1.2. Внутренняя энергия, теплота, работа

Любая материальная система состоит из множества частиц различной природы (атомов, молекул, ионов и т. п.), находящихся в непрерывном движении. Количественной характеристикой движения, а, соответственно, и материальных систем, является энергия.

Энергия Елюбой термодинамической системы включает в себя следующие составляющие:

где – макроскопическая кинетическая энергия системы как целого; – потенциальная энергия системы во внешних силовых полях; – внутренняя энергия системы.

Величины и определяются так же, как и в механике.

Важнейшая характеристика термодинамических систем внутренняя энергия – , определяется их внутренним состоянием и является функцией термодинамических параметров.

По определению Клаузиуса

Внутренняя энергия – это сумма всех видов энергий, которыми обладают частицы, составляющие систему.

В соответствии с характером движения частиц внутри системы, основными составляющими внутренней энергии являются:

кинетическая и вращательная энергия;

энергия взаимодействия;

энергия внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, образующих молекулы;

энергия вращения электронов в атомах;

внутриядерная энергия и т. д.

На ее значение не влияет перемещение системы в пространстве как целого (кинетическая энергия движения системы) и потенциальная энергия пространственного расположения.

Абсолютная величина внутренней энергии любой, произвольно взятой системы неизвестна, и практически не поддается расчету в связи с неопределенностью начала отсчета, для которого = 0 (из-за сложности превращений микрочастиц внутри ядра). Однако для целей термодинамики этого и не требуется. Термодинамика использует изменение внутренней энергииU(U = U₂ - U₁). Индекс 1 соответствует начальному, а индекс 2 – конечному состоянию процесса.

Величина Uположительна, если в процессе внутренняя энергия возрастает. Изменение внутренней энергииUзависит только от параметров состояния (р, Т, Vи др.), поэтому внутренняя энергия является функцией состояния системы.Функциями состоянияназываются термодинамические функции, которые зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено (к функциям состояния относят, например, внутреннюю энергию, энтальпию, энергию Гельмгольца, энергию Гиббса, энтропию).

Внутренняя энергия может изменяться за счет обмена энергией с окружающей средой. Возможные формы передачи энергии - работа Аи теплотаq. 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.

Единицей измерения как теплоты, так и работы - Дж. Внесистемная единица – калория. (1 кал = 4,1868 Дж).

В термодинамике принята следующая система знаков:

q < 0 - теплота выделяется системой,

q > 0 - теплота поглощается системой,

U> 0 - внутренняя энергия системы увеличивается,

U< 0 - внутренняя энергия системы уменьшается,

А>0 – работа совершается системой, работа расширения (V>0),

A<0 – совершается над системой, работа сжатия (V<0).