Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия, работа и теплота

Внутренняя энергия, работа и теплота.

Все тела состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом (так называемом тепловом) движении. Даже если тело в целом неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно, тем не менее, обладает внутренней энергией, связанной с движением и взаимодействием микрочастиц. Составляющими внутренней энергии являются:

· Кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул

· Кинетическая энергия вращательного движения молекул

· Кинетическая и потенциальная энергия колебательного движения молекул

· Потенциальная энергия, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия

· Химическая энергия (энергия внутримолекулярного взаимодействия)

· Энергия электронных оболочек атомов и ионов

· Внутриядерная энергия

· Энергия гравитационного взаимодействия частиц вещества

Термодинамика сознательно отвлекается от внутренней структуры изучаемых тел, поэтому внутреннюю (иногда говорят «тепловую») энергию рассматривают как особую форму энергии, хотя при совмещении термодинамического и статистического подходов, разумеется, учитываются её составляющие. Внутреннюю энергию обозначают U.

Внутренняя энергия является одной из функций состояния системы, т.е. такой величиной, которая однозначно определяется состоянием системы и не зависит от предыстории. У всех встречающихся в окружающем мире термодинамических систем U зависит от температуры, причём с ростом температуры значение U также увеличивается. Если в системе не происходит химических превращений, то изменение U может происходит двумя способами: 1) путём совершения работы А самой системой или работы внешних сил A´над системой и 2) передачей системе некоторого количества теплоты Q. Эти два способа изменения U качественно различны, т.к. работа связана с действием сил и является своего рода макроскопической величиной, в то время как передача теплоты связана с движением составляющих тело частиц, т.е. характеризует энергетические процессы на микроуровне. Поскольку теплота и работа зависят от происходящего в системе процесса, они не являются функциями состояния.

Закон сохранения и превращения энергии был сформулирован в середине 19 в. во многом благодаря тому, что исследованиями ряда учёных, прежде всего Майера, Джоуля и Гельмгольца, была твёрдо установлена эквивалентность теплоты и работы, т.е. возможность их сравнения и измерения в одних и тех же единицах. Это стало основой для обобщения закона сохранения энергии на тепловые процессы, что выразилось в следующем утверждении. Изменение внутренней энергии системы ΔU=U₂-U₁ в результате процесса перехода из начального состояния в конечное равно сумме совершаемой над системой внешними силами работы A´ и полученного системой количества теплоты Q:

ΔU=A´+Q. (1)

Можно также сказать, что при сообщении системе количества теплоты Q внутренняя энергия изменяется на ΔU, и система совершает работу А=-A´, тогда:

Q=ΔU+A. (2)

Эти два утверждения эквивалентны и являются формулировками первого начала термодинамики, отражающего закон сохранения и превращения энергии в макромире

.

Дата добавления: 2015-05-10