2.3. Внутренняя энергия и теплота

Первое начало термодинамики определяет понятие внутренней энергии в весьма обобщенной форме:

"для всех систем существует функция .состояния, называемая внутренней энергией, изменение которой в результате перехода системы из состояния 1 в состояние 2 равно разности между теплотой, поглощенной системой из окружающей среды, и работой, совершенной системой".

При конкретизации такого определения подразумевают, что речь идет об общем запасе энергии системы за вычетом кинетической энергии движения центра масс и потенциальной энергии системы. Этот общий запас включает энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию колебательного движения атомов и атомных групп, энергию взаимодействия ядер и электронов, энергию взаимодействия нуклонов в ядре.

В случае индивидуальных веществ внутренняя энергия зависит от их химической природы, фазового состояния, массы, а также от температуры и давления. Для газов зависимость внутренней энергии от давления обнаруживается только в области температур и давлений, близких к значениям критических параметров. Внутренняя энергия конденсированных фаз, т.е.

~. 2. Энергетика 29

[p# 32]

жидкостей и кристаллов, также практически не зависит от давления *^}. Однако при сжатии кристаллов может измениться характер упаковки частиц в кристаллической решетке, и если это действительно происходит, то фазовое превращение будет сопровождаться скачкообразным изменением всех свойств кристаллов, включая, разумеется, и внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия сложной (многофазной) системы постоянного состава является аддитивной функцией составляющих ее подсистем, т.е. равна сумме величин, характеризующих каждую из подсистем. В случае систем переменного состава, в которых возможно протекание химических реакций, внутренняя энергия зависит от природы исходных веществ и продуктов реакции, их фазового состояния, мольных количеств, температуры, давления и глубины протекания реакции.

Может возникнуть вопрос, известна ли абсолютная величина внутренней энергии? Поиск ответа приводит к постановке другого вопроса, а именно: существует ли материя, лишенная всякой энергии, в том числе и внутриядерной? Поскольку представить такое состояние на современном этапе развития науки невозможно, то мы приходим к выводу, что абсолютное значение внутренней энергии, как и абсолютные значения всех функций, включающих внутреннюю энергию, неизвестны. Человек, способный доказать обратное, был бы в состоянии ответить, откуда взялся Бог, как он создал материю, как научил электроны "крутиться" вокруг ядер и откуда взялась энергия.

Незнание абсолютного значения внутренней энергии никаких неудобств, однако, не создает, поскольку в рамках химической термодинамики оперируют не абсолютными, а разностными значениями энергии, характеризующими ее изменение при переходе системы из начального в конечное состояние.

В отличие от внутренней энергии теплота не может существовать вне процесса и не является свойством системы. Теплота, как принято говорить, есть совокупность микрофизических процессов передачи энергии (от источника к системе). Действительно, в любом циклическом процессе внутренняя энергия системы остается неизменной (AU = 0), что приводит к равенству: Q=W и, следовательно, как теплота, так и работа, являются функциями пути осуществления процесса. Данные характеристики могут приобрести свойства функций состояния только в особых условиях, например:

1) при адиабатическом расширении газа, когда работа при отсутствии теплообмена с окружающей средой будет производится за счет изменения внутренней энергии:

*^} Позднее это будет строго доказано в разделе 3.2.8.

30

[p# 33]

2. в изохорических процессах (ДУ = О ), когда работа не совершается и, следовательно: AU = Q_v;

3. при изобарическом расширении идеального газа, когда единственным видом работы является работа расширения

Поскольку U, р, V являются функциями состояния, то и Q_P должна быть также функцией состояния.