Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

Термодинамика – это наука о термических явлениях. В противоположность молекулярно-кинетической теории, которая делает выводы на базе представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из более общих закономерностей термических процессов и параметров макроскопических систем. Выводы термодинамики опираются на совокупа опытнейших фактов и не зависят от наших познаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде всевозможных случаев термодинамика употребляет молекулярно-кинетические модели для иллюстрации собственных выводов.

Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это значит, что в таких системах закончились все наблюдаемые макроскопические процессы. Принципиальным свойством термодинамически сбалансированной системы является выравнивание температуры всех ее частей. Если термодинамическая система была подвержена наружному воздействию, то в итоге она перейдет в другое сбалансированное состояние. Таковой переход именуется термодинамическим процессом. Если процесс протекает довольно медлительно (в пределе нескончаемо медлительно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к сбалансированному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности сбалансированных состояний, именуются квазистатическими. Одним из важных понятий термодинамики является внутренняя энергия тела.

Все макроскопические тела владеют энергией, заключенной снутри самих тел. Исходя из убеждений молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и возможной энергии их взаимодействия вместе. А именно, внутренняя энергия безупречного газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и хаотичном термическом движении. Внутренняя энергия безупречного газа зависит только от его температуры и не находится в зависимости от объема (закон Джоуля). Молекулярно-кинетическая теория приводит к последующему выражению для внутренней энергии 1-го моля безупречного одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только поступательное движение:

 Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

  Так как возможная энергия взаимодействия молекул находится в зависимости от расстояния меж ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит вместе с температурой T также и от объема V:

U = U(T, V).

  Таким макаром, внутренняя энергия U тела совершенно точно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не находится в зависимости от того, каким методом было реализовано данное состояние. Принято гласить, что внутренняя энергия является функцией состояния. Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него наружные силы совершают работу (положительную либо отрицательную).

К примеру, если газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем, то наружные силы совершают над газом некую положительную работу A’. В то же время силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A’. Если объем газа поменялся на малую величину ΔV, то газ совершает работу pSΔx = pΔV, где p – давление газа, S – площадь поршня, Δx – его перемещение (рис. 3.8.1). При расширении работа, совершаемая газом, положительна, при сжатии – отрицательна. В общем случае при переходе из некого исходного состояния (1) в конечное состояние (2) работа газа выражается формулой:

 Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

либо в пределе при ΔVi → 0:

 Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

 

Работа газа при расширении. 1
Набросок 3.8.1. Работа газа при расширении.

Работа численно равна площади под графиком процесса на диаграмме (p, V). Величина работы находится в зависимости от того, каким методом совершался переход из исходного состояния в конечное. На рис. 3.8.2 изображены три разных процесса, переводящих газ из состояния (1) в состояние (2). Во всех 3-х случаях газ совершает различную работу.

Три разных пути перехода из состояния 2
Набросок 3.8.2. Три разных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех 3-х случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

Процессы, изображенные на рис. 3.8.2, можно провести и в оборотном направлении; тогда работа A просто изменит символ на обратный. Процессы такового рода, которые можно проводить в обоих направлениях, именуются обратимыми (см. §3.12). В отличие от газа, воды и твердые тела не достаточно изменяют собственный объем, так что в почти всех случаях работой, совершаемой при расширении либо сжатии, можно пренебречь. Но, внутренняя энергия водянистых и жестких тел также может изменяться в итоге совершения работы. При механической обработке деталей (к примеру, при сверлении) они греются.

Это значит, что меняется их внутренняя энергия. Другим примером может служить опыт Джоуля (1843 г.) по определению механического эквивалента теплоты (рис. 3.8.3). При вращении вертушки, погруженной в жидкость, наружные силы совершают положительную работу (A’ > 0); при всем этом жидкость из-за наличия сил внутреннего трения греется, другими словами возрастает ее внутренняя энергия. В этих 2-ух примерах процессы не могут быть проведены в обратном направлении. Такие процессы именуются необратимыми.

Облегченная схема опыта Джоуля 3
Набросок 3.8.3. Облегченная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты.

Внутренняя энергия тела может изменяться не только лишь в итоге совершаемой работы, да и вследствие термообмена. При термическом контакте тел внутренняя энергия 1-го из их может возрастать, а внутренняя энергия другого – уменьшаться. В данном случае молвят о термическом потоке от 1-го тела к другому.

Количеством теплоты Q, приобретенной телом, именуют изменение внутренней энергии тела в итоге термообмена. Передача энергии от 1-го тела другому в форме тепла может происходить только при наличии разности температур меж ними.

Термический поток всегда ориентирован от жаркого тела к прохладному. Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).