1. Внутренняя энергия тел. Первое начало термодинамики.

Энергию любой системы можно разделить на две части:

1) энергия, зависящая от положения и движения системы, как целого, и

2) энергия, определяемая состоянием и взаимодействием частей системы (вплоть до атомов и молекул). Вторую часть называют внутренней энергией системы U.

Изменение внутренней энергии системы (ΔU) может происходить двумя способами. Во-первых, система может совершить работу (А) над окружающими телами; во-вторых, энергия может быть получена (или отдана) в результате столкновений молекул или испускания и поглощения излучения (в обыденной жизни чаще всего – инфракрасных лучей). В этом случае говорят о передаче тепла (Q). Положительным считается тепло, полученное телом.

По закону сохранения энергии отсюда следует: ΔU = Q – A (1)

Эта формула называется первым началом термодинамики. Она является одним из важнейших соотношений физики и техники.

При взгляде на формулу (1) можно подумать, что всю внутреннюю энергию системы можно превратить в работу (при этом Q = 0, то есть нет ни получения, ни отдачи тепла). Оказывается, что это не так. Более внимательный анализ процессов в природе и технике показал, что внутренняя энергия любой системы состоит из двух разных частей:

1. Свободная энергия G – это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы (слова „в принципе“ означают, что хотя на практике обычно не удаётся всю свободную энергию использовать для получения работы, но в принципе это возможно).

2. Связанная энергия W_СВЯЗ, которую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу. В большинстве случаев связанная энергия – это часть энергии теплового движения составляющих систему частиц.

Сказанное можно выразить в виде формулы: U = G + W_СВЯЗ (2)

Ясно, что на практике в большинстве случаев интерес представляет именно свободная энергия. В частности, организму для поддержания жизнедеятельности нужна свободная энергия, которую он получает почти исключительно с пищей (мы не говорим здесь о растениях, которые получают основную часть свободной энергии в виде энергии солнечного света).

2. Обратимые и необратимые процессы. Диссипация свободной энергии.

Ранее было сказано, что свободную энергию на практике удаётся использовать для получения работы только частично, что можно выразить простым соотношением: А ≤ ΔG (4), то есть полученная работа обычно меньше, чем изменение свободной энергии. Процессы, при которых А = ΔG, называются обратимыми, потому что затратив работу А мы можем вернуть систему в исходное состояние. Все процессы, в которых А < ΔG являются необратимыми; чтобы в этом случае вернуть систему в исходное состояние надо затратить работы больше, чем было получено. В любом реальном процессе часть свободной энергии обязательно превращается в тепло, то есть в связанную энергию. Переход свободной энергии в тепло называют диссипацией свободной энергии (слово „диссипация “ по-русски значит „рассеяние“). Однако, в некоторых случаях, когда диссипация незначительна, можно условно считать процесс обратимым (как, например, мы считаем воздух идеальным газом).