Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
I termodynamikk er intern energi en sentral størrelse som beskriver all energien som er lagret i et system på mikroskopisk nivå. Den reflekterer den samlede energien som et system har på grunn av de mikroskopiske bevegelsene til partiklene, som molekyler og atomer, samt de intramolekylære kreftene som holder systemet sammen. Intern energi er derfor avgjørende for å forstå hvordan systemet reagerer på ytre påvirkninger, som for eksempel oppvarming eller kjøling.
Mens makroskopiske energiformer, som kinetisk og potensiell energi, er enkle å knytte til systemets bevegelser eller posisjoner i et felt, er intern energi et mer kompleks begrep. Den er ikke direkte relatert til systemets temperatur på samme måte som kinetisk energi, men den er nært knyttet til den mikroskopiske bevegelsen i stoffene som utgjør systemet.
Når et system, som en gass, varmes opp, øker de individuelle molekylenes hastighet og dermed deres kinetiske energi. Denne økningen i mikroskopisk kinetisk energi er ikke å finne i de vanlige uttrykkene for kinetisk energi, som kun tar hensyn til systemets sentermassebevegelse. Derfor kan termisk energi, som tilfører energi til en gass, ikke betraktes som en makroskopisk energiform.
Intern energi kan deles inn i flere mekanismer som bidrar til den totale energien i et system:
-
Termisk bevegelse av gasspartikler: For ideelle gasser kan den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene beregnes, og ved å multiplisere dette med antall partikler, får man uttrykket for den interne energien til gassen. For monatomiske gasser, som edelgasser, er dette et komplett uttrykk for intern energi. For gasser med flere atomer, som diatomiske eller polyatomiske molekyler, må man også ta hensyn til rotasjons- og vibrasjonsbevegelser som også bidrar til intern energi.
-
Rotasjons- og vibrasjonsenergi: Molekyler bestående av flere atomer har flere frihetsgrader, som rotasjon rundt sin akse og vibrasjoner mellom atomene. Disse bidrar også til intern energi, og jo mer komplekse molekylene er, desto flere frihetsgrader finnes det.
-
Bindinger mellom molekylene: Under fasetransisjonene, som når vann går fra væske til damp, kreves det energi for å bryte de intermolekylære bindingene. Denne bindingenergien er en viktig del av den interne energien, og gjelder også for faste stoffer, der bindingene er enda sterkere.
-
Termiske vibrasjoner i faste stoffer: I faste stoffer er atomene bundet til sine posisjoner og kan ikke bevege seg fritt. I stedet vibrerer de rundt sine likevektsposisjoner. Denne vibrasjonen bidrar også til den interne energien til materialet.
Når man ser på termodynamiske prosesser som skjer i et system, er det viktig å merke seg at energien kan komme fra flere kilder. For eksempel, når man vurderer den totale energien til en damplokomotiv, må man inkludere den kjemiske energien som kommer fra kolet, den interne energien til vann og damp, den kinetiske energien av lokomotivet og vognene, samt rotasjonsenergien til hjulene. Likevel, i termodynamiske beregninger, tas vanligvis bare endringer i energi med i betraktningen. Derfor utelates energiformer som ikke endres under prosessen – for eksempel potensiell energi, som forblir konstant når lokomotivet kjører på flat mark.
Det er også viktig å merke seg at intern energi for ideelle gasser kun avhenger av temperaturen, ikke volumet. Dette følger av den kaloriske tilstandsligningen som forenkler beregningene for ideelle gasser. Det interessante er at intern energi for ideelle gasser også er proporsjonal med antallet frihetsgrader molekylene har, og disse frihetsgradene kan tolkes som bidrag fra translational, rotasjonell og vibrasjonell bevegelse i molekylene. Dette er et eksempel på det som kalles utstyringsprinsippet (equipartition theorem), som sier at energien er jevnt fordelt mellom alle tilgjengelige frihetsgrader.
I praktiske anvendelser kan total energi i et system uttrykkes som summen av alle makroskopiske og mikroskopiske energiformer innenfor systemets grenser. Denne totalenergien kan beskrives som summen av den interne energien, kinetisk energi, potensiell energi, kjemisk energi, og andre relevante energityper. Det er viktig å forstå at termodynamisk analyse ofte fokuserer på endringer i energi, og derfor kan mange av energiformene som ikke endres under prosessen, utelates fra beregningen.
Når man studerer intern energi, er det også viktig å være oppmerksom på hvordan forskjellige molekylstrukturer påvirker systemets energi. For eksempel, molekyler med flere atomer vil ha flere mekanismer som bidrar til intern energi enn monatomiske gasser. Dette påvirker hvordan vi forstår prosesser som oppvarming, kjøling, eller faseoverganger i forskjellige materialer.
Hvordan trykket i luften reduseres med høyden – Barometriske eksperimenter og teorier
I det 17. århundre var Blaise Pascal en av de første som forsøkte å vise at lufttrykket var et resultat av vekten til atmosfærens luftlag. Pascal utførte en rekke eksperimenter med barometre for å demonstrere hvordan lufttrykket reduseres med høyde. Et av de mest kjente eksperimentene hans ble gjennomført på Puy de Dôme, et fjell i nærheten av Clermont, hvor han, sammen med sin svoger Florin Périer, målte lufttrykket på forskjellige høyder. De brukte Torricelliske rørs barometre fylt med kvikksølv, et apparat som på den tiden var en nyskapende metode for å måle lufttrykk.
I et nøtteskall, barometrene som ble brukt, var utstyrt med kvikksølv i et rør som kunne registrere endringer i lufttrykket basert på høyde. Da de målte trykket på bunnen av dalen og deretter på toppen av Puy de Dôme, fant de en betydelig reduksjon i kvikksølvhøyden når de kom høyere opp – noe som demonstrerte en nedgang i lufttrykket med høyden. Ved toppen var kvikksølvet 8,5 cm lavere enn på lavere høyde, og resultatene ble gjentatt flere ganger under forskjellige forhold, noe som styrket validiteten av observasjonene.
Pascal og hans samarbeidspartnere visste at trykket på jordens overflate ble skapt av vekten av luften over oss. Jo høyere man kom, jo mindre luft var det over hodet, og dermed ble trykket lavere. Dette eksperimentet var et forsøk på å bevise at lufttrykket ikke er konstant, men snarere avhenger av høyden over havet.
Eksperimentet inspirerte til videre vitenskapelig utforskning. Pascal, med sin presise metode og dype innsikt, la grunnlaget for den moderne forståelsen av atmosfærens trykkfordeling. Deres observasjoner førte etter hvert til utviklingen av den barometriske formelen, som ble formulert teoretisk av Edmond Halley omtrent 40 år senere. Denne formelen, som fortsatt benyttes i dag, gir oss en presis måte å beregne lufttrykket ved forskjellige høyder.
For å forstå hvordan trykket endres med høyden, kan man se på et matematisk grunnlag. Den barometriske formelen tar hensyn til flere faktorer: luftens tetthet, gravitasjonskraften, samt temperaturens innvirkning på luftens volum. I et ideelt tilfelle, hvor luften kan regnes som en perfekt gass, uttrykkes forholdet mellom trykk og høyde ved hjelp av følgende formel:
Her representerer trykket på høyden , er trykket ved havnivå, er gravitasjonskonstanten, er den spesifikke gasskonstanten, og er den absolutte temperaturen i atmosfæren. Denne eksponentielle reduksjonen viser hvordan trykket minker raskt når man går høyere opp i atmosfæren.
Men dette er kun en del av bildet. Det er viktig å forstå at barometrisk formel antar en konstant temperatur i atmosfæren. I virkeligheten varierer temperaturene med høyden, og dette påvirker både trykket og densiteten til luften. En annen faktor er det som kalles for "skala høyde", som er lengden der lufttrykket halveres. Denne høyden er omtrent 8 km i den troposfæriske delen av atmosfæren, men vil variere avhengig av lokal temperatur og andre atmosfæriske forhold.
Videre må man også være oppmerksom på hvordan barometeret måler trykk. På samme måte som i Pascal og Périer's eksperimenter, kan de forskjellige omgivelsesforholdene (værforhold, vind, temperatur) påvirke nøyaktigheten av trykkmålingene, og derfor krever slike eksperimenter nøye planlegging og gjentatte målinger for å sikre pålitelighet. I tillegg er det viktig å merke seg at barometereffektene som vi observerer på jordens overflate ikke nødvendigvis gjelder på samme måte i ekstreme høyder som i stratosfæren eller høyere, hvor lufttrykket er så lavt at det nærmer seg vakuum.
Den barometriske formelen er ikke bare viktig i meteorologi, men også i ingeniørfag, luftfart og andre vitenskapelige felt. Å forstå hvordan lufttrykket endres med høyden er grunnleggende for alt fra flyturer til prediksjoner om værforhold og klimaendringer.