Глава 2 Блохин а.В.
Глава 2. Первый закон (первое начало) термодинамики. Термохимия.
2.1. Внутренняя энергия системы. Работа и теплота.
Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В СИ единицей измерения энергии является джоуль (Дж), равный работе силы в 1 ньютон (Н) на пути в 1 метр (1 Дж = 1 Н ·1 м).
В термодинамике под энергией понимают меру способности системы совершать работу, при этом полную энергию системы разделяют на внешнюю и внутреннюю. Внешняя энергия системы состоит из энергии движения системы как целого и потенциальной энергии системы в поле внешних сил, а энергия всех видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц называется внутренней энергией и обозначается U. Очевидно, что внутренняя энергия состоит из энергии поступательного и вращательного движения молекул, колебательного движения атомов, межмолекулярного взаимодействия, внутриатомной энергии заполнения электронных уровней, внутриядерной энергии. Итак, внутренняя энергия системы – это общий запас энергии системы за вычетом кинетической энергии системы в целом и ее потенциальной энергии положения. В термодинамике под энергией системы понимается ее внутренняя энергия. С ростом температуры внутренняя энергия системы увеличивается.
При термодинамическом анализе ограничиваются каким-либо определенным уровнем энергии и определенными частицами, не затрагивая более глубоко лежащих уровней. Для химических процессов несущественны энергия взаимодействия нуклонов в ядрах атомов, поскольку она остается неизменной при химических реакциях. В роли компонентов системы в этом случае могут, как правило, выступать атомы химических элементов. Внутренняя энергия таких неизмененных в пределах рассматриваемого явления структурных единиц вещества принимается за условный уровень отсчета энергии и входит как константа в термодинамические соотношения.
Внутренняя энергия U является внутренним параметром системы и при равновесии является функцией внешних параметров аi и температуры Т:
.
При взаимодействии системы с окружающей средой происходит обмен энергией. В термодинамике основными формами передачи энергии (обмена энергией) являются работа W и теплота Q.
Работа процесса – энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому. Или: работа – это форма передачи энергии с изменением внешних параметров. Под названием «работа» объединяются многие процессы, общим свойством которых является затрата энергии на преодоление сил, действующих извне.
В термодинамике работа, совершаемая системой против внешних сил, считается положительной, а работа, совершаемая внешними телами над системой, – отрицательной.
Теплота процесса – энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому. Работа при этом не совершается. Или: теплота – это форма передачи энергии без изменения внешних параметров. Обмен энергией зависит от температуры соприкасающихся тел и продолжается до тех пор, пока не установится состояние теплового равновесия.
В термодинамике принято считать теплоту, подводимую к системе, положительной, а теплоту, отданную системой, – отрицательной.
Работа и теплота не являются видами энергии, а характеризуют лишь способ передачи энергии (процесс). Состоянию системы не соответствует какое-либо определенное значение W или Q (теплота и работа являются функциями процесса и система в данном состоянии не обладает ни запасом работы, ни запасом теплоты, а обладает определенным запасом энергии). Можно сказать, что работа – это макроскопический способ передачи энергии, стимулирующий организованное, направленное движение частиц; а теплота – это совокупность микрофизических способов передачи энергии, стимулирующая беспорядочное хаотическое движение частиц.
Хотя теплота и работа, как и внутренняя энергия, измеряются в одних единицах (Дж), они не являются равноценными. Затрачиваемая работа W может пойти непосредственно на увеличение любого вида энергии (электрической, магнитной, упругой, потенциальной и т.д.). Количество же теплоты Q непосредственно, без предварительного преобразования в работу, может пойти только на увеличение внутренней энергии системы.