I начало термодинамики для системы в адиабатической оболочке

Пусть термодинамическая система заключена в какую-то оболочку, отделяющую её от других тел. Различные части оболочки могут перемещаться, например, газ в цилиндре с поршнем. Изменить состояние системы внутри оболочки можно различными способами. Один из способов - перемещение поршня, т. е. изменение внешних параметров, определяющих наряду с температурой внутреннее состояние системы. Это способ, сопровождается производством механической работы. Работа внешних сил, связанная с перемещением оболочки или изменением внешних параметров называется макроскопической работой, произведённой над системой – A _внеш.

Но состояние тел в оболочке можно изменять и без механических перемещений её стенок. Так, нагревая поршень, можно изменить состояние газа, как и при изменении объёма газа в цилиндре.

Оболочка называется адиабатической, когда состояние заключённой в ней системы остаётся неизменным при любых изменениях температуры окружающих тел, если только значения внешних параметров поддерживаются постоянными. Таким образом, изменить состояние тела в адиабатической оболочке можно только путём изменения внешних параметров. Систему, заключённую в адиабатическую оболочку, называют адиабатически изолированной.

Если система тел адиабатически изолирована, то работа внешних сил над этой системой зависит только от ее начального и конечного состояний, но совсем не зависит от способа или пути, каким осуществляется переход системы из начального состояния конечное. Это один из постулатов I начала термодинамики. Таким образом, работа, совершаемая газом, находящимся в адиабатической оболочке является функцией состояния.

Внутренняя энергия

Понятие внутренней энергии относится только к равновесным состояниям. Будем считать, что начальные и конечные состояние системы являются равновесными.

Внутренней энергией системы U называется функция состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемое системой в адиабатической оболочке, равно работе внешних сил над системой при переходе её из начального состояния в конечное, т.е.

U₂-U₁=A₁₂.

Как всякая энергия, внутренняя энергия определена не однозначно, а с точностью до определённой постоянной. Такая неоднозначность не отражается в реальном содержании физических выводов, т.к. реальный смысл имеют не сама энергия, а их разности в различных состояниях. Одно из состояний можно принять за нулевое и условиться считать, что в этом состоянии внутренняя энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия в другом состоянии определится однозначно.

Таким образом, можно дать следующее определение внутренней энергии. Внутренней энергией системы в каком – либо равновесном состоянии называется работа, которую должны совершить внешние силы, чтобы любым возможным адиабатическим путём перенести систему из нулевого состояния в рассматриваемое.

Надо отметить, что внутренняя энергия не включает энергию макроскопических движений системы и действие внешних силовых полей. Она зависит только от параметров, характеризующих внутреннее состояние тела. Внутренняя энергия, в свою очередь, состоит из суммы внутренних энергий макроскопических подсистем, на которую мысленно можно разделить всю систему, а также энергии взаимодействия этих подсистем.

С точки зрения молекулярной физики внутренняя энергия представляет сумму кинетических энергий всех частиц системы плюс потенциальную энергию взаимодействия между ними. Отметим, что внутренняя энергия является функцией состояния. Для кругового процесса .