דער באַגריף פון אינערלעכער ענערגיע אין אינזשעניריע טערמאָדינאַמישע סיסטעמען
אין דער שטודיע פון אינזשעניריע טערמאדינאמיק, איינע פון די מערסט פונדאַמענטאַלע אָבער קריטישע קאָנצעפּטן אין סיסטעם אַנאַליז איז אינערלעכע ענערגיע. אינערלעכע ענערגיע, אָפט סימבאַליזירט דורך U, איז אַ וויכטיקער טייל פון די אייגנשאַפטן פון אַ סובסטאַנץ, צי אַ ריין סובסטאַנץ אָדער אַ געמיש, אין אַ טערמאדינאמיש סיסטעם. אַ געהעריק פארשטאנד פון אינערלעכער ענערגיע העלפט אינזשענירן דערקלערן און רעכענען די נאַטור פון סיסטעמען ווי דאַמף טורבינען, קאָמפּרעסאָרן, אינערלעכע פארברענונג מאָטאָרן, בוילערס, היץ וועקסלערס און קיל סיסטעמען. דער אַרטיקל דיסקוטירט די דעפֿיניציע פון אינערלעכער ענערגיע, איר פיזישע באַדייטונג, איר שייכות צו היץ און אַרבעט, איר ראָלע אין דעם ערשטן געזעץ פון טערמאדינאמיק, און אירע פּראַקטישע אַפּליקאַציעס אין אינזשעניריע סיסטעמען.
1. פֿאַרשטיין אינערלעכע ענערגיע
אינערלעכע ענערגיע איז די גאַנצע מיקראָסקאָפּישע ענערגיע וואָס איז געשפּאָרן אין אַ סיסטעם צוליב דער באַוועגונג און אינטעראַקציעס פון אירע קאָנסטיטואַנט פּאַרטיקלען (מאָלעקולן, אַטאָמען, עלעקטראָנען). ניט ווי קינעטישע און פּאָטענציעלע ענערגיע, וואָס זענען קענטיק אויף אַ מאַקראָסקאָפּישן סקאַלע (למשל, אַן אָביעקט וואָס באַוועגט זיך אָדער איז אין אַ געוויסער הייך), איז אינערלעכע ענערגיע פֿאַרבונדן מיט דערשיינונגען אויף אַ מיקראָסקאַלע: מאָלעקולאַרע ווייבריישאַנז, ראָטאַציעס, טראַנסלאַציעס, פֿאַרבינדונג ענערגיע, און די ענערגיע פֿאַרבונדן מיט דער אינערלעכער קאָנפיגוראַציע פון אַ מאַטעריאַל.
קאָנצעפּטועל, קען מען שרייבן די גאַנצע ענערגיע פֿון אַ סיסטעם ווי די קאָמבינאַציע פֿון אינערלעכער ענערגיע און מאַקראָסקאָפּישער ענערגיע:
\[
E = U + KE + PE
\]
מיט:
– \(E\) = גאַנצע ענערגיע פֿון דער סיסטעם
– \(U\) = אינערלעכע ענערגיע
– \(KE\) = מאַקראָסקאָפּישע קינעטישע ענערגיע
– \(PE\) = מאַקראָסקאָפּישע פּאָטענציעלע ענערגיע
אין פילע אינזשעניריע טערמאדינאמישע אנאליזן, זענען די ענדערונגען אין קינעטישע און פאטענציעלע ענערגיע אפט פיל קלענער ווי די ענדערונגען אין אינערליכער ענערגיע אדער ענטהאלפי, און ווערן דעריבער אפט פארנאכלעסיגט צו פארפּשוטערן די חשבונות (כאטש אין געוויסע אנווענדונגען ווי למשל נאזלען אדער טורבינעס, קען קינעטישע ענערגיע זיין באדייטנד).
2. אינערלעכע ענערגיע אלס א טערמאדינאמישע אייגנשאפט
אינערלעכע ענערגיע איז א צושטאנד פונקציע. דאס מיינט אז דער ווערט פון אינערלעכער ענערגיע איז נאר אפהענגיק פון דעם איצטיקן צושטאנד פון דער סיסטעם (למשל, טעמפעראטור, דרוק, און צוזאמענשטעלונג), נישט פון דעם פראצעס וועג וואס מען נעמט צו דערגרייכן יענעם צושטאנד. אין דיפערענציעלער פארעם, ווערט די ענדערונג אין אינערלעכער ענערגיע אויסגעדריקט ווי:
\[
\דעלטאַ U = U_2 – U_1
\]
עס איז וויכטיג צו באטאנען אז דער אבסאלוטער ווערט פון U איז שווער צו מעסטן דירעקט, ווייל וואס מען קען באשטימען עקספערימענטאל איז די ענדערונג אין אינערליכער ענערגיע (\(\Delta U\)). דעריבער, טערמאדינאמישע טאבעלעס (למשל, וואסער פארע טאבעלעס) ווייזן בכלל די אינערליכער ענערגיע ווערטן אין באצוג צו א געוויסן רעפערענץ צושטאנד.
3. פיזישע באַדייטונג: מיקראָסקאָפּישע ענערגיע קאָמפּאָנענטן
אינערלעכע ענערגיע איז א מיקראָסקאָפּישע "רעזערוואַטור" פון ענערגיע. בכלל, ביישטייערונגען פון אינערלעכער ענערגיע קענען אַרייַננעמען:
1. טראַנסלאַציאָנעלע ענערגיע פון מאָלעקולן (טעמפּעראַטור-פֿאַרבונדן).
2. ראָטאַציאָנעלע און וויבראַציאָנעלע ענערגיע (באַדייטנדיק אין פּאָליאַטאָמישע גאַזן און ביי העכערע טעמפּעראַטורן).
3. פאטענציעלע ענערגיע צווישן מאלעקולן (דאמינאנט אין פליסיקייטן און פעסטע שטאפן, באאיינפלוסט דורך די אטראקטיווע כוחות צווישן מאלעקולן).
4. כעמישע בונד ענערגיע (וויכטיק אין פארברענונג רעאקציעס אדער כעמישע פראצעסן).
5. נוקלעארע ענערגיע (געוויינטלעך איגנאָרירט אין קלאַסישער אינזשעניריע טערמאָדינאַמיק אַחוץ אין נוקלעארע רעאַקטאָר סיסטעמען).
ווייל די קאָמפּאָנענטן ווערן באַאיינפֿלוסט דורך טעמפּעראַטור און די סטרוקטור פֿון דער סובסטאַנץ, איז אינערלעכע ענערגיע ענג פֿאַרבונדן מיט טעמפּעראַטור. פֿאַר אַן אידעאַלן גאַז איז אינערלעכע ענערגיע בפֿרט אַ פֿונקציע פֿון טעמפּעראַטור אַליין.
4. די באַציִונג צווישן אינערלעכער ענערגיע און היץ און אַרבעט
איין געוויינטלעכע פאַלשע מיינונג איז אַז אינערלעכע ענערגיע ווערט באַטראַכט "די זעלבע" ווי היץ. אין פאַקט:
– היץ (Q) איז ענערגיע וואָס באַוועגט זיך אַריבער די סיסטעם גרענעץ צוליב טעמפּעראַטור אונטערשיידן.
– ארבעט (W) איז די ענערגיע וואס ווערט טראנספערירט אריבער די סיסטעם גרענעץ צוליב א קראפט וואס ארבעט דורך די פארשייבונג (למשל גרענעץ ארבעט \(P\,dV\), שאפט ארבעט אויף א טורבין, עלעקטרישע ארבעט, אא"וו).
– אינערלעכע ענערגיע (U) איז די ענערגיע וואָס איז געהיט אין דער סיסטעם ווי אַ צושטאַנד־אייגנטום.
ווען אַ סיסטעם באַקומט היץ, קען איר אינערלעכע ענערגיע זיך פֿאַרגרעסערן, אָבער נישט שטענדיק — ווײַל אַ טייל פֿון דער אַרײַנקומענדיקער ענערגיע קען זיך פֿאַרוואַנדלען אין אַרבעט. פֿאַרקערט, ווען אַ סיסטעם אַרבעט, קען איר אינערלעכע ענערגיע זיך פֿאַרקלענערן כאָטש קיין היץ גייט נישט פֿאַרלוירן, ווי בײַ אַדיאַבאַטישער עקספּאַנשאַן.
5. אינערלעכע ענערגיע אין דעם ערשטן געזעץ פון טערמאדינאמיק
דער ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק זאגט די קאנסערוואציע פון ענערגיע. פאר א פארמאכטן סיסטעם, איז די מערסטע פארשפרייטע פארעם:
\[
\ דעלטאַ ו + \ דעלטאַ קע + \ דעלטאַ פּע = ק - וו
\]
אויב די ענדערונגען אין קינעטישע און פּאָטענציעלע ענערגיע קענען איגנאָרירט ווערן:
\[
\דעלטאַ U = Q – W
\]
די גלייכונג דערקלערט אז די ענדערונג אין אינערליכער ענערגיע ווערט באשטימט דורך דעם ענערגיע באלאנס: ענערגיע וואס גייט אריין אלס היץ מינוס ענערגיע וואס גייט ארויס אלס ארבעט.
קאָנצעפּטואַל בייַשפּיל
– ווען מען הייצט אויף א גאז אין א שטייפן געפעס (קאנסטאנטער פארנעם), איז די גרענעץ-ארבעט \(W = 0\), אזוי אז אלע אריינקומענדיקע היץ פארגרעסערט די אינערליכע ענערגיע: \(\Delta U = Q\).
– ביי אדיאבאַטישער עקספּאַנשאַן (קיין היץ־איבערפיר, \(Q=0\)), אַרבעט די סיסטעם יאָ און איר אינערלעכע ענערגיע פאַרקלענערט זיך: \(\Delta U = -W\).
6. אונטערשייד צווישן אינערלעכער ענערגיע און ענטהאלפּי
אין אינזשעניריע טערמאדינאמיק, חוץ אינערליכע ענערגיע, איז ענטהאלפי (H) אויך באקאנט:
\[
ה = א + פּוו
\]
ענטהאלפּי איז אָפט מער פּראַקטיש פֿאַר נוצן אין פֿלוס (קאָנטראָל וואָלומען) סיסטעמען ווי טורבינען, קאָמפּרעסאָרן, בוילערס און היץ וועקסלערס, ווייַל דער \(PV\) טערמין רעפּרעזענטירט די "פֿלוס אַרבעט" פֿאַרבונדן מיטן שטופּן פליסיקייט אַרײַן און אַרויס פֿון דעם קאָנטראָל וואָלומען.
אבער, אינערליכע ענערגיע בלייבט זייער וויכטיג, ספעציעל אין:
– פארמאכטע סיסטעמען (למשל צילינדער-פיסטאן),
– קאָנסטאַנטע וואָלומען פּראָצעס,
– טראַנזיענט אַנאַליז אויף טאַנקען,
– און באַשטימונג פון די טערמאָדינאַמישע אייגנשאַפטן פון סאַבסטאַנצן אונטער געוויסע באַדינגונגען.
7. אינערלעכע ענערגיע אין אידעאלן גאז
פֿאַר אַן אידעאַלן גאַז, די אינערלעכע ענערגיע איז נאָר אָפּהענגיק פֿון טעמפּעראַטור:
\[
א = א(ט)
\]
אַזוי קען מען אויסרעכענען די ענדערונג אין אינערלעכער ענערגיע מיט דער היץ קאַפּאַציטעט ביי אַ קאָנסטאַנטן באַנד (\(C_v\)):
\[
\דעלטאַ U = m\int_{T_1}^{T_2} C_v(T)\, dT
\]
אויב \(C_v\) ווערט באַטראַכט ווי קאָנסטאַנט:
\[
\דעלטאַ U = m C_v (T_2 – T_1)
\]
עס איז זייער נוצלעך פֿאַר שנעלע קאַלקולאַציעס אויף אינזשעניריע קאָמפּאָנענטן ווי גאַז קאַמפּרעסיע/עקספּאַנסיע פּראָצעסן, אידעאַלע ציקל אַנאַליז (אָטטאָ, דיזל, ברייטאָן), און גרונטלעכע ענערגיע אַריבערפירן קאַלקולאַציעס.
8. אינערלעכע ענערגיע אין רעאַלע סובסטאַנצן און וואַסער פארע
אין עכטע סובסטאַנצן ווי וואַסער, קילמאַטעריאַלן, אדער כיידראָקאַרבאָן געמישן, איז אינערלעכע ענערגיע נישט שטענדיק אַ פונקציע פון טעמפּעראַטור אַליין. עס ווערט אויך באַאיינפלוסט דורך דרוק און פאַזע (פליסיק, פארע, געמיש). דעריבער, באַציט זיך אינערלעכע ענערגיע אַנאַליז געוויינטלעך צו:
– טערמאָדינאַמישע טאַבעלע (דאַמף טאַבעלע),
– \(Pv\), \(Ts\), אדער \(hs\) דיאַגראַמען,
– אדער גלייכונגען פון צושטאנד און אייגנשאפט מאָדעלן.
למשל, אין וואַסער: די אינערלעכע ענערגיע וואַקסט שטאַרק ווען עס איז אַ פאַזע ענדערונג פון געזעטיקטע פליסיקייט צו געזעטיקטע פארע צוליב דער לאַטענטער ענערגיע פֿאַרבונדן מיטן צעברעכן די אינטערמאָלעקולאַרע כוחות פון אַטראַקציע.
9. אנווענדונג פון אינערלעכער ענערגיע אין אינזשעניריע טערמאדינאמישע סיסטעמען
פֿאַרשטיין ענערגיע האָט אַ דירעקטן השפּעה אויף דעם פּלאַן און פאָרשטעלונג אָפּשאַצונג פֿון אינזשעניריע עקוויפּמענט, למשל:
1. פארברענונג קאמער און אינערליכע פארברענונג מאטאר: ענדערונגען אין ענערגיע אין די פארברענונג גאזן זענען פארבונדן מיט דער ארויסלאזונג פון כעמישע ענערגיע און די טעמפעראטור פון דעם גאז.
2. דרוק-געשטעלטע סטאָרידזש טאַנקען: דער פילונג/ליידיקן פּראָצעס קען ווערן אַנאַליזירט דורך ענדערונגען אין דער אינערלעכער ענערגיע פון דער פליסיקייט אין דעם טאַנק, ספּעציעל אונטער אַדיאַבאַטיש אָדער טראַנזיענט באַדינגונגען.
3. בוילערס און קאָנדענסערס: כאָטש פלוס אַנאַליז ניצט אָפט ענטהאַלפּי, העלפט אינערלעכע ענערגיע פֿאַרשטיין פֿאַזע ענדערונגען און די אינערלעכע ענערגיע וואָג פֿון דער פֿליסיקייט.
4. קיל סיסטעם: אינערלעכע ענערגיע דערקלערט די ענערגיע ענדערונגען אין די קילמיטל בעת קאמפרעסיע, אויסברייטונג, און היץ טראנספער, ספעציעל ווען אנאליזירט אלס א פארמאכטע סיסטעם אין געוויסע קאמפאנענטן.
10. מסקנא
אינערלעכע ענערגיע איז א צענטראלער באגריף אין אינזשעניריע טערמאדינאמיק ווייל עס רעפרעזענטירט די מיקראסקאפישע ענערגיע וואס ווערט געהאלטן אין א סיסטעם אלס אן אייגנשאפט פון א צושטאנד. דורך דעם ערשטן געזעץ פון טערמאדינאמיק, פארבינדן ענדערונגען אין אינערלעכער ענערגיע היץ-איבערפיר און ארבעט, אזוי פארמענדיג די באזע פאר ענערגיע אנאליז פון פארשידענע אינזשעניריע פראצעסן. אין אידעאלע גאזן, דעפענדירט אינערלעכע ענערגיע הויפטזעכלעך אויף טעמפעראטור, בשעת אין רעאלע סובסטאנצן, ווערט אינערלעכע ענערגיע באאיינפלוסט דורך פאזע באדינגונגען און דרוק. דורך פארשטיין אינערלעכע ענערגיע אין טיפקייט, קען אן אינזשעניר בויען מער גענויע מאדעלן, דורכפירן עפעקטיווע חשבונות, און מאכן צוגעפאסטע דיזיין באשלוסן אין פארשידענע טערמאלע סיסטעם אפליקאציעס.
אויב איר ווילט, קען איך צולייגן ביישפילן פון נומערישע חשבונות (למשל, הייצן א גאז אין א צילינדער אדער אדיאבאטישע אויסברייטונג) כדי צו מאכן דעם באגריף פון אינערליכער ענערגיע מער קאנקרעט.
