7. Внутренняя энергия
В общем случае полная энергия ТРТ складывается из его внутренней и внешней энергии
E = U + Eмех. (7.1)
Внутренняя энергия U тела складывается из энергии поступательного и вращательного движения молекул, составляющих тело, энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной энергии, внутриатомной и внутриядерной энергии.
В любом состоянии система, изолированная от внешней среды или находящаяся во взаимодействии с ней, располагает определенным количеством внутренней энергии.
Изменение внутренней энергии не зависит от вида процесса изменения состояния тела, а только от начального и конечного состояний, определяемым по его параметрам. При совершении цикла, когда система возвращается в исходное положение, ее внутренняя энергия принимает то же значение, что и до свершения цикла
.
(7.2)
Т.е. дифференциал dU представляет собой полный дифференциал, а U является функцией состояния системы и относится к тому же разряду величин, что и давление, удельный объем и температура.
В 1843 г. Джоуль сформулировал весьма важный закон: “Внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от его температуры”. Это объясняется тем, что в идеальном газе силы взаимодействия между частицами отсутствуют, вследствие чего внутренняя потенциальная энергия их равна нулю и внутренняя энергия состоит только из внутренней кинетической энергии, которая определяет температуру идеального газа
.
(7.3)
Это положение можно распространить и на реальные газы небольшой плотности.
В общем случае, для реальных газов внутренняя энергия, являясь функцией состояния вещества системы, определяется двумя независимыми термодинамическими параметрами.
В переменных p, ; p,T; T, – выражение для dU соответственно имеет вид
,
,
(7.4)
.
Внутренняя энергия – величина аддитивная
и для сложной системы определяется
суммой внутренних энергий ее частей
.
Она всегда известна с точностью до
некоторой аддитивной постоянной,
определение которой теряет смысл, если
чаще всего нас интересует изменение
внутренней энергии.
Обычно считают, что внутренняя энергия газа равна нулю при нормальных условиях.
Внутренняя энергия 1 кг газа обозначается u и в СИ измеряется в Дж/кг; используется также внесистемная единица ккал/кг, между ними существует соотношение
.
(7.5)
Внешняя механическая энергия Емех рабочего тела складывается из кинетической энергии Ек его поступательного движения и потенциальной энергии Еп, представляющей собой энергию взаимодействия гравитационного поля с ТРТ.
Закон сохранения и превращения энергии
Является фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер. Он гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Т.е. количество энергии, заключенное в изолированной системе, сохраняется неизменным.
Применительно к механике этот закон впервые был сформулирован М.В. Ломоносовым в 1760 г. в труде “Рассуждения о твердости и жидкости тел”. Но его научные работы были известны узкому кругу специалистов.
После установления принципа эквивалентности теплоты и работы, закон сохранения был распространен на другие виды энергии и в соответствии с его содержанием стал называться законом сохранения и превращения энергии.
Р.Э. Клаузиус назвал принцип эквивалентности первым началом термодинамики. “Во всех случаях круговых процессов, когда из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное полученной работе количество тепла, и наоборот, при затрате той же работы получается то же количество тепла”.