Archive / Конспект лекций от 02.04.12 - копия / ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ 4

2

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

1.Термодинамика.

Термодинамика – это наука о тепловых процессах. Если молекулярная физика объясняет эти процессы на основании молекулярно-кинетической теории, т.е. на основании учения о молекулярном строении вещества, то выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов (например, уже известных вам газовых законов) и не зависят от наших знаний о строении вещества. Однако, молекулярно-кинетическая модель строения вещества часто привлекается для подтверждения выводов, полученных термодинамическими методами, в частности, любой из газовых законов объясняется на основании МКТ.

Термодинамический подход к изучению газовых систем предполагает, что эти системы подчиняются законам, установленным экспериментально, а состояния системы и процессы перехода из одного состояния в другое характеризуются тремя термодинамическими параметрами (температура, давление и объём). Саму газовую систему в этом случае называют термодинамической системой.

Если в каждой точке термодинамической системы все три параметра одинаковы и остаются неизменными с течением времени, то такое состояние называется термодинамическим равновесием.

2.Внутренняя энергия.

Так как молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом, то, даже если тело находится в состоянии покоя, оно обладает энергией, которая называется внутренней.

Под внутренней энергией термодинамической системы понимают сумму кинетической энергии всех молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Обозначается внутренняя энергия буквой U.

Если рассматриваемый газ является идеальным, т.е. молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга и энергией взаимодействия можно пренебречь, то внутренняя энергия газа – это только кинетическая энергия всех молекул.

Рассчитаем внутреннюю энергию ν молей идеального одноатомного газа.

Допустим, что газовая система состоит из N молекул. Кинетическая энергия одной молекулы одноатомного газа .

Тогда

Итак, внутренняя энергия ν молей одноатомного газа

Одноатомными газами являются все инертные газы – гелий (Не), аргон (Ar), неон (Ne), криптон (Kr).

Для двухатомного газа внутренняя энергия ν молей

К двухатомным газам относятся – водород (Н₂), азот (N₂), кислород (О₂) и т.д.

Единицей измерения внутренней энергии является = 1 Дж.

3.Внутренняя энергия как функция состояния системы.

Как видно из формулы, внутренняя энергия одного и того же количества вещества зависит только от температуры, которую имеет термодинамическая система в данном состоянии.

Температура – это один из параметров, характеризующих термодинамическую систему, она связана с двумя другими параметрами (давлением и объёмом) уравнением Клапейрона-Менделеева PV=νRT. Это значит, что каждому состоянию термодинамической системы с определёнными параметрами (P,V,T) соответствует вполне определённая внутренняя энергия, не зависящая от того, каким образом эта система в это состояние перешла.

Поэтому говорят, что внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Так как изменяется внутренняя энергия системы при изменении температуры, то увеличения или уменьшения внутренней энергии можно добиться либо путём теплообмена, либо в результате совершения работы.