16. Внутрішня енергія. …

В основі термодинаміки лежить поняття внутрішньої енергії U. З погляду молекулярно-кінетичної теорії речовини внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює сумі кінетичних енергій неперервного теплового руху всіх молекул (атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною. Обчислити U, враховуючи мікропараметри майже неможливо, тому для її вираження використовують макропараметри термодинамічної системи.

де m - маса всього газу; m - молярна маса; R - універсальна газова стала; T - термодинамічна температура; p - тиск газу; V - об'єм газу.

Внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити двома способами: виконанням роботи; теплопередачею.

Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може відбуватися такими способами: теплопровідність; випромінювання; конвекція (перемішування).

Кількісну міру зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну називають кількістю теплоти Q.

Якщо теплота передана тілу в результаті нагрівання чи охолодження, то експериментально встановлено, що Q = cm(T₂ - T₁), де c - питома теплоємність.

Розглянемо інший спосіб зміни внутрішньої енергії термодинамічної системи - виконанням роботи. Виконання роботи в термодинаміці пов'язане зі зміною об'єму термодинамічної системи. Визначається:

A = pΔV.

де ΔV - зміна об'єму газу.

Формула справедлива для будь-якого процесу, під час якого об'єм газу змінюється на досить малу величину ΔV.

Механічний еквівалент теплоти - кількість роботи, еквівалентна одиниці кількості переданої в процесі теплообміну теплоти (калорії або кілокалорії). Дане поняття виникло у зв'язку з тим, що історично механічну роботу і кількість теплоти вимірювали в різних одиницях. У Міжнародній системі одиниць (СІ) немає необхідності користуватися цим поняттям, в цій системі прийнята одна одиниця для вимірювання як роботи, так і кількості переданої теплоти — джоуль. 1 Дж=0,239 кал.

Перший закон термодинаміки: зміна U системи під час її переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил A' і кількості теплоти, що передається системі Q:

ΔU = A' + Q.

Якщо система ізольована, то вираз першого закон термодинаміки набуде вигляду

Q = ΔU + A.

Отже, кількість теплоти Q, що передається системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії U і на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

За допомогою першого закону термодинаміки можна робити важливі висновки про характер процесів, що відбуваються. Розрізняють різні процеси, під час перебігу яких одна з фізичних величин залишається незмінною (ізопроцеси).

Якщо термодинамічною системою є ідеальний газ і його об'єм не змінюється, (ізохорний процес), то A' = 0, а зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме кількості теплоти: ΔU = Q.

Ізотермічний процес. Якщо T = const внутрішня енергія системи не змінюється. Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання роботи над зовнішніми тілами: Q = A.

Ізобарний процес. Кількість теплоти Q, передана газу за сталого тиску, витрачається на зміну його внутрішньої енергії і на виконання ним роботи над зовнішніми тілами: Q = ΔU + A.

Адіабатний процес - процес, що відбувається в теплоізольованій системі (немає обміну енергією із зовнішніми тілами). При цьому Q = 0 і змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи: ΔU = A.

З першого закону термодинаміки випливає неможливість побудови "вічного" двигуна першого роду, бо будь-яка система не може нескінченно довго виконувати роботу без передачі їй теплоти.