Внутренняя энергия

Тема 2. Первый закон термодинамики

Внутренняя энергия системы включает в себя:

- кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

- потенциальную энергию взаимодействия частиц;

- энергию электронных оболочек атомов;

- внутриядерную энергию.

В большинстве теплоэнергетических процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому в даль­нейшем подвнутренней энер­гией будем понимать энергию хаотиче­ского движения молекул и атомов, вклю­чающую энергию поступательного, вра­щательного и колебательного движений как молекулярного, так и внутримолекулярного, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Кинетическая энергия молекул явля­ется функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от сред­него расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема V, т. е. является функцией V. По­этому внутренняя энергия U есть функ­ция состояния тела.

Для сложной системы она определя­ется суммой энергий отдельных частей, т. е. обладает свойством аддитивности. Величина и = U/М, называемая удельной внутренней энер­гией (Дж/кг), представляет собой внутреннюю энергию единицы массы ве­щества.

В дальнейшем для краткости будем называть величину и просто внутренней энергией. Поскольку внутренняя энергия есть функция состояния тела, то она мо­жет быть представлена в виде функции двух любых независимых параметров, определяющих это состояние:

 

u = φ₁ (р, v); u = φ₂ (Р, Т); u = φ₃ (v, Т)

Ее изменение в термодинамическом процессе Δu не зависит от характера процесса и определяется только началь­ным и конечным состояниями тела: Δu =

= , где u₁ – значение внутренней энергии в начальном состоянии, а u₂ - в конечном. Математически это означает, что бесконечно малое измене­ние внутренней энергии du есть полный дифференциал u; если выразить внутрен­нюю энергию в виде функции удельного объема и температуры, то

 

dи = (ди/дТ)_vdТ + (ди/дv)_Тdv (9)

 

Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой, поэтому производная от внутренней энергии идеального газа по температуре есть полная производная:

(du/dТ)_Р=( du/dТ)_U= du/dТ (10)

 

Для задач технической термодинами­ки важно не абсолютное значение внут­ренней энергии, а ее изменение в различ­ных термодинамических процессах. По­этому начало отсчета внутренней энер­гии может быть выбрано произвольно. Например, в соответствии с международ­ным соглашением для воды за нуль при­нимается значение внутренней энергии при температуре 0,01 °С и давление 610,8 Па, а для идеальных газов — при О °С вне зависимости от давления.