2.3. Внутренняя энергия тд системы (§ 82)

Определение. Внутренняя энергия ТД системы U – это суммарная кинетическая энергия хаотического движения всех её молекул плюс потенциальная энергия их взаимодействия.

Свойства внутренней энергии:

1. Внутренняя энергия является функцией состояния системы, т.е. её значение однозначно определяется параметрами данного состояния p, V и Т, независимо от процесса, который привёл к этому состоянияю: U=f(p,V,Т).

2. Внутренняя энергия – величина аддитивная. Это означает. что если система состоит из нескольких частей, то внутренняя энергия системы равна сумме внутренних энергий её частей.

2.4. Работа системы и работа над системой (§ 84)

Пусть в цилиндрической банке под подвижный поршнем заключён газ. Газ давит на поршень с силой F=pS, где р – давление газа в цилиндре, S − площадь поршня (рис. 4). Если поршень сместился на малое расстояние dx, то система (т.е. газ), расширившись, совершила работу

dA=Fdx=pSdx=pdV,

где dV – малое приращение объёма газа. При конечном расширении газа от V₁ до V₂ работа системы

А_1-2=. (2)

Это выражение для работы справедливо и для объёма любой формы, а не только цилиндрического.

На диаграмме (р,V) процесс изменения объёма газа изобразится некоторой кривой. Так как элементарная работа pdV равна на этой диаграмме площади заштрихованной полоски (рис. 5), то вся работа (2) численно равна площади всей фигуры под кривой р(V) на участке от V₁ до V₂.

Пусть объём газа в цилиндре уменьшается. Тогда смещение поршня dx противоположно направлению силы давления F, и, следовательно, работа cистемы dA=Fdx cos180° будет отри-цательной (рис. 6). Работа же внешних сил, сжимающих газ, т.е. работа над системой, которую будем обозначать А′ − положительна, так как направление внешней силы F′ и смещения dx совпадают. Таким образом, А′=−А.

При циклическом процессе 1→2→1, показанном на рис. 7, работа системы А численно равна площади петли, так как площадь фигуры под участком 1→2 даёт А_1-2>0, а площадь фигуры под участком 2→1 даёт А_2-1<0. При обходе петли по часовой стрелке А>0, а при обратном обходе А<0.

2.5. Понятие температуры (§ 85)

Качественно понятие температуры тела вводится следующими процессами теплопередачи.

1. Если тело 1 при физическом контакте с телом 2 передаёт ему внутреннюю энергию путём теплопередачи, то говорят, что тело 1 имеет более высокую температуру, чем тело 2, т.е. Т₁>Т₂.

2. Если два тела (без внутренних тепловых источников) долгое время находятся в физическом контакте и уже не обмениваются энергией путём теплопередачи, то говорят, что эти тела имеют одинаковые температуры: Т₁=Т₂.

Температура тела Т является мерой средней кинетической энергии теплового (хаотического) движения всех его молекул. Из статистической теории известно, что эта средняя кинетическая энергия молекулы связана с температурой тела Т соотношением:

,

где m – масса молекулы,

υ – её средняя тепловая скорость,

k=1,38·10⁻²³ Дж/К – постоянная Больцмана,

i – число степеней свободы молекулы, т.е. число независимых координат, задающих положение и ориентацию молекулы в пространстве. Для 1-атомных молекул i=3, для двухатомных – i=5, для нелинейных трёх- и многоатомных молекул i=6.

Многие параметры тел, такие как объём, плотность, электропроводность и др., зависят от температуры и могут быть использованы для её измерения. В большинстве бытовых и лабораторных термометров для измерения температуры используется зависимость V(T), где V – объём жидкости или газа. В электронных термометрах используется зависимость электрического сопротивления тела от температуры (терморезисторы).

При градуировке термометров точке кипения воды приписывают значение 100°, точке замерзания – 0°; И весь этот температурный интервал делят на 100 равных частей. Это – шкала Цельсия, применяемая в быту.

В физике применяется шкала Кельвина, или абсолютная шкала. Она строится так: один кельвин равен одному градусу Цельсия (1 К=1°С), а температуры шкал Кельвина (Т_К) и Цельсия (Т_С) связаны соотношением

Т_К=Т_С+273,15.

Температура Т= 0 К =−273,15°С называется абсолютным температурным нулём.

Далее везде под температурой системы будем понимать именно абсолютную температуру.

Третий закон термодинамики утверждает невозможность достижения абсолютного нуля никакими способами. К абсолютному нулю можно подойти очень близко (и в настоящее время подходят – до 10⁻⁶ К), но достичь его точно – никогда. Да и само понятие «точно» в физике не имеет смысла.