Лекция 3

2.10. Внутренняя энергия системы, работа, теплообмен

2.10.1. Внутренняя энергия системы

Под внутренней энергией системы (или тела) понимают его энергию за вычетом энергии системы во внешних полях и кинетической энергии движения системы как целого. Внутренняя энергия системы зависит от параметров ее состояния (в самом простом случае от таких параметров, как ее объем, температура и давление).

Внутренняя энергия системы является функцией состояния системы, т.е. она принимает одно и то же значение в данном состоянии системы независимо от способа перехода в это состояние: .

Так как параметры системы связаны уравнением состояния (2.33), то это означает, что внутренняя энергия системы может быть записана как функция только двух переменных, например, объема и давления:.

Как оказывается, в термодинамике нельзя определить точное значение внутренней энергии системы, так как она входит в формулы в виде разности внутренних энергий разных состояний:.

С точки зрения молекулярной физики, внутренняя энергия системы складывается из суммы кинетических энергий теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

. (2.34)

Вклады во внутреннюю энергию, которые не изменяются при протекании в системе термодинамических процессов (например, вклад от внутримолекулярного или внутриатомного взаимодействия) полагают равными нулю.

Рассмотрим два способа изменения внутренней энергии системы за счет взаимодействия с внешними телами - это работа и теплопередача (теплообмен). При этом считается, что обмена частицами не происходит, т.е. система является закрытой.

2.10.2. Работа

Существуют два способа обмена энергией между системой и внешними телами. Под работой понимают такой способ обмена энергией, при котором происходит перемещение макроскопических частей системы, меняется ее объем. Работа как процесс обмена энергией связана с упорядоченной формой движения материи. Энергия, предаваемая или получаемая при этом системой, называется работой.

Можно отметить, что работа как вид обмена энергией реализуется в чистом виде для адиабатического процесса - это процесс, происходящий без теплообмена с окружающими систему телами (). В этом случае сжатие газа сопровождается его нагревом, а расширение - охлаждением, т.е. изменением внутренней энергии системы.

Выведем формулу, которая позволяет рассчитать работу для различных процессов. Рассмотрим процесс равновесного расширения газа, находящегося под поршнем (рис. 2.7,б). Сила давления газа на поршень площади при его элементарном перемещениисовершает элементарную работу, равную

. (2.35)

Для работы на конечном перемещении можно записать

. (2.36)

Рис. 2.7

Графически работа газа на диаграмме в координатах () изображается площадью под графиком процесса (рис. 2.7,в). Для изобарического процесса это будет площадь прямоугольника, а для кругового процесса работаравна площади замкнутой фигуры (), ограниченной графиком процесса (, рис. 2.7,г)

Работа газа при его расширении будет положительной, а при сжатии его - отрицательной.