Внутренняя энергия, теплота, работа

Внутренняя энергия U характеризует общий запас энергии движения и взаимодействия всех частиц, составляющих систему. Она включает энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебательных движений атомов и атомных групп, энергию вращения электронов в атомах, энергию, заключающуюся в ядрах атомов, и другие виды энергии. Во внутреннюю энергию не входят кинетическая энергия системы в целом и ее потенциальная энергия в поле внешних сил.

Абсолютное значение U определить невозможно. Однако для целей термодинамики этого и не требуется. Термодинамика использует изменение внутренней энергии DU (DU = U₂ - U₁). Индекс 1 соответствует начальному, а индекс 2 – конечному состоянию процесса. Величина DU положительна, если в процессе внутренняя энергия возрастает. Изменение внутренней энергии DU зависит только от параметров состояния (р, Т, V и др.), поэтому внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Функция состояния – такая термодинамическая функция, изменение которой не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное, а зависит только от параметров этих состояний.

Работа А и теплота Q - две возможные формы передачи энергии. Они зависят от пути перехода системы из начального состояния в конечное, и, следовательно, не являются функциями состояния.

Передача теплоты или совершение работы осуществляются только при взаимодействии системы с внешней средой или с другими системами.

Работа - макроскопическая форма передачи энергии в результате преодоления внешних сил. На рисунке 1а показано, как при снятии ограничителя газ расширяется, от объема V₁ до объема V₂. При этом совершается работа против внешнего давления р_вн:

А = р_вн (V₂ – V₁ ).

(б)

Рис.1. Расширение идеального газа под поршнем (а) и работа расширения идеального газа (б).

 

Из рисунка 1б видно, что работа при этом равна площади прямоугольника в координатах р-V. Чем меньше внешнее давление р_вн, тем меньше производимая газом работа.

Теплота - микроскопическая форма передачи энергии путем столкновений молекул соприкасающихся тел, т.е. путем теплообмена. Направление передачи тепла определяется температурой тел.

В термодинамике принято считать положительной теплоту, полученную системой, а работу, произведенную системой – отрицательной.