II. Перший закон термодинаміки
2.1. Вступ
Термодинаміка – це наука про найбільш загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Вона дає повний кількісний опис оборотних процесів, а для необоротних процесів установлює лише визначені нерівності та вказує на напрямок їх перебігу. Термодинамічний процес називають оборотним, якщо він допускає повернення системи в первісний стан без того, щоб у навколишньому середовищі залишилися які-небудь зміни. Рівноважні процеси є оборотними.
Термодинаміка базується на основі фундаментальних принципів (основ, законів), які є узагальненням численних спостережень, і виконуються незалежно від конкретної природи утворюючих систему тіл. Тому закономірності у співвідношеннях між фізичними величинами, відкриті термодинамікою, мають універсальний характер.
Перший закон термодинаміки виражає принцип збереження енергії для тих макроскопічних явищ, у яких одним із істотних параметрів, що визначають стан системи, є температура. Тому викладу сутності першого закону термодинаміки повинен передувати розгляд тих видів енергії системи, які розглядає термодинаміка.
2.2. Внутрішня енергія термодинамічної системи
Усяка термодинамічна
система в будь-якому стані має деяку
повну енергію
,
що містить у собі:
1) кінетичну енергію механічного руху всієї системи як цілого або її макроскопічних частин ;
2) потенціальну енергію, що залежить від положення системи у зовнішньому силовому полі (гравітаційному, електричному);
3)
внутрішню
енергію
,
що залежить тільки від внутрішнього
стану системи.
У
термодинаміці зазвичай розглядають
макроскопічні умовно нерухомі системи,
не враховуючи їх потенціальну енергію
у зовнішніх силових полях. Для
абстрагованих
у такий спосіб систем значення повної
і внутрішньої енергії співпадають.
Тому поняття внутрішньої енергії є
одним з основних у термодинаміці. До
складу внутрішньої енергії входить
енергія усіх видів руху і взаємодії
усіх частинок (атомів, молекул, іонів,
електронів тощо), що утворюють дослідну
систему. Так наприклад, у внутрішню
енергію газоподібного тіла входять:
а) кінетична енергія хаотичного (теплового) поступального й обертального рухів молекул;
б) кінетична і потенціальна енергія коливань атомів у молекулах;
в) потенціальна енергія, зумовлена силами міжмолекулярної взаємодії;
г) енергія взаємодії електронів в атомах і молекулах між собою і ядрами ;
д) енергія руху і взаємодії нуклонів у ядрах.
З
міна
внутрішньої енергії при переході з
деякого стану 1 у стан 2 не залежить від
виду процесу переходу, а залежить тільки
від початкового і кінцевого станів
цієї системи. Зокрема, якщо в результаті
будь-якого процесу система повертається
у вихідний стан, то повна зміна її
внутрішньої енергії дорівнює нулю:
(2.1)
Зміна
внутрішньої енергії
є повним диференціалом термодинамічних
координат,
а внутрішня енергія системи є однозначною
функцією термодинамічного
стану системи.
В
нутрішня
енергія системи у стані термодинамічної
рівноваги залежить тільки
від температури і зовнішніх параметрів
системи. Наприклад, внутрішня енергія
системи
постійної маси m залежить від температури
Т
і
об'єму
V
системи:
(2.2)
Внутрішня
енергія, подібно до потенціальної
енергії в механіці, може бути визначена
тільки з точністю до деякої постійної
,
що залежить від вибору стану, в якому
внутрішню енергію системи приймають
рівною нулю. Однак це несуттєво,
тому що в термодинаміці визначають не
абсолютні значення внутрішньої
енергії
,
а лише її зміну в розглянутих процесах.
Тому в термодинаміці
під внутрішньою енергією розуміють
тільки ті її складові, що змінюються
в розглянутих термодинамічних процесах.
Враховуючи це, під внутрішньою
енергією реального газу можна розуміти
складові а), б) і в), а під внутрішньою
енергією ідеального газу – складову
а), як повну внутрішню енергію газоподібного
тіла.