6.2 Термодинамічні функції стану

Термодинамічні функції стану введені для аналізу конкретних процесів.

Термодинамічні функції:

U — внутрішня енергія.

H — ентальпія або тепломісткість

, (6.6)

де р — тиск;

V — об’єм.

S — ентропія.

F — вільна енергія Гельмгольца

. (6.7)

G — вільна енергія Гібса

. (6.8)

Основна властивість цих функцій, крім ентропії, у тому, що у термодинамічних процесах, які протікають спонтанно, вони зменшуються і у стані термодинамічної рівноваги приймають мінімальні значення. Через часткові похідні цих функцій можна вивести значення будь–якого термодинамічного параметру. Самі ці функції виводяться з першого та другого законів термодинаміки.

6.2.1 Внутрішня енергія

Внутрішня енергія U (Джмоль^-1) — енергія яку мають усі тіла та системи. Саме за її допомогою відбуваються взаємодії між тілами, або частинками одного тіла.

Повна внутрішня енергія визначається

, (6.9)

де W_кін — кінетична енергія пов’язана з рухом тіл;

W_пот — потенціальна енергія взаємодії між елементарними

частинками або тілами.

Класична термодинаміка не оперує поняттям повної внутрішньої енергії, а лише розглядає ту її частину, яка здобуває зміни у наслідку зміни маси речовини або параметрів стану

. (6.10)

Внутрішня енергія — термодинамічна функція стану, тому що її значення не залежить від шляху процесу, а визначається лише абсолютним значенням термодинамічних параметрів.

Поняття U тісно пов’язане з першим законом термодинаміки.

6.3 Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки встановлює енергетичний баланс між ізольованою системою та навколишнім середовищем. Базується на законі збереження енергії Ломоносова: на заміну зниклого виду енергії з’являється новий в суворо еквівалентній кількості.

Передана тілу енергія іде на виконання роботи і зміну внутрішньої енергії тіла або системи

, (6.11)

де Q — передана системі енергія;

— зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи;

A — робота, яку виконала термодинамічна система.

Для нескінченно малої зміни у системі перший закон термодинаміки прийме вигляд

, (6.12)

де — повний диференціал внутрішньої енергії;

і — відповідно нескінченно малі зміни теплоти та

роботи, які залежать від виду зміни стану системи.

Передана системі енергія іде на збільшення внутрішньої енергії U за винятком виконаної роботи

. (6.13)

Параметри Q та A — не є функціями стану, тому що вони характеризують не запас енергії, а сам процес передачі частини внутрішньої енергії у навколишнє середовище і навпаки.

Величина А враховує усі види робіт виконаних проти всіх зовнішніх сил (тиску, електричного та магнітного полів, тощо).

Якщо система перейшла зі стану 1 в 2, то

, (6.14)

де — та частина роботи яка не зв’язана з зовнішнім тиском;

рdV — робота проти сил тиску.

Для ідеальної системи =0, тому

, (6.15)

. (6.16)

З першого закону термодинаміки витікає неможливість будування вічного двигуна першого роду, тобто неможливо створити машину яка б виконувала роботу без витрат зовнішньої енергії.