2.3. Внутренняя энергия

Любая термодинамическая система обладает запасом энергии. Суммарная энергия системы складывается из суммы энергий различных видов, присущих соответствующим формам движения материи: тепловой, химической, ядерной и др. Понятие энергии неисчерпаемо как в макромир, так и в микромир. В дальнейшем будем рассматривать замкнутую термодинамическую систему, неподвижную относительно поверхности Земли и без учета сил ее гравитационного взаимодействия с Землей. Энергию такой термодинамической системы назовем внутренней энергией.

Термодинамика не занимается общим запасом внутренней энергии тела, она имеет дело с изменением внутренней энергии тела (системы) при различных процессах механического и теплового энергетического взаимодействия тела и окружающей среды. При этом интерес представляет только изменяющаяся часть внутренней энергии тела или системы. Поэтому для расчета абсолютного значения внутренней энергии в термодинамике принимают условное ее нулевое значение при определенном фиксированном состоянии тела или системы. Относительно этого состояния ведется определение внутренней энергии тела (системы). При такой условности в расчетах может получиться, что внутренняя энергия тела будет иметь отрицательный знак. Однако это не значит, что внутренняя энергия тела отрицательная, просто эта энергия находится ниже выбранного уровня ее отсчета.

В технической термодинамике рассматриваются процессы, происходящие в макросистемах (на уровне молекул), при отсутствии химических, ядерных, электрических, аннигиляционных и других явлений.

Поэтому в термодинамике к внутренней энергии тела (системы) относятся кинетическая энергия беспорядочного теплового движения его молекул, потенциальная энергия связи этих молекул и энергия колебания атомов в них. Потенциальная составляющая внутренней энергии обусловливается работой дисгрегации – разъединения, идущей на увеличение (уменьшение) расстояния между молекулами, т.е. на совершение работы по преодолению сил их взаимного притяжения (отталкивания).

Условно внутреннюю энергию можно представить в виде суммы двух слагаемых:

U = K + P, (2.23)

где U – внутренняя энергия тела (системы);

K – кинетическая составляющая внутренней энергии, обусловленная движением микрочастиц;

P – потенциальная составляющая внутренней энергии, обусловленная наличием сил взаимодействия (притяжения или отталкивания) между микрочастицами.

Внутренняя энергия имеет единицу измерения джоуль (Дж). Она подчиняется закону сложения – аддитивная величина, обладающая экстенсивными свойствами, т.е. для сложной системы, состоящей из нескольких однородных тел, внутренняя энергия будет равна сумме внутренних энергий этих тел:

U = U₁ + U₂ + U₃ + ∙∙∙ + U_n . (2.24)

Для гомогенного (однородного) тела, разделив его внутреннюю энергию на массу тела, получим удельную внутреннюю энергию с единицей измерения джоуль на килограмм (Дж/кг), которая будет обладать интенсивными свойствами:

u = U/m . (2.25)

Кинетическая составляющая внутренней энергии находится в прямой зависимости от температуры тела, а потенциальная составляющая внутренней энергии тела зависит от расстояния между молекулами, т.е. от плотности или удельного объема вещества. Таким образом, внутренняя энергия оказывается функцией состояния вещества и сама является параметром состояния. Удельная внутренняя энергия однородного тела может быть определена любой парой независимых параметров состояния:

u = f(Т,v); u = F(Т,P); u = f(P,v). (2.26)