Il est commode de considérer un phénomène physique particulier ou une classe de phénomènes à l'aide de modèles plus ou moins approximatifs. Par exemple, pour décrire le comportement d'un gaz, un modèle physique est utilisé - un gaz parfait.
Tout modèle a des limites d'applicabilité, au-delà desquelles il doit être affiné ou des options plus complexes doivent être appliquées. Nous considérons ici un cas simple de description de l'énergie interne d'un système physique basé sur les propriétés les plus essentielles des gaz dans certaines limites.
Gaz idéal
Ce modèle physique, pour la commodité de décrire certains processus fondamentaux, simplifie un gaz réel comme suit:
- Néglige la taille des molécules de gaz. Cela signifie qu'il existe des phénomènes pour lesquels ce paramètre n'est pas indispensable pour une description adéquate.
- Néglige les interactions intermoléculaires, c'est-à-dire qu'il accepte que dans les processus qui l'intéressent, elles apparaissent dans des intervalles de temps négligeables et n'affectent pas l'état du système. Dans ce cas, les interactions sont de la nature d'un choc absolument élastique, dans lequel il n'y a pas de perte d'énergie surdéformation.
- Néglige l'interaction des molécules avec les parois du réservoir.
- Supposons que le système "gaz-réservoir" est caractérisé par un équilibre thermodynamique.
Ce modèle convient à la description de gaz réels si les pressions et les températures sont relativement basses.
État énergétique d'un système physique
Tout système physique macroscopique (corps, gaz ou liquide dans un récipient) possède, en plus de sa propre cinétique et de son potentiel, un autre type d'énergie - interne. Cette valeur est obtenue en additionnant les énergies de tous les sous-systèmes qui composent le système physique - les molécules.
Chaque molécule d'un gaz possède également sa propre énergie potentielle et cinétique. Ce dernier est dû au mouvement thermique chaotique continu des molécules. Les différentes interactions entre eux (attraction électrique, répulsion) sont déterminées par l'énergie potentielle.
Il faut se rappeler que si l'état énergétique de n'importe quelle partie du système physique n'a aucun effet sur l'état macroscopique du système, alors il n'est pas pris en compte. Par exemple, dans des conditions normales, l'énergie nucléaire ne se manifeste pas par des changements d'état d'un objet physique, il n'est donc pas nécessaire de la prendre en compte. Mais à des températures et des pressions élevées, cela est déjà nécessaire.
Ainsi, l'énergie interne du corps reflète la nature du mouvement et de l'interaction de ses particules. Cela signifie que le terme est synonyme du terme couramment utilisé "énergie thermique".
Gaz parfait monoatomique
Les gaz monoatomiques, c'est-à-dire ceux dont les atomes ne sont pas combinés en molécules, existent dans la nature - ce sont des gaz inertes. Des gaz tels que l'oxygène, l'azote ou l'hydrogène ne peuvent exister dans un tel état que dans des conditions où l'énergie est dépensée de l'extérieur pour renouveler constamment cet état, car leurs atomes sont chimiquement actifs et ont tendance à se combiner en une molécule.
Considérons l'état énergétique d'un gaz parfait monoatomique placé dans un récipient d'un certain volume. C'est le cas le plus simple. Rappelons que l'interaction électromagnétique des atomes entre eux et avec les parois du vaisseau, et, par conséquent, leur énergie potentielle est négligeable. Ainsi, l'énergie interne d'un gaz ne comprend que la somme des énergies cinétiques de ses atomes.
Elle peut être calculée en multipliant l'énergie cinétique moyenne des atomes dans un gaz par leur nombre. L'énergie moyenne est E=3/2 x R / NA x T, où R est la constante universelle des gaz, NA est le nombre d'Avogadro, T est la température absolue du gaz. Le nombre d'atomes est calculé en multipliant la quantité de matière par la constante d'Avogadro. L'énergie interne d'un gaz monoatomique sera égale à U=NA x m / M x 3/2 x R/NA x T=3/2 x m / M x RT. Ici m est la masse et M est la masse molaire du gaz.
Supposons que la composition chimique du gaz et sa masse restent toujours les mêmes. Dans ce cas, comme le montre la formule que nous avons obtenue, l'énergie interne ne dépend que de la température du gaz. Pour le gaz réel, il faudra prendre en compte, en plus detempérature, changement de volume car il affecte l'énergie potentielle des atomes.
Gaz moléculaires
Dans la formule ci-dessus, le nombre 3 caractérise le nombre de degrés de liberté de mouvement d'une particule monoatomique - il est déterminé par le nombre de coordonnées dans l'espace: x, y, z. Pour l'état d'un gaz monoatomique, peu importe que ses atomes tournent.
Les molécules sont sphériquement asymétriques, par conséquent, lors de la détermination de l'état énergétique des gaz moléculaires, il est nécessaire de prendre en compte l'énergie cinétique de leur rotation. Les molécules diatomiques, en plus des degrés de liberté énumérés associés au mouvement de translation, en ont deux autres associés à la rotation autour de deux axes mutuellement perpendiculaires; les molécules polyatomiques ont trois axes de rotation indépendants. Par conséquent, les particules de gaz diatomiques sont caractérisées par le nombre de degrés de liberté f=5, tandis que les molécules polyatomiques ont f=6.
En raison du caractère aléatoire inhérent au mouvement thermique, toutes les directions de mouvement de rotation et de translation sont absolument également probables. L'énergie cinétique moyenne apportée par chaque type de mouvement est la même. Par conséquent, nous pouvons substituer la valeur de f dans la formule, ce qui nous permet de calculer l'énergie interne d'un gaz parfait de n'importe quelle composition moléculaire: U=f / 2 x m / M x RT.
Bien sûr, nous voyons d'après la formule que cette valeur dépend de la quantité de substance, c'est-à-dire de la quantité et du type de gaz que nous avons pris, ainsi que de la structure des molécules de ce gaz. Cependant, puisque nous avons convenu de ne pas changer la masse et la composition chimique, alors tenez comptenous n'avons besoin que de la température.
Regardons maintenant comment la valeur de U est liée à d'autres caractéristiques du gaz - le volume, ainsi que la pression.
Énergie interne et état thermodynamique
La température, comme vous le savez, est l'un des paramètres de l'état thermodynamique du système (dans ce cas, le gaz). Dans un gaz parfait, elle est liée à la pression et au volume par la relation PV=m / M x RT (équation dite de Clapeyron-Mendeleïev). La température détermine l'énergie calorifique. Ainsi, ce dernier peut être exprimé en termes d'un ensemble d'autres paramètres d'état. Il est indifférent à l'état précédent, ainsi qu'à la manière dont il a été modifié.
Voyons comment l'énergie interne change lorsque le système passe d'un état thermodynamique à un autre. Son changement dans une telle transition est déterminé par la différence entre les valeurs initiales et finales. Si le système est revenu à son état d'origine après un état intermédiaire, cette différence sera égale à zéro.
Supposons que nous ayons chauffé le gaz dans le réservoir (c'est-à-dire que nous lui ayons apporté de l'énergie supplémentaire). L'état thermodynamique du gaz a changé: sa température et sa pression ont augmenté. Ce processus va sans changer le volume. L'énergie interne de notre gaz a augmenté. Après cela, notre gaz a renoncé à l'énergie fournie, se refroidissant jusqu'à son état d'origine. Un facteur tel que, par exemple, la vitesse de ces processus, n'aura pas d'importance. Le changement résultant de l'énergie interne du gaz à n'importe quel taux de chauffage et de refroidissement est nul.
Le point important est qu'une même valeur d'énergie thermique peut correspondre non pas à un, mais à plusieurs états thermodynamiques.
La nature du changement d'énergie thermique
Pour changer d'énergie, il faut travailler. Le travail peut être effectué par le gaz lui-même ou par une force externe.
Dans le premier cas, la dépense d'énergie pour l'exécution du travail est due à l'énergie interne du gaz. Par exemple, nous avions du gaz comprimé dans un réservoir avec un piston. Si le piston est relâché, le gaz en expansion commencera à le soulever, en faisant du travail (pour que cela soit utile, laissez le piston soulever une sorte de charge). L'énergie interne du gaz diminuera de la quantité dépensée en travail contre les forces de gravité et de friction: U2=U1 – A. Dans ce cas, le travail du gaz est positif car la direction de la force appliquée au piston est la même que la direction de déplacement du piston.
Commençons à abaisser le piston, en travaillant contre la force de la pression du gaz et à nouveau contre les forces de frottement. Ainsi, nous informerons le gaz d'une certaine quantité d'énergie. Ici, le travail des forces externes est déjà considéré comme positif.
En plus du travail mécanique, il existe également un moyen de prélever de l'énergie du gaz ou de lui donner de l'énergie, comme le transfert de chaleur (transfert de chaleur). Nous l'avons déjà rencontré dans l'exemple du chauffage d'un gaz. L'énergie transférée au gaz lors des processus de transfert de chaleur s'appelle la quantité de chaleur. Il existe trois types de transfert de chaleur: conduction, convection et transfert radiatif. Examinons-les de plus près.
Conduction thermique
La capacité d'une substance à échanger de la chaleur,effectué par ses particules en transférant de l'énergie cinétique les unes aux autres lors de collisions mutuelles lors d'un mouvement thermique - c'est la conductivité thermique. Si une certaine zone de la substance est chauffée, c'est-à-dire qu'une certaine quantité de chaleur lui est communiquée, l'énergie interne après un certain temps, par le biais de collisions d'atomes ou de molécules, sera répartie uniformément entre toutes les particules.
Il est clair que la conductivité thermique dépend fortement de la fréquence des collisions, et cela, à son tour, de la distance moyenne entre les particules. Par conséquent, un gaz, en particulier un gaz parfait, se caractérise par une très faible conductivité thermique, et cette propriété est souvent utilisée pour l'isolation thermique.
Parmi les gaz réels, la conductivité thermique est plus élevée pour ceux dont les molécules sont les plus légères et en même temps polyatomiques. L'hydrogène moléculaire remplit cette condition dans la plus grande mesure, et le radon, en tant que gaz monoatomique le plus lourd, dans la moindre mesure. Plus le gaz est rare, moins il est conducteur de chaleur.
En général, le transfert d'énergie par conduction thermique pour un gaz parfait est un processus très inefficace.
Convection
Beaucoup plus efficace pour un gaz est ce type de transfert de chaleur, comme la convection, dans lequel l'énergie interne est distribuée à travers le flux de matière circulant dans le champ gravitationnel. Le flux ascendant de gaz chaud est formé en raison de la force d'Archimède, car il est moins dense en raison de la dilatation thermique. Le gaz chaud remontant est constamment remplacé par du gaz plus froid - la circulation des flux de gaz s'établit. Par conséquent, afin d'assurer un chauffage efficace, c'est-à-dire le plus rapide par convection, il est nécessaire de chauffer le réservoir de gaz par le bas - tout comme une bouilloire avec de l'eau.
S'il est nécessaire d'évacuer une certaine quantité de chaleur du gaz, il est plus efficace de placer le réfrigérateur en haut, car le gaz qui a donné de l'énergie au réfrigérateur se précipitera sous l'influence de la gravité.
Un exemple de convection dans le gaz est le chauffage de l'air intérieur à l'aide de systèmes de chauffage (ils sont placés dans la pièce le plus bas possible) ou le refroidissement à l'aide d'un climatiseur, et dans des conditions naturelles, le phénomène de convection thermique provoque le mouvement des masses d'air et affecte le temps et le climat.
En l'absence de gravité (en apesanteur dans un vaisseau spatial), la convection, c'est-à-dire la circulation des courants d'air, n'est pas établie. Cela n'a donc aucun sens d'allumer des brûleurs à gaz ou des allumettes à bord du vaisseau spatial: les produits de combustion chauds ne seront pas rejetés vers le haut, et de l'oxygène sera fourni à la source d'incendie, et la flamme s'éteindra.
Transfert rayonnant
Une substance peut également s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique, lorsque les atomes et les molécules acquièrent de l'énergie en absorbant les quanta électromagnétiques - les photons. Aux basses fréquences photoniques, ce processus n'est pas très efficace. Rappelons que lorsque nous ouvrons un four à micro-ondes, nous trouvons des aliments chauds à l'intérieur, mais pas d'air chaud. Avec une augmentation de la fréquence du rayonnement, l'effet du chauffage par rayonnement augmente, par exemple, dans la haute atmosphère de la Terre, un gaz hautement raréfié est intensément chauffé etionisé par les ultraviolets solaires.
Différents gaz absorbent le rayonnement thermique à des degrés divers. Ainsi, l'eau, le méthane, le dioxyde de carbone l'absorbent assez fortement. Le phénomène de l'effet de serre repose sur cette propriété.
La première loi de la thermodynamique
D'une manière générale, le changement d'énergie interne par le chauffage du gaz (transfert de chaleur) revient également à faire un travail soit sur les molécules de gaz, soit sur elles par une force externe (ce qui est noté de la même manière, mais avec l'inverse signe). Quel travail se fait dans cette voie de passage d'un état à un autre ? La loi de conservation de l'énergie nous aidera à répondre à cette question, plus précisément sa concrétisation par rapport au comportement des systèmes thermodynamiques - la première loi de la thermodynamique.
La loi, ou le principe universel de conservation de l'énergie, dans sa forme la plus généralisée, dit que l'énergie ne naît pas de rien et ne disparaît pas sans laisser de trace, mais ne fait que passer d'une forme à une autre. En ce qui concerne un système thermodynamique, cela doit être compris de telle manière que le travail effectué par le système est exprimé en termes de différence entre la quantité de chaleur transmise au système (gaz parfait) et la variation de son énergie interne. En d'autres termes, la quantité de chaleur communiquée au gaz est dépensée pour ce changement et pour le fonctionnement du système.
Ceci s'écrit sous forme de formules beaucoup plus simples: dA=dQ – dU, et par conséquent, dQ=dU + dA.
Nous savons déjà que ces quantités ne dépendent pas de la manière dont se fait la transition entre les états. La vitesse de cette transition et, par conséquent, l'efficacité dépendent de la méthode.
Comme pour le deuxièmele début de la thermodynamique, puis il fixe le sens du changement: la chaleur ne peut pas être transférée d'un gaz plus froid (et donc moins énergétique) vers un gaz plus chaud sans apport d'énergie supplémentaire de l'extérieur. La deuxième loi indique également qu'une partie de l'énergie dépensée par le système pour effectuer un travail se dissipe inévitablement, est perdue (ne disparaît pas, mais se transforme en une forme inutilisable).
Processus thermodynamiques
Les transitions entre les états d'énergie d'un gaz parfait peuvent avoir différents modèles de changement dans l'un ou l'autre de ses paramètres. L'énergie interne dans les processus de transitions de différents types se comportera également différemment. Considérons brièvement plusieurs types de tels processus.
- Le processus isochore se déroule sans changement de volume, par conséquent, le gaz ne fonctionne pas. L'énergie interne du gaz change en fonction de la différence entre les températures finale et initiale.
- Le processus isobare se produit à pression constante. Le gaz fonctionne, et son énergie thermique est calculée de la même manière que dans le cas précédent.
- Le processus isotherme est caractérisé par une température constante et, par conséquent, l'énergie thermique ne change pas. La quantité de chaleur reçue par le gaz est entièrement dépensée pour faire le travail.
- Adiabatique, ou processus adiabatique se déroule dans un gaz sans transfert de chaleur, dans un réservoir isolé thermiquement. Le travail se fait uniquement au détriment de l'énergie thermique: dA=- dU. Avec la compression adiabatique, l'énergie thermique augmente, avec la dilatation, respectivementdécroissant.
Divers isoprocessus sous-tendent le fonctionnement des moteurs thermiques. Ainsi, le processus isochore se déroule dans un moteur à essence aux positions extrêmes du piston dans le cylindre, et les deuxième et troisième temps du moteur sont des exemples de processus adiabatique. Lors de l'obtention de gaz liquéfiés, l'expansion adiabatique joue un rôle important - grâce à elle, la condensation des gaz devient possible. Les isoprocessus dans les gaz, dans l'étude desquels on ne peut se passer du concept d'énergie interne d'un gaz parfait, sont caractéristiques de nombreux phénomènes naturels et sont utilisés dans diverses branches de la technologie.
