6.2.2. Внутренняя энергия термодинамической системы.

Любая термодинамическая система обладает энергией, которая может быть разделена на внешнюю и внутреннюю. Внешняя энергия складывается из кинетической и потенциальной энергии, в термодинамике рассматривается крайне редко.

Одним из основных термодинамических понятий является внутренняя энергия системы. Внутренняя энергия системы представляет собой энергию всех видов движения всех микрочастиц системы, а также энергию их взаимодействия между собой. Запас внутренней энергии зависит только от состояния системы и поэтому внутренняя энергия рассматривается как одна из главных характеристик этого состояния наряду с такими термодинамическими величинами как давление и температура. Экспериментальные исследования показали, что внутренняя энергия не зависит от давления, удельного объема и характера термодинамического процесса, а является функцией состояния, зависящей только от температуры.

Изменение внутренней энергии не зависит от характера термодинамического процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Оно равно разности внутренних энергий системы в конечном и начальном состояниях:

, Дж (6.1)

где U₁ и U₂ – внутренняя энергия системы в начальном и конечном состоянии соответственно.

Обычно вычисляют изменение внутренней энергии, приходящееся на 1 кг вещества рабочего тела:

, Дж/кг. (6.2)

Для решения всех термодинамических вопросов необходимо знать только изменение внутренней энергии при изменении состояния системы.

6.2.3. Первый закон термодинамики

В основе закона сохранения и превращения энергии лежит принцип эквивалентности различных видов энергии.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь в различных формах переходить от одних тел к другим, но общее ее количество в изолированной системе не может изменяться ни при каких условиях.

Техническая термодинамика обычно рассматривает только две формы передачи энергии – механическую работу и теплоту. Как и внутренняя энергия, работа и теплота измеряются в джоулях.

Удельная работа и удельная теплота измеряются в Дж/кг.

При трансформации работы в теплоту вся работа превращается в теплоту, но при преобразовании теплоты в работу, к сожалению, часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии.

Количество теплоты считается положительным, если оно увеличивает внутреннюю энергию системы, т.е. когда теплота подводится к системе из окружающей среды.

Количество механической работы принято считать положительным, если оно приводит к уменьшению внутренней энергии системы, т.е. когда внутренняя энергия расходуется на совершение работы над окружающей средой.

С учетом этого первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно разности количества подведенной теплоты и количества полученной механической работы, т.е. для получения работы в тепловых двигателях необходим подвод теплоты.

Математическая запись первого закона термодинамики может быть представлена в виде:

, Дж, (6.3)

где Q – количество подведенной к системе теплоты, Дж;

L – количество совершенной работы, Дж.

Так как в тепловых двигателях осуществляется трансформация теплоты в работу, внесенная в систему теплота расходуется на совершение работы и увеличение внутренней энергии. Математическая запись первого закона термодинамики в этом случае:

, Дж. (6.3)

В случае, если величины уравнения (6.3) отнесены к 1 кг массы рабочего тела уравнение (6.3) приобретает вид:

, Дж/кг (6.4)

либо в дифференциальной форме:

, Дж/кг (6.5)

Рассмотрим процесс подвода тепла к газу, который находится в цилиндре с подвижным поршнем. Газ расширится и переместит поршень, совершив работу dl. Кроме того изменится внутренняя энергия газа. Тепло расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы.

Несмотря на общность понятий теплоты и работы как меры переданной энергии, между ними имеется качественное различие. Энергия передаваемая работой может непосредственно расходоваться на увеличение любого вида энергии, а теплота непосредственно может быть израсходована только на увеличение внутренней энергии.