26. Внутренняя энергия идеального газа. Работа и теплота. Закон сохранения энергии.Первое начало термодинамики.

Сумма всех видов энергий движения и взаимодействия частиц тела или системы тел называется внутренней энергией тела или системы. В состав внутренней энергии тела входит энергия всех видов движения, а именно: энергия поступательного и вращательного движения молекул, энергия колебательного движения атомов в молекулах, а также энергия взаимодействия входящих в тело молекул. Внутренняя энергия не включает в себя кинетическую и потенциальную энергию тела, как целого.

Если известен закон взаимодействия между частицами в том или ином теле, то молекулярно-кинетическая теория позволяет рассчитать внутреннюю энергию этого тела. Проще всего определить внутреннюю энергию идеального газа. Так как в идеальном газе взаимодействие между молекулами отсутствует (взаимная потенциальная энергия молекул равна нулю), то его внутренняя энергия складывается только из энергии теплового движения отдельных молекул. Тогда внутренняя энергия, отнесенная к одному молю газа, будет равна сумме кинетических энергий N_А молекул:

U₀ = (i/2)kTN_A = (i/2)RT.

Внутренняя энергия для произвольной массы М газа

U = (M/)i RT/2 = Z i RT/2.

Из полученной формулы видно, что внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит только от температуры и совершенно не зависит от объема, занимаемого газом при данной температуре. Для реального газа это не так.

Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется, а изменяется лишь ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов, например, совершения над системой работы или сообщения ей теплоты. Для нагревания тела над ним надо совершить работу, а для охлаждения нужно создать такие условия, чтобы оно само могло совершить работу. Известно, что газ, как и всякое другое тело, можно нагреть или охладить (т.е. изменить его внутреннюю энергию) и другим способом, при котором никакая механическая работа не совершается. Для этого тело приводится в контакт с другим телом, имеющим более высокую или более низкую температуру, чем данное тело. При таком контакте происходит обмен энергией между телами, причем одно тело передает внутреннюю энергию другому без совершения работы. Такой процесс изменения внутренней энергии тела без совершения механической работы называется теплопередачей.

Теплопередача осуществляется не только при непосредственном контакте, но и в том случае, когда тела различной температуры разделены какой-либо средой или даже пустотой. В первом случае говорят, что передача осуществляется путем теплопроводности, а в другом – теплоизлучением. Количество энергии, передаваемой одним телом другому при их контакте (непосредственно или через третье тело) или путем излучения называется количеством теплоты. Таким образом, можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Количество теплоты, также как и механическая работа, является мерой изменения энергии тела или системы тел. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения, и наоборот.

Работу можно охарактеризовать как макроскопическую форму передачи энергии, связанную с макроскопическим перемещением в системе (например, перемещение поршня в цилиндре с газом), а теплоту – как микроскопическую форму изменения энергии, связанную с микроскопическими процессами, происходящими в системе.

При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Если система подвергается одновременно и механическому и тепловому воздействию, то

 Q = dU + A (1)

т.е., бесконечно малое количество тепла, передаваемого системе, идет на бесконечно малое изменение ее внутренней энергии и на элементарную работу, совершаемую системой против внешних сил. Уравнение (1) выражает первое начало термодинамики в дифференциальной форме, т.е. для бесконечно малого изменения состояния системы.

В интегральном виде, т.е для конечного изменения состояния системы первое начало термодинамики имеет вид Q = U₂ – U₁ + A,

где U₂ – U₁ -изменение внутренней энергии тела или системы при переходе ее из состояния 1 в состояние 2, Q – количество теплоты, полученное при этом системой, и А – полная работа, производимая системой при переходе из 1 состояния во 2-ое.

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии U = 0. Тогда, согласно первому началу термодинамики, А = Q,

т.е. вечный двигатель первого рода - периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, - невозможен (одна из формулировок первого начала термодинамики).