1. Теоретическая часть

1.1. Некоторые общие понятия.

Внутренняя энергия системы. Это суммарная энергия системы, складывающаяся из внутриядерной энергии, энергии электронных оболочек атомов, колебательной энергии атомов в молекулах, вращательной и поступательной энергии молекул. Она измеряется в единицах энергии [Дж] и равна общей энергии системы за вычетом кинетической и потенциальной ее энергии как единого целого. Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры и является функцией состояния. Элементарное изменение внутренней энергии это полный дифференциал (интегрирование от состояния 1 до состояния 2 дает конечное изменение внутренней энергии, а круговой интеграл равен нулю):

=

Для любой системы внутренняя энергия при температуре Т равна ее величине при абсолютном нуле плюс ее приращение при нагревании системы до рассматриваемой температуры :

.

Абсолютная величина внутренней энергии системы неизвестна, поскольку неизвестной является энергия . В то же время ее изменение (ΔU) в ходе любого процесса легко измеримо (см. далее).

Теплота. Это энергия, передаваемая в виде теплоты термодинамической системе от среды (в этом случае она положительна) или среде от системы (отрицательна) в ходе какого-либо термодинамического процесса. Теплота является функцией процесса. Ее элементарное приращение не является полным дифференциалом и обозначается значком (интегрирование от состояния 1 до состояния 2 дает величину теплоты процесса, а круговой интеграл может быть и не равен нулю):

Работа. Это энергия, передаваемая в виде механической работы термодинамической системе от среды (в этом случае она отрицательна) или от системы к среде (положительна). Работа также является функцией процесса, как и теплота (см. выше):

И теплота и работа измеряются в единицах энергии  джоулях [Дж].

1.2. Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики является следствием универсального закона сохранения энергии и одна из его формулировок гласит: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии (в простейшем случае  на ее нагревание) и на совершение системой работы.

Математическое выражение первого начала термодинамики в соответствии с этой формулировкой для элементарного изменения в системе имеет следующий вид:

для конечного изменения, то есть для термодинамического процесса (после интегрирования этого уравнения от состояния 1 до состояния 2):

В простейшем случае, когда работа, совершаемая системой, состоит только из работы расширения, то есть когда , математическое выражение первого начала термодинамики приобретает вид:

В дальнейшем будем рассматривать только этот простейший случай.

Для изобарного процесса, когда , математическое выражение первого начала термодинамики приобретает вид:

где  энтальпия системы, равная сумме внутренней ее энергии и потенциальной энергии, обусловленной энергией сжатого газа . Как и внутренняя энергия, энтальпия измеряется в [Дж]. Абсолютное значение энтальпии не может быть определено по той же причине, что и для внутренней энергии. В случае практически несжимаемых жидких и твердых веществ H приблизительно равна U. Энтальпия является функцией состояния, как и U, P, V .

Таким образом, теплота изобарного процесса равна изменению энтальпии системы и наоборот  изменение энтальпии системы в изобарном процессе в точности равно теплоте процесса:

Для изохорного процесса, когда V = const и dV = 0 , математическое выражение первого начала термодинамики приобретает вид:

Теплота изохорного процесса равна изменению внутренней энергии системы или проще  в изохорном процессе, когда работа расширения системы равна нулю, теплота подведенная к системе расходуется только на ее нагревание.

Для изобарно-изотермического процесса, протекающего при данной температуре и данном давлении (T =const , P = const), изменение объема системы происходит только при изменении числа молей газа ( в ходе химиической реакции или физического процесса. Для идеальных газов . Следовательно, первое начало термодинамики в этом случае может быть записано в форме

Поскольку , соотношение между тепловыми эффектами процессов, протекающих при постоянном давлении и постоянном объеме, следующее: