2.2 Внутренняя энергия

Любая термодинамическая система имеет запас энергии.

Е = Е_к + Е_п + U

Общая энергия складывается из кинетической энергии движения, определяемой как

Е_к = mv²/2,

где m - масса системы, v – скорость движения системы;

потенциальной энергии, определяемой гравитационным полем земли

Е_п = mgh ,

где g – ускорение свободного падения, h – высота над уровнем моря,

и внутренней энергией U, т.е. энергии, заключённой внутри самого тела.

Отсюда вытекает определение внутренней энергии.

Внутренней энергией называется полная энергия, которой обладает система в данном состоянии, за вычетом кинетической энергии движения самой системы и потенциальной энергии.

Внутренняя энергия состоит из кинетической энергии теплового движения молекул U_к, потенциальной энергии взаимодействия молекул U_п и нулевой энергии U₀ (энергии при температуре абсолютного нуля).

U = U_к + U_п +U₀

Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Для термодинамических расчётов интерес представляет не сама внутренняя энергия, а её изменение в каком-либо процессе, причём изменение внутренней энергии не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы.

В 1845 году Джоуль установил закон, согласно которому внутренняя энергия идеальных газов не зависит от давления или объёма, а зависит только от температуры. При увеличении внутренней энергии температура газа увеличивается, и наоборот. При уменьшении внутренней энергии температура газа уменьшается.

2.3 Теплота и работа

Передача энергии между термодинамическими системами может осуществляться только в виде теплоты и (или) работы.

Первый способ передачи энергии называется теплообменом. Теплота может передаваться от одного к другому телу либо непосредственным контактом, либо за счёт лучистой энергии.

Численно теплота находится:

Теплота, подводимая к системе, считается положительной, а отведённая – отрицательной.

Второй способ передачи тепла сопровождается изменением объёма рабочего тела, или перемещением в пространстве под воздействием внешних сил.

Работу газа при изменении объёма можно получить:

Работа, произведённая системой (расширение) считается положительной, а над системой (сжатие) – отрицательной.

Теплота Q и работа L имеют размерность энергии (Дж), но сами по себе не являются энергией. Это всего лишь формы передачи энергии от одного тела другому. Если можно сказать, что тело обладает какой-либо энергией, то недопустимо говорить, что тело обладает запасами какой-либо работы или теплоты. Если не происходит какого-либо процесса и работа и теплота равны 0. И теплота, и работа могут реализовываться как вместе, так и индивидуально.

2.4 Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики является одним из основных законов. Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Этот закон устанавливает эквивалентность теплоты и работы. Согласно этому закону в изолированной системе сумма всех видов энергии постоянна, причём теплота и работа взаимно преобразуясь находятся в одном и том же количественном состоянии. Это впервые доказал английский физик

Д жоуль на опытной установке, схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3 Принципиальная схема установки Джоуля.

Установка состояла из медного сосуда 1, тщательно теплоизолированного, мешалки 2, блока 4 и груза 5 массой т, связанного с мешалкой тросом, перекинутым через блок 4. На мешалке и внутренних стенках сосуда были закреплены лопатки 3. Сосуд заполнялся водой, масса которой была заранее известна. Груз использовался для привода во вращение мешалки. При этом, опускаясь на высоту h, он производил работу l=mh, равную убыли потенциальной энергии груза. Температура воды в сосуде измерялась термометром. Теплота, выделявшаяся в сосуде с водой, определялась по повышению температуры воды. В результате серии опытов Джоулем была получена зависимость

Q = AL,

в которой коэффициент пропорциональности А имел одно и то же значение не зависимо от способа получения теплоты, вида работы и температуры тела.

Таким образом, было показано, что количество полученной теплоты эквивалентно затраченной работе. Коэффициент пропорциональности А в уравнении называется тёпловым эквивалентом работы. Величина его соизмерима единицам измерения теплоты и работы.

Существует несколько формулировок первого закона термодинамики. Мы остановимся на одной из них.

Всё подведённое к системе тепло идёт на изменение внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Математически этот закон записывается:

Q = U + L