Теплота, внутренняя энергия и работа.
Кинетическая энергия движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию системы. Изменить энергию термодинамической системы можно двумя способами:
Путем теплопередачи – при непосредственном контакте или на расстоянии, радиационными методами (с помощью излучения). Таким образом, система получает или отдает некоторое количество теплоты Q.
Путем совершения работы. Работу газа в термодинамике легко вычислить: при малом изменении объема
она равна
.
Получить полезную работу от термодинамической системы – главная практическая цель термодинамических исследований. Выражение для А показывает, что при V = const работа не производится. Наглядно изобразить работу термодинамической системы можно, если графически представить процесс на осях (p,V) – это площадь фигуры под графиком процесса.
Лекция 14. Энергия в термодинамических процессах.
Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии.
Закон сохранения механической энергии не является столь же универсальным, как законы сохранения импульса и момента импульса. Требование, чтобы в системе присутствовали только консервативные силы, в реальных системах невыполнимо. Как учесть потери механической энергии и что с ней происходит?
Опыт показывает, что в результате трения тела нагреваются, т.е. изменяется внутреннее состояние вещества. Еще М.В.Ломоносовым установлено, что при нагревании увеличивается интенсивность движения молекул, составляющих тело, а мерой кинетической энергии молекул является температура.
Таким образом, трение в механической системе приводит к тому, что механическая энергия частично или полностью переходит во внутреннюю тепловую энергию U (по сути, также механическую – кинетическую энергию движения молекул, составляющих тело).
Понятие внутренней энергии справедливо только для равновесных систем, для которых определено понятие «состояние». Функция U зависит только от состояния системы в данный момент и не зависит от предшествующих состояний. Говорят, что внутренняя энергия U является функцией состояния системы.
.
Если система путем теплопередачи получила некоторое количество теплоты Q, ее внутренняя энергия увеличится. А если она совершит положительную работу А = pdV, то внутренняя энергия уменьшится:
,
или
.
(*)
Выражение (*) называется 1 началом термодинамики и представляет собой закон сохранения энергии в термодинамическом процессе: теплота, полученная системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение ею работы. Все величины в (*) могут быть и положительны, и отрицательны, и равны 0.
Еще одна формулировка 1 начала звучит так: невозможен вечный двигатель 1 рода, который совершал бы работу за счет полученной извне теплоты. Действительно, в конце цикла U=0, А=Q, т.е. в точности равна затратам энергии, а не превышает их.
Заметим, что 1 начало термодинамики не указывает на направление процесса. Например, ему не противоречит такая ситуация: система получила 10 Дж теплоты, при этом она совершила работу 15 Дж, а ее внутренняя энергия уменьшилась на 5 Дж:
10 = -5 + 15 (Дж).
Система совершила работу большую, чем подведенная к ней энергия, за счет своего охлаждения. Опыт показывает, что такие ситуации не реализуются.