1.5 Внутренняя энергия. Энтальпия

В термодинамике полная энергия макросистемы равна

Е=Е_кин+Е_пот+U,

где Е_кин – кинетическая энергия системы; Е_пот – потенциальная энергия системы во внешних силовых полях; U – внутренняя энергия.

Внутренняя энергия – это энергия, заключенная в системе. В системе СИ (U) измеряется (Дж), отнесенная к 1кг (u) - (Дж/кг). Это энергия хаотического движения молекул (поступательного и вращательного), колебаний атомов в молекулах и силового взаимодействия между ними.

Кинетическая энергия молекул является функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема V, т.е. является функцией объема. Поэтому внутренняя энергия есть функция состояния термодинамической системы: U=f₁(р,V), U=f₂(р,Т), U=f₃(Т,V).

У идеальных газов отсутствуют силы взаимодействия между молекулами и, следовательно, потенциальная энергия его молекул равна нулю. Таким образом, под внутренней энергией идеального газа понимают только кинетическую энергию тепловых движений молекул.

Ее изменение (∆u) в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса и определяется только лишь ее значениями в конечном (2) и начальном (1) состояниями тела: Δ u = ∫ d u =u ₂- u ₁. Изменение внутренней энергии происходит в процессе при постоянном объеме: т.е.

Δ u = с_v · (t₂ – t₁).

Для реальных газов внутренняя энергия определяется не только интенсивностью теплового движения молекул, но и силовым взаимодействием между молекулами, зависящим от расстояния между ними, и, следовательно, от удельного объема газа. Тогда внутренняя энергия реального газа зависит от температуры и удельного объема (или давления) – от основных параметров состояния, значения которых не зависят от того, каким путем газ пришел в данное состояние.

Э н т а л ь п и я - (Н, Дж) (греч.«нагреваю»). Удельная энтальпия обозначается (h) и измеряется в Дж/кг. Имеет место в процессах, связанных с расчетом котельных установок, паровых турбин, а также с сушкой.

Поскольку энтальпия есть функция состояния системы, то величина dh является полным дифференциалом и зависит от начального и конечного состояния системы.

С точки зрения физики энтальпия представляет собой внутреннюю энергию системы и связь термодинамической системы с окружающей средой:

h =u +рv. (1.18)

1.6 Теплота и работа - формы передачи энергии

Энергия является мерой различных форм движения материи. Энергия не исчезает и не возвращается вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество другого.

При протекании термодинамического процесса тела, участвующие в нем, обмениваются между собой энергией. Передача энергии от одних тел к другим может происходить двумя способами.

Первый способ передачи энергии в форме работы. Работа представляет собой меру взаимодействия систем при изменении энергии системы во время ее перехода из одного состояния в другое.

В системе СИ работа обозначается L – произвольное количество энергии, Дж; l – удельное количество энергии, Дж/кг.

При взаимодействии с окружающей средой рабочее тело может изменять свой объем. При этом происходит передача внутренней энергии от рабочего тела к внешней среде или наоборот, т.е. происходит термодинамический процесс. Он всегда сопровождается изменением параметров состояния. Если процесс представляет собой непрерывный ряд равновесных состояний системы, то его называют равновесным, и в противном случае – неравновесным.

Все реальные процессы неравновесны и необратимы. В термодинамике рассматриваются равновесные обратимые процессы. Такие процессы можно изобразить графически, например в рv – координатах (рис. 1.1).

Рис. 1. 1. Зависимость работы от пути процесса

Работа в процессе 1-2 равна l = . Площадь под кривой в процессе 1-2 изображает работу, поэтому рv диаграмма является рабочей диаграммой для работы. Из диаграммы видно, что величина работы зависит от пути перехода газа из одного состояния в другое, т.е. работа является функцией процесса.

Если процесс сопровождается увеличением объема газа, то в этом случае совершается полезная работа, которую принято считать положительной. При уменьшении объема совершается отрицательная полезная работа.

Второй способ передачи энергии в форме теплоты. Теплота – это энергия, передаваемая одной системой другой, зависящая от разности их температур и не связанная с переносом массы.

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 (Дж), а удельное (отнесенное к 1 кг) – q (Дж/кг). Подведенная теплота считается положительной, отведенная – отрицательной.

Теплота q, как и работа, является функцией процесса, а не функцией состояния. Она представляется мерой количества переданной энергией, что возможно только при наличии разности температур между телами.