Mühəndislik Termodinamik Sistemlərində Daxili Enerji Konsepsiyası
Mühəndislik termodinamikasının öyrənilməsində sistem analizində ən fundamental, lakin vacib anlayışlardan biri daxili enerjidir. Tez-tez U ilə simvolizə edilən daxili enerji, termodinamik sistem daxilində təmiz maddə və ya qarışıq olsun, bir maddənin xüsusiyyətlərinin vacib bir hissəsidir. Daxili enerjinin düzgün başa düşülməsi mühəndislərə buxar turbinləri, kompressorlar, daxili yanma mühərrikləri , qazanlar, istilik dəyişdiriciləri və soyuducu sistemlər kimi sistemlərin davranışını izah etməyə və hesablamağa kömək edir. Bu məqalədə daxili enerjinin tərifi, fiziki mənası, istilik və iş ilə əlaqəsi, Termodinamikanın Birinci Qanunundakı rolu və mühəndislik sistemlərində praktik tətbiqləri müzakirə olunur.
1. Daxili Enerjini Anlamaq
Daxili enerji, bir sistemdə onu təşkil edən hissəciklərin (molekullar, atomlar, elektronlar) hərəkəti və qarşılıqlı təsirləri səbəbindən saxlanılan ümumi mikroskopik enerjidir. Makroskopik miqyasda (məsələn, hərəkət edən və ya müəyyən bir hündürlükdə olan bir cisim) görünən kinetik və potensial enerjidən fərqli olaraq , daxili enerji mikro miqyasdakı hadisələrlə əlaqəlidir: molekulyar titrəmələr, fırlanmalar, tərcümələr, rabitə enerjisi və materialın daxili konfiqurasiyası ilə əlaqəli enerji.
Konseptual olaraq, sistemin ümumi enerjisi daxili enerji və makroskopik enerjinin kombinasiyası kimi yazıla bilər:
\[
E = U + KE + PE
\]
ilə:
– \(E\) = sistemin ümumi enerjisi
– \(U\) = daxili enerji
– \(KE\) = makroskopik kinetik enerji
– \(PE\) = makroskopik potensial enerji
Bir çox mühəndislik termodinamik analizlərində kinetik və potensial enerjidəki dəyişikliklər çox vaxt daxili enerji və ya entalpiyadakı dəyişikliklərdən daha kiçikdir və buna görə də hesablamaları sadələşdirmək üçün tez-tez nəzərə alınmır (baxmayaraq ki, burunlar və ya turbinlər kimi müəyyən tətbiqlərdə kinetik enerji əhəmiyyətli ola bilər).
2. Daxili Enerji Termodinamik Xassə Kimi
Daxili enerji bir hal funksiyasıdır. Bu o deməkdir ki, daxili enerjinin dəyəri yalnız sistemin cari vəziyyətindən (məsələn, temperatur, təzyiq və tərkib) asılıdır, həmin vəziyyətə çatmaq üçün keçilən proses yolundan deyil. Diferensial formada daxili enerjidəki dəyişiklik aşağıdakı kimi ifadə olunur:
\[
\Delta U = U_2 – U_1
\]
Vurğulanmalıdır ki, U-nun mütləq qiymətinin birbaşa ölçülməsi çətindir, çünki eksperimental olaraq müəyyən edilə bilən şey daxili enerjinin dəyişməsidir (\(\Delta U\)). Buna görə də, termodinamik cədvəllər (məsələn, su buxarı cədvəlləri) ümumiyyətlə müəyyən bir istinad vəziyyətinə nisbətən daxili enerji qiymətlərini təqdim edir.
3. Fiziki Məna: Mikroskopik Enerji Komponentləri
Daxili enerji enerjinin mikroskopik "anbarıdır". Ümumiyyətlə, daxili enerjidən gələn töhfələr aşağıdakıları əhatə edə bilər:
1. Molekulların translyasiya enerjisi (temperaturla əlaqəli).
2. Fırlanma və titrəmə enerjisi (poliatomik qazlarda və daha yüksək temperaturlarda əhəmiyyətli dərəcədə).
3. Molekullar arasında potensial enerji (mayelərdə və bərk maddələrdə dominantdır, molekullar arasındakı cazibə qüvvələrinin təsiri altındadır).
4. Kimyəvi rabitə enerjisi (yanma reaksiyalarında və ya kimyəvi proseslərdə vacibdir).
5. Nüvə enerjisi (adətən nəzərə alınmır) mühəndislik termodinamikası (nüvə reaktor sistemləri istisna olmaqla, klassik).
Bu komponentlər temperaturdan və maddənin quruluşundan təsirləndiyindən , daxili enerji temperaturla sıx bağlıdır. İdeal qaz üçün daxili enerji əsasən yalnız temperaturun funksiyasıdır.
4. Daxili Enerji ilə İstilik və İş Arasındakı Əlaqə
Geniş yayılmış yanlış təsəvvürlərdən biri daxili enerjinin istiliklə "eyni" hesab edilməsidir. Əslində:
– İstilik (Q) temperatur fərqləri səbəbindən sistem sərhədindən keçən enerjidir.
– İş (W) yerdəyişmə vasitəsilə təsir edən qüvvənin (məsələn, sərhəd işi \(P\,dV\), turbindəki val işi, elektrik işi və s.) sistem sərhədindən ötürülən enerjidir.
– Daxili enerji (U) sistemdə hal mülkiyyəti kimi saxlanılan enerjidir.
Sistem istilik aldıqda, onun daxili enerjisi arta bilər, lakin həmişə deyil - çünki daxil olan enerjinin bir hissəsi iş çıxışına çevrilə bilər. Əksinə, sistem işlədikdə, adiabatik genişlənmədə olduğu kimi, istilik itirilməsə belə, onun daxili enerjisi azala bilər.
5. Termodinamikanın Birinci Qanununda Daxili Enerji
Termodinamikanın Birinci Qanunu enerjinin qorunması qanununu ifadə edir. Qapalı sistem üçün ən çox yayılmış forma aşağıdakılardır:
\[
\Delta U + \Delta KE + \Delta PE = Q – W
\]
Kinetik və potensial enerjidəki dəyişiklikləri nəzərə almamaq olarsa:
\[
\Delta U = Q – W
\]
Bu tənlik daxili enerjidəki dəyişikliyin enerji balansı ilə müəyyən edildiyini izah edir: istilik kimi daxil olan enerjidən iş kimi çıxan enerji çıxılır.
Konseptual nümunə
– Sərt bir qabda (sabit həcm) qazı qızdırdıqda, sərhəd işi \(W = 0\)-dir, beləliklə, daxil olan bütün istilik daxili enerjini artırır: \(\Delta U = Q\).
– Adiabatik genişlənmədə (istilik ötürülməsi yoxdur, \(Q=0\)), sistem işləyir və onun daxili enerjisi azalır: \(\Delta U = -W\).
6. Daxili Enerji və Entalpiya arasındakı fərq
Mühəndislik termodinamikasında daxili enerjidən əlavə, entalpiya (H) də məlumdur:
\[
H = U + PV
\]
Entalpiya turbinlər, kompressorlar, qazanlar və istilik dəyişdiriciləri kimi axın (idarəetmə həcmi) sistemlərində istifadə üçün daha praktikdir, çünki \(PV\) termini mayenin idarəetmə həcminə və xaricinə itələnməsi ilə əlaqəli "axın işini" təmsil edir.
Lakin, daxili enerji, xüsusən də aşağıdakılarda çox vacibdir:
– qapalı sistemlər (məsələn, silindr-porşen),
– sabit həcm prosesi,
– çənlərdə keçid təhlili,
– və müəyyən şərtlər altında maddələrin termodinamik xüsusiyyətlərinin təyini.
7. İdeal Qazda Daxili Enerji
İdeal qaz üçün daxili enerji yalnız temperaturdan asılıdır:
\[
U = U(T)
\]
Beləliklə, daxili enerjidəki dəyişiklik sabit həcmdə istilik tutumu (\(C_v\)) ilə hesablana bilər:
\[
\Delta U = m\int_{T_1}^{T_2} C_v(T)\, dT
\]
Əgər \(C_v\) sabit hesab olunursa:
\[
\Delta U = m C_v (T_2 – T_1)
\]
Qaz sıxılma/genişləndirmə prosesləri, ideal dövr təhlili (Otto, Dizel, Brayton) və əsas enerji ötürülməsi hesablamaları kimi mühəndislik komponentləri üzrə sürətli hesablamalar üçün çox faydalıdır.
8. Real Maddələrdə və Su Buxarında Daxili Enerji
Su, soyuducu maddələr və ya karbohidrogen qarışıqları kimi real maddələrdə daxili enerji həmişə yalnız temperaturun funksiyası deyil. O, həmçinin təzyiq və fazadan (maye, buxar, qarışıq) təsirlənir. Buna görə də, enerji təhlili adətən aşağıdakılara aiddir:
– termodinamik masa (buxar masası),
– \(Pv\), \(Ts\) və ya \(hs\) diaqramları,
– və ya hal və xassə modellərinin tənlikləri.
Məsələn, suda: molekullararası cazibə qüvvələrinin qırılması ilə əlaqəli gizli enerji səbəbindən doymuş mayedən doymuş buxara faza dəyişikliyi baş verdikdə daxili enerji kəskin şəkildə artır.
9. Daxili Enerjinin Mühəndislik Termodinamik Sistemlərində Tətbiqi
Enerji anlayışı mühəndislik avadanlıqlarının dizaynına və performans qiymətləndirməsinə birbaşa təsir göstərir, məsələn:
1. Yanma kamerası və daxili yanma mühərriki: yanma qazlarında enerji dəyişiklikləri kimyəvi enerjinin sərbəst buraxılması və qazın temperaturu ilə əlaqədardır.
2. Təzyiqli saxlama çənləri: doldurma/boşalma prosesi, xüsusən də adiabatik və ya keçici şəraitdə çəndəki mayenin daxili enerjisindəki dəyişikliklər vasitəsilə təhlil edilə bilər.
3. Qazanlar və kondensatorlar: axın analizində tez-tez entalpiyadan istifadə olunsa da, daxili enerji faza dəyişikliklərini və mayenin daxili enerji balansını anlamağa kömək edir.
4. Soyutma sistemi: daxili enerji, xüsusilə müəyyən komponentlərdə qapalı sistem kimi təhlil edildikdə, sıxılma, genişlənmə və istilik ötürülməsi zamanı soyuducu maddədəki enerji dəyişikliklərini izah edir.
10. Nəticə
Daxili enerji mühəndislik termodinamikasında mərkəzi bir anlayışdır, çünki o, sistemdə hal xassəsi kimi saxlanılan mikroskopik enerjini təmsil edir. Termodinamikanın Birinci Qanununa əsasən, daxili enerjidəki dəyişikliklər istilik ötürülməsi və işi əlaqələndirir və beləliklə, müxtəlif mühəndislik proseslərinin enerji təhlili üçün əsas təşkil edir . İdeal qazlarda daxili enerji əsasən temperaturdan asılıdır, real maddələrdə isə daxili enerji faza şəraitindən və təzyiqdən təsirlənir. Daxili enerjini dərindən anlayaraq mühəndis daha dəqiq modellər qura, səmərəli hesablamalar apara və müxtəlif istilik sistemi tətbiqlərində müvafiq dizayn qərarları verə bilər.
İstəsəniz, daxili enerji anlayışını daha konkret etmək üçün ədədi hesablamalara nümunələr (məsələn, silindrdə qazın qızması və ya adiabatik genişlənmə) əlavə edə bilərəm.
