Bun-bheachd Lùtha a-staigh ann an Siostaman Teirmeadainimigeach Innleadaireachd
Ann an sgrùdadh teirmeadainimig innleadaireachd, is e lùth a-staigh aon de na bun-bheachdan as bunaitiche ach as cudromaiche ann an mion-sgrùdadh siostaman. Tha lùth a-staigh, gu tric air a shamhlachadh le U, na phàirt chudromach de fheartan stuth, ge bith an e stuth fìor-ghlan no measgachadh a th’ ann, taobh a-staigh siostam teirmeadainimig. Bidh tuigse cheart air lùth a-staigh a’ cuideachadh innleadairean gus giùlan shiostaman leithid roth-uidheaman smùide, teannadairean, einnseanan losgaidh a-staigh, coireachan, iomlaidearan teas, agus siostaman fuarachaidh a mhìneachadh agus obrachadh a-mach. Tha an t-artaigil seo a’ beachdachadh air mìneachadh lùth a-staigh, a bhrìgh fiosaigeach, a dhàimh ri teas agus obair, a dhreuchd anns a’ Chiad Lagh de Thermeadainimig, agus na cleachdaidhean practaigeach aige ann an siostaman innleadaireachd.
1. A’ Tuigsinn Lùth a-staigh
’S e lùth a-staigh an lùth microscopach iomlan a tha air a stòradh ann an siostam air sgàth gluasad agus eadar-obrachadh nam mìrean a tha nam pàirt dheth (moileciuilean, dadaman, dealanan). Eu-coltach ri lùth cineatach agus lùth comasach, a tha rim faicinn air sgèile macrascopach (me, nì a’ gluasad no aig àirde sònraichte), tha lùth a-staigh co-cheangailte ri iongantas air sgèile microscopach: crithidhean moileciuil, rothlaidhean, eadar-theangachaidhean, lùth ceangail, agus an lùth co-cheangailte ri rèiteachadh a-staigh stuth.
Gu bun-bheachdail, faodar lùth iomlan siostam a sgrìobhadh mar mheasgachadh de lùth a-staigh agus lùth macrascopach:
\[
E = U + KE + PE
\]
le:
– \(E\) = lùth iomlan an t-siostaim
– \(U\) = lùth a-staigh
– \(KE\) = lùth cineatach macrascopach
– \(PE\) = lùth comasach macrascopigeach
Ann am mòran anailis teirmodynamic innleadaireachd, bidh na h-atharrachaidhean ann an lùth cineatach agus lùth comasach gu tric mòran nas lugha na na h-atharrachaidhean ann an lùth a-staigh no enthalpy, agus mar sin bidh iad tric air an dearmad gus àireamhachadh a dhèanamh nas sìmplidhe (ged a dh’ fhaodadh lùth cineatach a bhith cudromach ann an cuid de thagraidhean leithid ceann-bheòil no roth-uidheaman).
2. Lùth a-staigh mar fheart teirmeadainimigeach
’S e gnìomh staid a th’ ann an lùth a-staigh. Tha seo a’ ciallachadh gu bheil luach lùth a-staigh an urra ri staid làithreach an t-siostaim a-mhàin (me, teòthachd, cuideam, agus co-dhèanamh), chan ann air slighe a’ phròiseis a chaidh a ghabhail gus an staid sin a ruighinn. Ann an cruth eadar-dhealaichte, tha an t-atharrachadh ann an lùth a-staigh air a chur an cèill mar:
\[
Delta U = U_2 – U_1
\]
Bu chòir a dhaingneachadh gu bheil e doirbh luach iomlan U a thomhas gu dìreach, leis gur e an t-atharrachadh ann an lùth a-staigh (\(\Delta U\)) a ghabhas dearbhadh gu deuchainneach. Mar sin, mar as trice bidh clàran teirmeadainimigeach (me, clàran smùid uisge) a’ taisbeanadh luachan lùtha a-staigh an coimeas ri staid iomraidh sònraichte.
3. Ciall Fhisigeach: Co-phàirtean Lùtha Microscopach
Is e “stòras” beag bìodach de lùth a th’ ann an lùth a-staigh. San fharsaingeachd, faodaidh tabhartasan bho lùth a-staigh a bhith a’ toirt a-steach:
1. Lùth eadar-theangachaidh nam moileciuilean (co-cheangailte ri teòthachd).
2. Lùth rothlach is crithidh (cudromach ann an gasaichean polyatomic agus aig teòthachdan nas àirde).
3. Lùth comasach eadar moileciuilean (as cudromaiche ann an leaghan is solidan, fo bhuaidh nan feachdan tarraingeach eadar moileciuilean).
4. Lùth ceangail cheimigeach (cudromach ann an ath-bheachdan losgaidh no pròiseasan ceimigeach).
5. Lùth niùclasach (mar as trice air a leigeil seachad ann an teirmodynamics innleadaireachd clasaigeach ach a-mhàin ann an siostaman reactar niùclasach).
Leis gu bheil na co-phàirtean seo fo bhuaidh teòthachd agus structar an stuth, tha lùth a-staigh ceangailte gu dlùth ri teòthachd. Airson gas air leth, tha lùth a-staigh na phrìomh ghnìomh den teòthachd a-mhàin.
4. An Dàimh eadar Lùth a-staigh agus Teas agus Obair
Is e aon mhì-thuigse chumanta gu bheilear den bheachd gu bheil lùth a-staigh “mar an ceudna” ri teas. Gu dearbh:
– Is e teas (Q) lùth a ghluaiseas thairis air crìoch an t-siostaim air sgàth eadar-dhealachaidhean teòthachd.
– ’S e obair (W) an lùth a thèid a ghluasad thairis air crìoch an t-siostaim air sgàth feachd a tha ag obair tron gluasad (m.e. obair crìche \(P\,dV\), obair shailean air roth-uidheam, obair dealain, msaa.).
– Is e lùth a-staigh (U) an lùth a tha air a stòradh san t-siostam mar fheart stàite.
Nuair a gheibh siostam teas, faodaidh an lùth a-staigh aige àrdachadh, ach chan ann an-còmhnaidh - oir faodar cuid den lùth a tha a’ tighinn a-steach a thionndadh gu toradh obrach. Air an làimh eile, nuair a bhios siostam ag obair, faodaidh an lùth a-staigh aige lùghdachadh eadhon ged nach tèid teas a chall, mar a thachras ann an leudachadh adiabatic.
5. Lùth a-staigh anns a’ Chiad Lagh de Thermodynamics
Tha a’ Chiad Lagh den Thermodynamics ag ràdh gu bheil lùth ga ghleidheadh. Airson siostam dùinte, is e seo an cruth as cumanta:
\[
\Delta U + \Delta KE + \Delta PE = Q-W
\]
Ma ghabhas dearmad a dhèanamh air na h-atharrachaidhean ann an lùth cineatach agus lùth comasach:
\[
ΣU = Q – W
\]
Tha an co-aontar seo a’ mìneachadh gu bheil an t-atharrachadh ann an lùth a-staigh air a dhearbhadh leis a’ chothromachadh lùtha: lùth a’ tighinn a-steach mar theas nas lugha na lùth a’ falbh mar obair.
Eisimpleir bun-bheachdail
– Nuair a bhios gas ga theasachadh ann an soitheach cruaidh (meud seasmhach), is e _(W = 0_) an obair crìche, agus mar sin bidh an teas a thig a-steach ag àrdachadh an lùth a-staigh: _(\Delta U = Q_).
– Ann an leudachadh adiabatic (gun ghluasad teas, \(Q=0\)), bidh an siostam ag obair agus bidh an lùth a-staigh aige a’ lùghdachadh: \(\Delta U = -W\).
6. An diofar eadar lùth a-staigh agus entalpaidh
Ann an teirmeadainimic innleadaireachd, a bharrachd air lùth a-staigh, tha enthalpy (H) cuideachd aithnichte:
\[
H = U + PV
\]
Tha entalpy gu tric nas practaigeach airson a chleachdadh ann an siostaman sruthadh (meud smachd) leithid roth-uidheaman, compressors, boilearan, agus iomlaidearan teas, leis gu bheil an teirm \(PV\) a’ riochdachadh an “obair sruthadh” co-cheangailte ri bhith a’ putadh lionn a-steach agus a-mach às an tomhas smachd.
Ach, tha lùth a-staigh fhathast glè chudromach, gu h-àraidh ann an:
– siostaman dùinte (m.e. siolandair-loistein),
– pròiseas meud cunbhalach,
– mion-sgrùdadh sealach air tancaichean,
– agus dearbhadh feartan teirmeadainimigeach stuthan fo chumhachan sònraichte.
7. Lùth a-staigh ann an Gas Ideal
Airson gas air leth, chan eil an lùth a-staigh an urra ach air teòthachd:
\[
U = U(T)
\]
Mar sin faodar an t-atharrachadh ann an lùth a-staigh obrachadh a-mach leis a’ chomas teas aig meud seasmhach (\(C_v\)):
\[
ΔU = m\int_{T_1}^{T_2} C_v(T)\, dT
\]
Ma thathar den bheachd gu bheil \(C_v\) seasmhach:
\[
ΔU = mCv(T2 – T1)
\]
Tha e glè fheumail airson àireamhachadh luath air co-phàirtean innleadaireachd leithid pròiseasan teannachaidh/leudachaidh gas, mion-sgrùdadh cearcall air leth (Otto, Diesel, Brayton), agus àireamhachadh bunaiteach air gluasad lùtha.
8. Lùth a-staigh ann an stuthan fìor agus ceò uisge
Ann an stuthan fìor leithid uisge, fuaradairean, no measgachaidhean haidreacarbon, chan eil lùth a-staigh an-còmhnaidh na ghnìomh de theodhachd a-mhàin. Tha buaidh aig cuideam agus ìre (leaghan, ceò, measgachadh) air cuideachd. Mar sin, mar as trice bidh mion-sgrùdadh lùth a-staigh a’ toirt iomradh air:
– clàr teirmeadainimigeach (clàr smùide),
– diagraman \(Pv\), \(Ts\), no \(hs\),
– no co-aontaran mhodalan staid is feartan.
Mar eisimpleir, ann an uisge: bidh an lùth a-staigh ag àrdachadh gu mòr nuair a bhios atharrachadh ìre ann bho leaghan shàthaichte gu ceò shàthaichte air sgàth an lùth falaichte co-cheangailte ri briseadh fheachdan tarraing eadar-mhóileciuil.
9. Cleachdadh Lùtha Inmheach ann an Siostaman Teirmeadainimigeach Innleadaireachd
Tha buaidh dhìreach aig tuigse air lùth air dealbhadh is measadh coileanaidh uidheamachd innleadaireachd, mar eisimpleir:
1. Seòmar losgaidh agus einnsean losgaidh a-staigh: tha atharrachaidhean ann an lùth anns na gasaichean losgaidh co-cheangailte ri leigeil ma sgaoil lùth cheimigeach agus teòthachd a’ ghasa.
2. Tancaichean stòraidh fo chuideam: faodar am pròiseas lìonaidh/falmhachaidh a sgrùdadh tro atharrachaidhean ann an lùth a-staigh an leaghan anns an tanca, gu h-àraidh fo chumhachan adiabatic no sealach.
3. Goileadairean agus co-dhlùthadairean: ged a bhios mion-sgrùdadh sruthadh gu tric a’ cleachdadh enthalpy, bidh lùth a-staigh a’ cuideachadh le bhith a’ tuigsinn atharrachaidhean ìre agus cothromachadh lùtha a-staigh an leaghan.
4. Siostam fuarachaidh: tha lùth a-staigh a’ mìneachadh nan atharrachaidhean lùtha anns an fhuaradair rè teannachadh, leudachadh agus gluasad teas, gu h-àraidh nuair a thèid a sgrùdadh mar shiostam dùinte ann an cuid de phàirtean.
10. Co-dhùnadh
Tha lùth a-staigh na bhun-bheachd meadhanach ann an teirmeadainimig innleadaireachd oir tha e a’ riochdachadh an lùth mhicreascopach a tha air a stòradh ann an siostam mar fheart stàite. Tro Chiad Lagh na Teirmeadainimig, tha atharrachaidhean ann an lùth a-staigh a’ ceangal gluasad teas agus obair, agus mar sin a’ cruthachadh a’ bhunait airson mion-sgrùdadh lùtha air diofar phròiseasan innleadaireachd. Ann an gasaichean air leth, tha lùth a-staigh an urra ri teòthachd sa mhòr-chuid, agus ann an stuthan fìor, tha buaidh aig suidheachaidhean ìre agus cuideam air lùth a-staigh. Le bhith a’ tuigsinn lùth a-staigh gu domhainn, faodaidh innleadair modalan nas cruinne a thogail, àireamhachadh èifeachdach a dhèanamh, agus co-dhùnaidhean dealbhaidh iomchaidh a dhèanamh ann an diofar thagraidhean siostam teirmeach.
Ma thogras tu, is urrainn dhomh eisimpleirean de àireamhachadh àireamhach a chur ris (m.e. teasachadh gas ann an siolandair no leudachadh adiabatic) gus bun-bheachd lùth a-staigh a dhèanamh nas concrait.
