8.1. Внутренняя энергия, работа и теплота

Энергия – это количественная мера движения материи. Каждому виду движения материи соответствует свой вид энергии.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает некоторой энергией: кинетической энергией системы как целого, потенциальной энергией во внешнем поле сил и внутренней энергией.

Внутренняя энергия системы U равна сумме всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих данную систему. Например, внутренняя энергия газообразной системы включает в себя:

· кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул;

· кинетическую энергию колебательного движения атомов в молекуле;

· потенциальную энергию взаимодействия молекул и атомов внутри молекулы;

· энергию электронных оболочек атомов;

· энергию движения и взаимодействия нуклонов в ядрах атомов.

Внутренняя энергия – однозначная функция состояния системы, ее значение не зависит от того, каким образом система пришла в данное состояние, т.е. не зависит от вида процесса перехода.

Подобно потенциальной энергии в механике внутренняя энергия может быть количественно определена только с точностью до постоянного слагаемого U₀, зависящего от выбора «начала отсчета» внутренней энергии, т.е. от выбора состояния, в котором внутреннюю энергию системы принимают равной нулю. Однако значение U₀ несущественно, так как в термодинамических расчетах приходится определять не абсолютное значение U_, а не зависящее от U₀ изменение этой энергии DU в различных термодинамических процессах. По той же причине под внутренней энергией обычно понимают те ее составляющие, которые изменяются в рассматриваемых процессах.

Под внутренней энергией газа будем понимать энергию теплового движения (поступательного и вращательного) молекул и потенциальную энергию их взаимодействия. В случае идеального газа нет сил межмолекулярного взаимодействия и внутренняя энергия равна сумме энергий беспорядочного (теплового) движения всех молекул.

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими ее телами может протекать в двух эквивалентных формах: макроскопической – в форме работы и микроскопической – в форме теплообмена.

Работа А – это количественная мера изменения энергии термодина­ми­ческой системы при ее переходе из одного состояния в другое. Совер­ше­ние работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему. Например, при перемещении поршня, закрывающего заключенный в сосуде газ, совершается работа . По третьему закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу . Таким образом, работа представляет собой процесс передачи энергии упорядоченного движения. Совершение работы над системой приводит к увеличению ее внутренней энергии.

Теплота Q – это тоже количественная мера изменения энергии термо­ди­на­мической системы при переходе ее из одного состояния в другое. Однако теплообмен представляет собой процесс, не связанный с макроскопическим перемещением взаимодействующих тел. Этот процесс передачи энергии неупорядоченного движения от одних тел к другим осуществляется за счет обмена энергией непосредственно между хаотически движущимися частицами тел. Например, при соприкосновении «холодного» и «горячего» газов молекулы нагретого газа при случайных столкновениях передают энергию молекулам холодного газа.

Иногда теплопередача осуществляется путем обмена электромагнитным излучением. Например, вода в море прогревается днем за счет излучения, посылаемого Солнцем.

В реальных условиях оба способа передачи энергии термодинамической системе (в форме работы и теплоты) сопутствуют друг другу. Например, при нагревании тела расширяются и совершают работу над внешними телами. Количество тепла, как и работа, - функции процесса. Поэтому говорить о «запасе тепла» или о «запасе работы» в системе бессмысленно.

Все три величины – энергия, работа и теплота в системе СИ измеряются в джоулях (Дж).