Тема 3. Первое начало термодинамики
15. Основные термодинамические понятия.
Внутренняя энергия термодинамической системы.
Термодинамика изучает количественные закономерности превращения энергии, обусловленные тепловым движением молекул. Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона, являющиеся обобщением многовекового опыта человеческой деятельности и называемых началами термодинамики. Первое начало описывает количественную и качественную стороны процессов превращения энергии; второе начало позволяет судить о направлении этих процессов. Рассмотрим некоторые из основных понятий термодинамики.
Термодинамическая система – макроскопическое тело (или группа тел), которому свойственны процессы, сопровождающиеся переходом теплоты в другие виды энергии. Примером термодинамической системы может служить газ, заключенный в цилиндре под поршнем.
Состояние термодинамической системы однозначно определяется тремя параметрами: р, Т и V, называемыми параметрами состояния.
Равновесное состояние термодинамической системы (или состояние термодинамического равновесия) – это состояние, при котором параметры состояния остаются неизменными сколь угодно долго при неизменных внешних условиях. Равновесное состояние на графике состояний описывается точкой.
Состояния системы, которые не могут быть охарактеризованы одним каким-либо определенным значением параметра, являются неравновесными. При неравновесном состоянии термодинамические параметры в различных точках различны.
Стационарное состояние термодинамической системы – состояние, при котором параметры состояния системы остаются постоянными во времени и во всех частях системы.
Термодинамический процесс – изменение состояния системы. Графическое изображение равновесного процесса называется диаграммой состояний.
Равновесный процесс (или квазистатический) – процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Равновесным может быть только бесконечно медленный обратимый процесс. Процессы, не удовлетворяющие этим требованиям, – неравновесные. Графически можно изображать только равновесные процессы – процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний.
Релаксация - процесс перехода систем из неравновесного состояния в равновесное.
Все реальные процессы неравновесны (они протекают с конечной скоростью), но в ряде случаев неравновесностью реальных процессов можно пренебречь (чем медленнее процесс протекает, тем он ближе к равновесному). В дальнейшем рассматриваемые процессы будем считать равновесными.
Внутренней энергией термодинамической системы называется совокупность всех видов энергии, которыми она обладает, за вычетом энергии поступательного движения ее как целой и потенциальной энергии системы во внешнем поле. Однако в большинстве физических явлений, в которых участвуют термодинамические системы, очень часто, употребляя понятие внутренней энергии, имеют в виду не полную энергию данной системы, а только ту ее часть, которая участвует в рассматриваемых явлениях. Под внутренней энергией U в термодинамике будем понимать энергию теплового движения частиц, образующих систему, и потенциальную анергию их взаимного положения.
Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю, и внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения. Поэтому внутренняя энергия одного моля идеального газа равна:
.
(1)
Из формулы (1) видим, что внутренняя энергия идеального газа пропорциональна абсолютная температуре.
Внутренняя энергия обладает следующими свойствами:
– в состоянии теплового равновесия частицы системы движутся так, что их полная энергия все время равна внутренней энергии;
– внутренняя энергия – величина аддитивная, т.е. внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий образующих систему тел;
– внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния, т.е. каждому состоянию системы присуще только одно значение энергии; это означает, что изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое не зависит от пути перехода. Величина, изменение которой не зависит от пути перехода в термодинамике называется функцией состояния: DU=U2–U1 не зависит от вида процесса, или
,
где U2 и U1 – значения внутренней энергии в состояниях 1 и 2. Здесь dU – полный дифференциал. Изменение внутренней энергии системы может произойти, если: 1) система получает извне или отдает окружающим телам некоторую энергию в какой-нибудь форме; 2) система совершает работу против действующих на нее внешних сил.