Внутренняя энергия, работа и теплота

Любая термодинамическая система обладает кроме механической энергии также и внутренней энергией U, зависящей только от внутреннего состояния системы. Во внутреннюю энергию делают вклад следующие виды энергии:

1)кинетическая энергия хаотического поступательного и вращательного движения молекул;

2)кинетическая и потенциальная энергия колебаний атомов в молекулах;

3)потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия;

4)энергия электронных оболочек атомов и ионов;

5)внутриядерная энергия.

Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния термодинамической системы, т. е. не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние. Подобно потенциальной энергии в механике внутренняя энергия может быть определена только с точностью до произвольной постоянной. Однако в термодинамических расчетах это несущественно, поскольку в них определяются только изменения внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией обычно понимают только те ее составляющие, которые изменяются в рассматриваемых процессах. Например, для идеального газа под внутренней энергией будем подразумевать суммарную кинетическую энергию теплового движения всех молекул.

Изменение внутренней энергии может происходить в результате двух процессов: 1) совершения работы самой системой или внешними силами над ней; 2) теплообмена. Если отсутствуют внешние силовые поля, то работа может быть совершена только при изменении объема системы. Например, при расширении газа, находящегося в цилиндре с подвижным поршнем (см. рис.) элементарная работа, совершенная газом, будет равна

,

где dV - приращение объема газа.

При расширении dV>0, поэтому работа газа положительна, при сжатии dV<0 и работа газа отрицательна, т. е. работу совершают внешние силы над газом.

Полная работа, совершаемая системой, равна

и имеет простую геометрическую интерпретацию. Она численно равна площади под графиком процесса в координатах p, V (см. рис.). Поскольку давление при изменении объема может меняться по-разному, полная работа будет зависеть от способа перехода из начального состояния 1 в конечное 2.

Теплообменом называется процесс обмена тел внутренними энергиями, не сопровождающийся совершением работы. Энергия, переданная в результате теплообмена, называется количеством теплотыQ.

Понятия теплоты и работы не являются функциями состояния системы, они имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы.