4.9 Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия газа состоит из:

1) кинетической энергии всех видов движения молекул;

2) потенциальной энергии их взаимодействия;

3. внутриатомной энергии;

4) внутриядерной энергии.

В молекулярной физике два последних вида энергии не рассматриваются, так как при процессах, изучаемых молекулярной физикой, они не изменяются. Для идеального газа, согласно его определению, потенциальная энергия взаимодействия молекул не учитывается. Таким образом, внутренняя энергия идеального газа состоит только из кинетических энергий движения молекул.

Если среднее значение энергии одной молекулы w , а количество молекул в газе N , то с учётом формулы (4.35), внутренняя энергия идеального газа U определится по формуле:

U = w ^. N = .

Для одного моля газа количество молекул N = N_А – число Авогадро, поэтому внутренняя энергия одного моля идеального газа U₀ равна:

U₀ = . (4.37)

Для произвольной массы газа т:

, (4.38)

где µ – молярная масса газа. Из формулы (4.38) следует, что внутренняя

энергия данного газа зависит только от его температуры. При изменении температуры газа на ∆Т изменение его внутренней энергии ∆U равно:

(4.39)

4.10 Энергия, теплота, работа

Приступим к изучению процессов, происходящих в идеальном газе, с термодинамической точки зрения (см. п.4.1). Одними из основных понятий в термодинамике являются энергия, работа и теплота.

Энергия – единая количественная мера различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий. Энергия количественно характеризует систему с точки зрения возможных в ней превращений движения. Энергией система обладает всегда. Энергия - однозначная функция состояния: в данном состоянии она принимает одно вполне определённое значение. При переходе из одного состояния в другое происходит изменение энергии:

(4.40)

В термодинамике рассматриваются две формы передачи энергии системе:

энергия может быть передана в форме теплоты и в форме работы.

Работа - процесс передачи энергии системе при воздействии на неё внешних сил. Работа совершается при изменении состояния системы. В отличие от энергии работа – функция процесса. Она зависит от того, каким способом система переходит из одного состояния в другое. При переходе системы из состояния 1 в состояние 2 совершаемая работа равна:

. (4.41)

Сравнить с формулой (4.40): d – полный дифференциал; δ - неполный дифференциал, поэтому

Энергия, передаваемая системе в процессе теплообмена с внешними телами, называется теплотой. Теплота, как и работа, не является функцией состояния. Это функция процесса, следовательно, теплота зависит от того, при каких условиях происходит процесс теплообмена системы с окружающей средой. При переходе из состояния 1 в состояние 2 передаваемое количество теплоты равно:

. (4.42)

Качественное различие этих двух форм передачи энергии состоит в следующем. При совершении над системой работы может меняться как внутренняя энергия системы, так и её внешняя механическая энергия. При теплообмене изменяется только внутренняя энергия системы.