«انرژی»
مقدمه
قانون بقای جرم ـ انرژی انیشتین نشان داد که جرم نیز نوعی انرژی است. این قانون موجب شد که دو قانون مجزای بقای جرم که لاوازیه کشف کرده بود با قانون بقای انرژی در هم ادغام شوند و در فیزیک مدرن تنها یک قانون وجود دارد و آن قانون بقای جرم ـ انرژی است.
بعدها در مکانیک کوانتوم قانون بقای انرژی مورد تجدید نظر قرار گرفت و در مدت کوتاهی که با اصل عدم قطعیت تطبیق کند، قانون بقای انرژی نقض می شود. اما نظریه سی. پی. اچ. گامی فراتر رفت و نشان داد که نیرو دارای جرم است و قابل تبدیل به انرژی و ماده می باشد. پذیرش افزایش جرم نسبیتی بدون توجه به قانون بقای جرم، انرژی و نیرو، جهانی غیر قابل شناخت را در مقابل ما قرار خواهد داد. همچنانکه یکی از معضلات فیزیک ماده تاریک و انرژی تاریک است
نیروی پایستار
فرض کنید توپی را در راستای قائم به بالا پرتاب کنیم (ازمقاومت هوا چشم پوشی می کنیم)، توپ با همان انرژی جنبشی که هنگام جدا شدن از دست ما داشت، به دست ما برمی گردد. بنابراین نیروهایی را که در این حرکت به جسم وارد می گردند، پایستار می گویند. یعنی این نیروها انرژی جنبشی را بایسته نگه می دارند و موجب اتلاف آن نمی شوند. گرانش و نیروهای فنر پایستار هستند. اما اصطکاک نیروی پایستار نیست.
نیرو هنگامی پایستار است که کار انجام شده توسط آن، روی ذره ای که میان دو نقطه حرکت می کند، فقط به این دو نقطه بستگی داشته باشد و از مسیر طی شده توسط ذره مستقل باشد.
نیروی پایستار از دیدگاه انرژی
در حرکت یک ذره مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل را به عنوان انرژی مکـــــانیکی تعریف می کنند. هر گاه نیروهای وارد بر یک جسم پایستار باشند، در این صورت انرژی مکانیکی کل سیستم بقا خواهد داشت. این بیان را قانون بقای انرژی در مورد نیروهای پایستار می گویند. بدیهی است که اگر یکی از این نیروها ناپایستار باشد، مقداری از انرژی تلف شده و پایستگی انرژی از بین خواهد رفت.
ویژگیهای انرژی پتانسیل
در واقع، این تغییرات انرژی پتانسیل است که در خور اهیمت است نه مقدار آن قبل یا بعد از تغییر. اگر چه مکانی که در آن انرژی پتانسیل صفر در نظر گرفته می شود، می تواند انتخاب مفیدی باشد به مانند سطح دریا به عنوان مبنای صفر انرژی پتانسیل گرانشی زمین و یا سطح داخلی خازن استوانه ای به عنوان مبنای صفر انرژی الکتریکی ذخیره شده در آن، اما این انتخابها هیچ یک الزامی نیست.
زیرا آنها اختلاف انرژی پتانسیل بین مکانهای مختلف است که اهمیت دارد. اندازه اختلاف پتانسیل هرگز هیچ ربطی به چگونگی پیدا شدن آن ندارد. یعنی این تغییر مستقل از مسیر است. این یکی از ویژگیهای اساسی انرژی پتانسیل است.
در قطارهای شهرک بازی از انرژی پتانسیل استفاده می شود. تغییرات انرژی پتانسیل ممکن است به پیدایش انرژی جنبشی، انرژی الکتریکی، یا انرژی گرمایی منجر شود. فناوری نوین بر همین پایه استوار است، دستیابی به چنین تغییری به پایداری انرژی ذخیره شده بستگی دارد. برای انرژی پتانسیل سه نوع منحنی می توان در نظر گرفت: اگر چه این سخنها معرف همه حالتها نیستند، اما نشان می دهند که چگونه انرژی پتانسیل ممکن است با مکان تغییر کند.
قوانین بقا در فیزیک
در دنیای فیزیک هیچ مطلبی اساسی تر و ساده تر از قوانین بقا نیست. در هر قانون بقا، مقدار کل یک کمیت فیزیکی معین، در یک دستگاه مفروض، تنها به شرط منزوی بودن آن دستگاه از تمام اثرات خارجی ثابت یا پایسته است. مثلا، بردار اندازه حرکت کل یک دستگاه منزوی، ثابت است.
تغییرات داخلی در داخل مرزهای یک دستگاه منزوی می تواند از طریق برهم کنش متقابل ذرات داخل این دستگاه رخ دهند، ولی این تغییرات انرژی اثری در مقدار کل پایسته ندارند، و توانایی یک بقا نیز در همین مطلب نهفته است. نیازی نیست که به جزئیات آنچه در داخل دستگاه اتفاق می افتد بپردازیم.
در حقیقت، می توان از برهم کنش های داخلی دستگاه چشم پوشی کرد. اگر دستگاه کاملا منزوی باشد کیفیتهای پایسته تغییر نمی کنند. از این رو می دانیم که در فیزیک کلاسیک، جرم کل، انرژی کل، اندازه حرکت خطی کل، اندازه حرکت زاویه ای کل و بار الکتریکی کل در برخورد دو یا چند ذره مستقل از تاثیر خارجی دقیقا همان جرم کل، انرژی کل، اندازه حرکت خطی کل، اندازه حرکت زاویه ای کل و بار الکتریکی کل پس از برخورد خواهند بود. انواع قوانین بقا را می توان به صورت زیر بیان کرد:
قانون بقای جرم
بیان لاوازیه از قانون بقای جرم: هیچ جرمی معدوم نمی شود و هیچ جرمی نیز از عدم بوجود نمی آید و یا به عبارت دیگر مقدار جرم مادی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است. قانون بقای جرم یکی از قوانین بقای فیزیک کلاسیک است.
با وجود تغییراتی که ممکن است در دیگر کمیتهای دستگاه (مثل انرژی، حجم و دما) رخ دهد، جرم کل دستگاه به شرط منزوی بودن ثابت خواهد بود. به عبارت دیگر می توان گفت که جرم نمی تواند آفریده شود و یا از بین برود. البته سیستم هایی وجود دارند که جرم آنها در طول زمان تغییر می کند. به عنوان مثال اگر حرکت موشک را در نظر بگیریم، موشک قبل از پرتاب دارای یک مقدار جرم کل خواهد بود.
اما بعد از پرتاب سوخت موشک مصرف می شود. بنابراین جرم سیستم موشک در این لحظه با جرم آن قبل از پرتاب متفاوت خواهد بود. بنابراین در مورد موشک که شرط منزوی بودن سیستم ساقط می گردد، لذا جرم سیستم بقا نخواهد داشت.
با این حال اگر موشک و گازهای خارج شده از آنرا کلا بصورت یک سیستم فرض کنیم در اینصورت نیروهایی که گازهای خارج شده و موشک به یکدیگر وارد می کنند، در حکم نیروهای داخلی بوده و شرط منزوی بودن سیستم برقرار می شود و جرم بقا خواهد داشت. شایان ذکر است که این مطالب فقط در محدوده فیزیک کلاسیک معتبر است.
قانون بقای انرژی
قانون بقای انرژی یا اصل بقای انرژی می گوید انرژی هر دستگاه معین مقدار ثابتی دارد، نمی توان انرژی را خلق کرد و نه آنرا از بین برد فقط اقسام آن می توانند به یکدیگر تغییر شکل دهند، به این صورت بیان می شود که اگر هیچ کاری روی دستگاه انجام نشود و یا دستگاه هیچ کاری انجام ندهد، و اگر انرژی گرمایی به صورت آزمایشهای مربوط به گرما نه به دستگاه وارد و نه از آن خارج شود، انرژی کل دستگاه ثابت می ماند.
چون در محدوده فیزیک کلاسیک، در نهایت تمام انرژی ها را می توان به صورت انرژی جنبشی یا پتانسیل بیان کرد، لذا قانون بقای انرژی بیان می کند که در یک دستگاه جمع انرژی های جنبشی ذرات و پتانسیل برهمکنش متقابل آنها ثابت است،
انرژی گرمایی صرفا انرژی مکانیکی نامنظم گسترهی مولکولها و اتمها در چنان مقیاس میکروسکوپیکی است که انرژی جنبشی و پتانسیلی تک تک ذرات از هم متمایز نیستند. بعبارت دیگر می توان گفت که قانون اول ترمودینامیک صرفا همان قانون بقای انرژی است که به کاملترین شکل خود بیان می شود، این قانون شامل آزمایشهای مربوط به گرما و انتقال انرژی گرمایی به واسطه اختلاف دماست.
قانون بقای اندازه حرکت خطی
هر گاه دستگاهی تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی خالص نباشد، اندازه حرکت خطی کل آن هم از لحاظ بزرگی و هم از نظر جهت ثابت می ماند. قانون دوم نیوتن بیان می کند که هر گاه جسمی تحت تاثیر یک نیروی خارجی خالص قرار بگیرد، آن نیرو برابر است با آهنگ تغییرات اندازه حرکت خطی نسبت به زمان، هنگامی که جرم تغییر نکند، نیرو به سادگی با حاصلضرب جرم در شتاب برابر خواهد بود. در فیزیک کلاسیک جرم ذره ثابت است و از سرعت آن و یا هر وضع دیگری مستقل است.
بنابراین اگر برآیند کل نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، در این صورت آهنگ تغییرات اندازه حرکت خطی نسبت به زمان صفر خواهد بود. نکته دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد این است که وقتی دو جسم برهمکنش می کنند، اندازه حرکت خطی منتقل شده به جسم اول در یک بازه زمانی بینهایت کوچک، برابر و در خلاف جهت اندازه حرکت منتقل شده به جسم دوم، در طول همان بازه زمانی است. بنابراین نیروهای کنش و واکنش، که در اینجا هر دو داخلی هستند، مساوی و مختلف الجهت هستند.
قانون بقای اندازه حرکت زاویه ای
هر گاه دستگاهی تحت تاثیر گشتاور نیروی خارجی خالص نباشد، اندازه حرکت زوایه ای کل آن، هم از نظر بزرگی و هم از نظر جهت، ثابت خواهد ماند. گشتاور نیرو چنان تعریف می شود که هر گاه تحت تاثیر یک گشتاور ناشی از نیروی خارجی خالص حرکت دورانی انجام دهد، در اینصورت این گشتاور نیرو با آهنگ تغییرات اندازه حرکت زاویه ای نسبت به زاویه دوران برابر است.
بنابراین اگر هیچ گشتاور نیروی خارجی بر جسم وارد نشود و یا برآیند گشتاور نیروهای خارجی وارد بر یک جسم صفر باشد، در اینصورت آهنگ تغیرات اندازه حرکت زاویه ای نسبت به زاویه دوران صفر خواهد بود. لذا اندازه حرکت زاویه ای باید مقداری ثابت باشد. در اینجا نیز مانند مورد اندازه حرکت خطی، علاوه بر مقدار جهت اندازه حرکت زاویه ای نیز مقداری ثابت می باشد.
قانون بقای بار الکتریکی
بار کل یک دستگاه الکتریکی منزوی ثابت است. چون هر مشاهده، یا اندازه گیری روی یک دستگاه، الزاما با خود آن دستگاه تداخل می کند، منزوی شدن کامل یک دستگاه ایده آلی است که فقط با تقریب می تواند تحقق پیدا کند و هرگز به طور کامل تحقق پذیر نیست. به عنوان مثال وقتی که برای اندازه گیری دمای یک مایع، دماسنج را داخل آن قرار می دهیم، دماسنج بوسیله مایع گرم یا سرد می شود، و مایع در همان زمان سرد یا گرم می شود. آنچه دماسنج در پایین نشان می دهد دمای واقعی مایع، قبل از انجام اندازه گیری نخواهد بود.
دمای خوانده شده دمایی است که مایع پس از قرار گرفتن دماسنج به آن رسیده است. اما در فیزیک کلاسیک، با انجام ماهرانه آزمایش، همیشه امکان دارد اغتشاش ها را به میزانی کاهش داد که بتوان دستگاه را عملا منزوی در نظر گرفت. در این صورت بار کل بقا خواهد داشت. به عبارت دیگر مانند بقــــای انرژی می توان گفت که بار نه آفریده می شود و نه نابود می گردد.
قانون بقای جرم ـ انرژی
در نسبیت جرم یک کمیت ثابت نیست و تابع سرعت است. اما این تغییرات جرم در سرعتهای کم (نسبت به سرعت نور) قابل توجه نیست. لذا اگر سرعت جسمی بتواند به سرعت نور نزدیک شود، در این صورت از محدوده فیزیک کلاسیک خارج خواهیم شد.
در این حالت قوانین بقای جرم و انرژی نقض می شود و در عوض یک قانون واحد به نام قانون بقای جرم ـ انرژی خواهیم داشت. بر این اساس هر گاه تغییری در مقدار جرم صورت گیرد، این تغییر بوسیله تغییر انرژی جبــران می شود، به عنوان مثال اگر جرم کاهش پیدا کند در این صورت به اندازه تغییر جرم انرژی تولید می شود و برعکس اگر جرم افزایش پیدا کند، مقداری از انرژی به جرم تبدیل شده است.
به عنوان مثال در واپاشی عناصر رادیو اکتیو، قسمتی از جرم بصورت تابش الکترومغناطیسی منتشر می شود و بدون در نظر گرفتن این تابش هم قانون بقای جرم بهم می خورد و هم قانون بقای انرژی نقض می شود. لذا قانون بقای جرم ـ انرژی تکمیل کنندهی دو قانون بقای قبلی است. هم ارزی بین جرم و انرژی اولین بار توسط انیشتین در نظریه نسبیت بیان شد. افزون برموارد بالا قوانین بقای دیگری نیز در فیزیک وجود دارد که در بخشهای مربوطه بیان خواهد شد.
تجزیه و تحلیل قانون بقای انرژی
قانون بقای انرژی در واقع از تجربیات ماست و مشاهدات ما از طبیعت آنرا نقض نکرده است. قانون بقای انرژی را اصل بایستگی انرژی نیز می گویند. در طول تاریخ علم فیزیک، بارها درستی قانون بقای انرژی مورد سوال قرار گرفته است، اما همین تردیدها خود به محرکی برای کشف دلایل قانون بقای انرژی تبدیل شده اند. در این پژوهشها، دانشمندان در پی یافتن پدیده هایی غیر از حرکت بوده اند، پدیده هایی که همراه با نیروهای برهمکنش میان اجسام ظاهر می شوند و البته این نوع پدیده ها همواره وجود دارند.
اگر علاوه بر نیروهای پایستار و اصطکاک، نیروهای ناپایستار و غیر اصطکاکی را نیز در نظر بگیریم، بر اساس قضیه کار و انرژی، مجموع کار انجام شده توسط تمام این نیروها با تغییرات انرژی جنبشی برابر است. اگر کار انجام شده توسط نیروهای پایستار روی یک ذره را با Wc و کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک را با Wf و کل کار انجام شده توسط نیروهای ناپایستار غیر اصطکاکی را با Wnc نشان بدهیم، قضیه کار و انرژی به صورت زیر بیان خواهد شد:
Wnc+Wf+Wc =K
در رابطه بالا K تغییر انرژی جنبشی است. از طرف دیگر، می دانیم که هر نیروی پایستـار را می توان به یک انرژی پتانسیل و هر نیروی اصطکاک را به انرژی داخلی وابسته کرد. بنابراین اگر علاوه بر موارد گفته شده صورتهای دیگر انرژی را نیز در نظر بگیریم، خواهیم داشت:
K+U+Unit+….= 0
در عبارت بالا که در آن K تغییرات انرژی جنبشی و U تغییرات انرژی پتانسیل و Unit انرژی داخلی سیستم است، قانون بقای انرژی نامیده می شود. در برهمکنشهای دیگر، انرژی ممکن است به صورت نور، الکتریسیته و مانند آن تولید شود. بنابراین علاوه بر انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل اجسامی که به صورت مستیقم قابل مشاهده هستند، صورتهای دیگر انرژی نیز وجود دارد و در واقع، قانون بقای انرژی بیانگر پایستگی انواع مختلف انرژی است که علاوه بر مکانیک در شاخه های دیگر علم فیزیک نیز بکار می رود.
هر چند اصل پایستگی انرژی جنبشی بعلاوه انرژی پتانسیل (انرژی مکانیکی) غالبا مفید است، اما این اصل در واقع حالت محدودی از اصل کلی بقای انرژی است. انرژی های جنبشی و پتانسیل تنها هنگامی بقا خواهند داشت که نیروهای پایستار عمل می کنند، در صورتی که انرژی کل همیشه بقا دارد.
بقا انرژی در نسبیت
با ظهور نسبیت انیشتین، در قوانین بقای فیزیک کلاسیک تجدید نظر کلی حاصل شد. به عنوان مثال، قانون بقا اندازه حرکت خطی و قانون مطلق بودن فضا در فیزیک کلاسیک به هم خورده و به جای آن کمیتی تعریف شد که برابر مجموع مربع اندازه حرکت خطی و مربع فاصله است و همواره بایسته می ماند.
قانون بقای انرژی نیز از این قاعده کلی مستثنی نبوده، بلکه قانون جدیدی به نام پایستگی جرم بوجود آمد. بر اساس این قانون، جرم به انرژی و برعکس انرژی به جرم تبدیل می شود. البته تمام این موارد در سرعتهای نزدیک به سرعت نور صورت می گیرد و در سرعت های پائین قوانین بقای فیزیک کلاسیک به قوت خود باقی است.
بقای جرم ـ انرژی
در اوایل قرن بیستم یعنی در سال 1905 نظریه نسبیت آلبرت انیشتین خدشه ای به دو اصل فوق الذکر وارد ساخت زیرا یکی از نظریات نسبیت این است که جرم و انرژی مانند بخار آب و آب که دو شکل مختلف از یک ماده هستند یک چیز واحد بوده و قابل تبدیل به یکدیگر می باشند.
بنابراین مقدار جرم مادی را که در عالم وجود دارد نمی توان ثابت دانست بلکه با تطبیق نظریه نسبیت با اصل بقای انرژی می توان قانون کلی تری نتیجه گرفت که مطابق آن «مجموع جرم مادی و مقدار انرژی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است.» به عقیده آلبرت انیشتین مقدار E که معرف انرژی است و از کلمه لاتین Energy اقتباس شده است یعنی انرژی هم ارز با جرم m بوسیله رابطه E=mc2 بیان می گردد که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور در خلاء می باشند.
نقض قانون بقای انرژی در مکانیک کوانتوم
برداشت های ما از قوانین فیزیکی در جهان ماکروسکپیک با نتایج میکروسکپیک سازگار نیست. در مکانیک کوانتوم قانون بقای انرژی بصورت کلی و مطلق بیان می شود که مقدار انرژی (در واقع جرم ـ انرژی) همواره ثابت است. در حالیکه در مکانیک کوانتوم، اصل عدم قطعیت، نقض شدن قانون بقای انرژی را مجاز می داند، مشروط بر آنکه در رابطهی زیر صدق کند. در این رابطه تولید یا نابودی انرژی ذره در بازهی کوتاه زمانی مجاز است، مشروط بر آنکه در رابطه بالا صدق کند.
تعریف انرژی درونی
مجموع انرزی های جنبشی و پتانسیل کلیه ذره های یک جسم را انرژی درونی یا داخلی آن جسم می نامند. انرژی داخلی U و آنتروپی S، دو تابع اساسی، برای توصیف سیستمهای ترمودینامیکی در حالت تعادلند، هر سیستم ماکروسکپیکی که متشکل از انبوه اتم و مولکولهاست، از قانون بقای انرژی تبعیت می کند. حرکت بزرگ مقیاس سیستم از قانون بقای انرژی مکانیکی تبعیت می کند و در غیاب میدانهای الکترومغناطیسی، انرژی باقی مانده در سیستمی که منزوی است پایسته می ماند، این کمیت همان انرژی داخلی است.
سیر تاریخی
از لحاظ تاریخی، تشخیص اینکه کمیتی پایسته بصورت تابع ترمودینامیکی انرژی (یعنی تابعی که از قانون پایستگی تبعیت می کند) وجود دارد، پیش از ظهور دیدگاه اتمی ماده حاصل شد. پس این مفهوم می بایستی منحصرا از طریق تجربیات ماکروسکپیکی شکل گرفته باشد. آزمایشها و حدسیات اولیه بنجامین تامسون (کنت رادفورد) درباره ماهیت گرما او را به این نتیجه رساند که گرما نوعی حرکت است.
کارهای تجربی بعدی جیمز پرسکارت ذول در تعیین معادل مکانیکی گرما و نظریه پر فلزی ویلیام تامسون لرد کلوین بطور قطع نشان دادند که انرژی سیستم ماکروسکپیکی منزوی با به حساب آوردن گرما پایسته است.
این همان قانون اول ترمودینامیک است و تابع پایسته نیز انرژی داخلی است. بنا بر نظریه جنبشی مولکولی، هر ماده از ذرات ریزی تشکیل شده است که با سرعتها و در نتیجه انرژیهای متفاوت در حرکت و جنبش هستند. علاوه بر این مانند مدل ارتعاش یک جسم جامد، ذره های جسم دارای انرژی پتانسیل نیز هستند.
این انرژی به فنری که در مدل ارتعاش اتمها را به هم متصل می کرد، مربوط است. مجموع انرژی های جنبشی همه اتمها و مولکولهای تشکیل دهنده جسم یا دستگاه و انرژی پتانسل مربوط به برهم کنشهای آنها، بدون انرژی های جنبشی و پتانسیل یک جسم یا دستگاه نسبت به بیرون خود یا انرژی های هسته درون اتم آنها.
ارتباط انرژی درونی با دما
انرژی درونی چای یک فنجان که مدتی مانده و سرد شده است، کمتر از وقتی است که چای داغ بوده است. چای یخ کرده دمای پایین تری دارد و چای داغ دمایش بالاتر است. به این ترتیب هر چه دمای جسمی بالاتر باشد، انرژی درونی آن بیشتر است. یعنی ذره های آن دارای انرژی جنبشی و پتانسیل بیشتری هستند.
ارتباط انرژی جنبشی با دما
اگر انرژی جنبشی ذرات یک جسم را بر تعداد ذرات تشکیل دهنده جسم تقسیم کنیم، انرژی جنبشی متوسط یک ذره بدست می آید. انرژی جنبشی متوسط ذرات چای داغ که دمای بالاتری دارد، بیشتر از انرژی جنبشی متوسط ذره های چای سرد شده است که دمای پایین تری دارد. لذا نتیجه می گیریم که دمای جسم با انرژی جنبشی متوسط ذره های تشکیل دهنده آن متناسب است.
خورشید مانند یک اجاق برای زمین عمل می کند
این امر در ابعاد اتمی یا ابعاد میکروسکپی بسیار مهم و مورد توجه است. به عنوان مثال در مباحث ترمودینامیک و مکانیک آماری با استفاده از روابط خاصی این انرژی در موارد مختلف محاسبه شده و با توجه به مقدار آن در مورد وضعیت سیستم بحث می گردد. بنابراین می توان گفت که هر چه دمای جسم بالاتر رود، انرژی جنبشی متوسط ذره های آن نیز افزایش خواهد یافت. انرژی جنبشی متوسط ذره های دو جسم متفاوت که دمای یکسانی دارند، با هم برابر است.
به عنوان یک مورد ملموس و قابل مشاهده می توان به این مورد اشاره کرد که انرژی جنبشی متوسط ذره های آبی که به وسیله یک لیوان از استخری برداشته شده است، با انرژی جنبشی متوسط ذره های آب استخر برابر است. ولی به دلیل تفاوت تعداد ذره های آب لیوان و استخر، انرژی جنبشی و در نتیجه انرژی درونی یکسانی ندارند. بلکه انرژی درونی آب لیوان به مراتب کمتر از انرژی درونی آب استخر است.
اختلاف انرژی داخلی
بطور مفهومی، تفاوت انرژی داخلی بین دو حالت را می توان به صورت کار مکــانیکی انجام شده ای در نظر گرفت که سیستمی بی دررو (یعنی سیستمی با انزوای گرمایی) را از حالت (A) به حالت نهایی (B) می برد. اگر نتوان فرآیندی بی دررو A → B یافت (یعنی فرآیند برگشت ناپذیر باشد)، فرآیند: B → A وجود دارد. بنابراین به روش مکانیکی می توان تفاوت انرژی داخلی بین دو حالت را اندازه گیری کرده مشروط برآنکه ماده از سیستم خارج و یا به آن وارد نشود.
رابطه حرارت، انرژی داخلی و کار
به عبارت دیگر، کمیت گرما و کار جذب شده در سیستم بستگی به سیری دارد که سیستم می پیماید تا از حالت اولیه به حالت کنونی اش یعنی حالت نهایی برسد. در اکثر موارد حالت سیستم های تک مولفه ای مانند گاز را می توان با دستگاه مختصات دکارتی نشان داد که در آن یکی از محورها فشار P و دیگری حجم V و در نتیجه می توان فرآیند را با سیری در نمودار فشار و حجم توصیف کرد.
اهمیت بررسی انرژی داخلی
با اندازه گیریهای ترمودینامیکی ساده انتقال گرما و دمای متغیر سیستمهای گاز مولکولی، می توان آن قسمت از انرژی داخلی را که مربوط به چرخش و ارتعاش مولکول است بدست آورد؛ ولی این درجات آزادی در گازهای کامل صرف نظر می شود. با استفاده از این اندازه گیری ها می توان به برخی خصوصیات مولکولی، از قبیل گشتاور لختی و طیف گسترده بسامدهای ارتعاشی مولکولی پی برد.
در مایعات و جامدات انرژی داخلی عمدتا همان انرژی پتانسیل برهم کنش بین اتمهاست. تبادل گرما، از طریق انقباض و انبساط که خود نتیجه تغییر حرکت اتمهاست، مقدار این انرژی را تغییر می دهد، این حرکت در جامدات به صورت حرکت جمعی کوانتیده است.
در جامدات رسانا انرژی الکترونها به صورت جنبشی و پتانسیل، نیز به انرژی داخلی اضافه می شود. قیدهای کوانتومی ناشی از اصل طرد پاولی برای این انرژی در ترمودینامیک قابل تشخیص است.
تغییر انرژی داخلی
انرژی داخلی ممکن است با اعمال میدانهای الکتریکی و مغناطیسی روی سیستمهایی که دارای گشتاور دائمی یا القایی اند تغییر کند. در این موارد، جزء کار بینهایت کوچک برابر می شود E.dp یا μ.HdM که در آن E و H میدانهای اعمال شده و P و M به ترتیب دوقطبی الکتریکی و مغناطیسی سیستم هستند. اینها گشتاور متغیرهای ترمودینامیکی هستند که به مقادیر میدان و دما بستگی دارند.
همچنین ببینید 
– مشاهده فهرست مقالات علمی
نوشته شده در 30 مرداد 1400