§ 2.7. Энергия. Внутренняя энергия

Энергия является мерой различных форм движения материи. Увеличение или уменьшение энергии системы означает изменение в ней движения в ко­личественном и качественном отношении.

Закон эквивалентных превращений энергии устанавливает, что если раз­личные виды энергии взяты в таких количествах, что они вызовут одно и то же состояние данной закрытой системы, то они эквивалентны. Количествен­ные соотношения между различными видами энергии называются эквива­лентами.

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии в термодинамике трансформируется в "первое начало" или "первый закон термодинамики". Его основные положения будут рассмотрены ниже (см. § 2.9).

Закон взаимосвязи между массой и энергией был предложен А.Эйнштейном в виде соотношения

где Е - полная энергия тела, имеющего массу m; с - скорость света (с=3·10⁸ м/с).

Масса тела, движущегося со скоростью w, определяется по формуле

где m₀ - масса покоя тела.

Таким образом, масса и энергия растут или уменьшаются пропорцио­нально c².

В термодинамике полная энергия макросистемы равна

где Е_кин - кинетическая энергия системы; Е_пот - потенциальная энергия сис­темы во внешних силовых полях; U - внутренняя энергия.

Кинетическая энергия системы, имеющей массу m и скорость w, опреде­ляется по формуле

Изменение потенциальной энергии системы равно работе, совершаемой над системой при перемещении ее из одного места силового поля в другое.

Внутренняя энергия - это энергия, заключенная в системе. Она состоит из кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия молекул, энер­гии внутриатомных и внутриядерных движений частиц и др.

Внутренняя энергия является однозначной функцией внутренних пара­метров состояния (температуры, давления) и состава системы. Ввиду того, что внутренняя энергия является функцией состояния, то ее изменение ΔU не зависит от формы пути процесса, а определяется лишь ее значениями в ко­нечном и начальном состояниях, т.е.

Внутренняя энергия - величина аддитивная. Это означает, что для слож­ной системы она определяется как сумма внутренних энергий составляющих частей этой системы, т.е.

§ 2.8. Теплота и работа

Опыты показывают, что при протекании термодинамического процесса тела, участвующие в нем, обмениваются между собой энергией. В итоге энергия одних тел возрастает, а других - уменьшается. Передача энергии от одних тел к другим может происходить двумя способами.

Первый способ передачи энергии представляет из себя передачу энергии в форме теплоты. Такая передача энергии происходит между телами, имею­щими различную температуру и приведенными в соприкосновение, либо ме­жду телами, находящимися на расстоянии, посредством электромагнитных волн (тепловое излучение). При этом передача энергии происходит от более нагретых к менее нагретым телам. Количество энергии, переданное таким способом, называют количеством теплоты.

Теплота, как и любая энергия, измеряется в Джоулях. Произвольное ко­личество принято обозначать буквой Q, а удельное (отнесенное к 1 кг) - q. Подведенная теплота считается положительной, отведенная - отрицательной.

Второй способ передачи энергии называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии называется работой. Передача энергии в этом случае происходит при перемещении всего тела или его части в пространстве. Для передачи энергии этим способом тело должно либо дви­гаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.

Если тело получает энергию в форме работы, то считается, что над этим телом совершается работа. При отдаче телом энергии в форме работы - тело затрачивает работу. Затраченная телом работа считается положительной, а работа, совершенная над телом,- отрицательной. Работа, как и теплота, из­меряется в Джоулях. Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначается буквой L, а удельное - l.

Таким образом, теплота и работа являются двумя качественно и количе­ственно различными формами передачи энергии от одних тел к другим.

Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота является совокупностью микрофизических процессов. Передача энергии в виде теплоты происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел.