחלפנו את הנתונים בנוסחאות, אנו מוצאים וריאציה של 813 מעלות צלזיוס, ולכן האלטרנטיבה הנכונה היא האות ב '.

על ידי רפאל הלרברוק