- •Глава 2 первый закон термодинамики. Основные понятия и определения
- •2.1. Термодинамическая система и окружающая среда
- •2.2. Основные термодинамические параметры состояния
- •2.3. Термодинамический процесс
- •2.4. Уравнение состояния
- •2.5. Уравнения состояния реальных газов
- •2.6. Термические коэффициенты и связь между ними
- •Энергия. Внутренняя энергия
- •Теплота и работа
- •Первый закон термодинамики
- •Применение дифференциального исчисления функций многих переменных в термодинамике
- •Теплоемкость
Энергия. Внутренняя энергия
Энергия является мерой различных форм движения материи. Увеличение или уменьшение энергии системы означает изменение в ней движения в количественном и качественном отношении.
Закон эквивалентных превращений энергии устанавливает, что если различные виды энергии взяты в таких количествах, что они вызовут одно и то же состояние данной закрытой системы, то они эквивалентны. Количественные соотношения между различными видами энергии называются эквивалентами.
Всеобщий закон сохранения и превращения энергии в термодинамике трансформируется в "первое начало" или "первый закон термодинамики". Его основные положения будут рассмотрены ниже (см. §.2.9).
Закон взаимосвязи между массой и энергией был предложен А. Эйнштейном в виде соотношения
Е=тс2,
где E - полная энергия тела, имеющего массу m; с - скорость света (с=3·108 м/с).
Масса тела, движущегося со скоростью w, определяется по формуле
m=m0/
где m0 - масса покоя тела.
Таким образом, масса и энергия растут или уменьшаются пропорционально с2.
В термодинамике полная энергия макросистемы равна
E=Eкин +Eпот +U,
где Екин - кинетическая энергия системы; Eпот - потенциальная энергия системы во внешних силовых полях; U - внутренняя энергия.
Кинетическая энергия системы, имеющей массу m и скорость w, определяется по формуле
Eкин=mw2/2
Изменение потенциальной энергии системы равно работе, совершаемой над системой при перемещении ее из одного места силового поля в другое.
Внутренняя энергия - это энергия, заключенная в системе. Она состоит из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия молекул, энергии внутриатомных и внутриядерных движений частиц и др.
Внутренняя энергия является однозначной функцией внутренних параметров состояния (температуры, давления) и состава системы. Ввиду того, что внутренняя энергия является функцией состояния, то ее изменение лU не зависит от формы пути процесса, а определяется лишь ее значениями в конечном и начальном состояниях, т.е.
ЛU=U2-U1
Внутренняя энергия - величина аддитивная. Это означает, что для сложной системы она определяется как сумма внутренних энергий составляющих частей этой системы, т.е.
U=Ui
Теплота и работа
Опыты показывают, что при протекании термодинамического процесса тела, участвующие в нем, обмениваются между собой энергией. В итоге энергия одних тел возрастает, а других - уменьшается. Передача энергии от одних тел к другим может происходить двумя способами.
Первый способ передачи энергии представляет из себя передачу энергии в форме теплоты. Такая передача энергии происходит между телами, имеющими различную температуру и приведенными в соприкосновение, либо между телами, находящимися на расстоянии, посредством электромагнитных волн (тепловое излучение). При этом передача энергии происходит от более нагретых к менее нагретым телам. Количество энергии, переданное таким Способом, называют количеством теплоты.
Теплота, как и любая энергия, измеряется в Джоулях. Произвольное количество принято обозначать буквой Q, а удельное (отнесенное к 1 кг) - q. Подведенная теплота считается положительной, отведенная - отрицательной.
Второй способ передачи энергии называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии называется работой. Передача энергии в этом случае происходит при перемещении всего тела или его части в пространстве. Для передачи энергии этим способом тело должно либо двигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.
Если тело получает энергию в форме работы, то считается, что над этим телом совершается работа. При отдаче телом энергии в форме работы - тело затрачивает работу. Затраченная телом работа считается положительной, а работа, совершенная над телом,- отрицательной. Работа, как и теплота, измеряется в Джоулях. Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначается буквой L, а удельное - l.
Таким образом, теплота и работа являются двумя качественно и количественно различными формами передачи энергии от одних тел к другим.
Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота является совокупностью микрофизических процессов. Передача энергии в виде теплоты происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел.