Внутренняя энергия системы

Полная энергия т. системы равна сумме кинетической энергии механического движения системы как целого, потенциальной энергии системы во внешнем поле ( гравитационном или электромагнитном) и внутренней энергии , зависящей только от внутреннего состояния системы. Для неподвижных систем, не подверженных действию внешних сил, значение полной и внутренней энергий совпадают.

Внутренняя энергия включает в себя энергии всевозможных видов движения и взаимодействия всех частиц (молекул, атомов, ионов и др.) системы, Например, для газа внутренняя энергия состоит из:

а) кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул, а также колебательного движения атомов в молекулах;

б) потенциальной энергии, обусловленной силами межолекулярного взаимодействия;

в) энергии электронных оболочек атомов и ионов;

г) энергии движения и взаимодействия нуклонов в ядрах.

Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния т.системы, Ее значение в каком –либо произвольном состоянии системы не зависит от того, каким образом пришла система в это состояние. Т.е., изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса перехода и равно . В частности, если система возвращается в результате какого-либо перехода в исходное состояние, то полное изменение внутренней энергии равно нулю.

Подобно потенциальной энергии в механике, определяется с точностью до постоянной величины , зависящей от выбора отсчета внутренней энергии, т.е., от выбора нуля. Так, как во всех расчетах термодинамики находят не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение , то выбор не играет роли.

Составляющие внутренней энергии в) и г) не изменяются во всех процессах, не связанных с химическими реакциями и другими превращениями электронных оболочек атомов и ионов, а также ядерными реакциями и их можно не включать во внутреннюю энергию. Поэтому в дальнейшем под внутренней энергией в термодинамике будем понимать только сумму кинетической энергии теплового механического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. В идеальном газе последнее слагаемое равно нулю, значит его внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул.

Работа и теплота

Обмен энергией между т.системой и внешними телами может происходить двумя качественно различными способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Первый способ, как известно из механики, осуществляется при силовом взаимодействии между телами. Энергия, передаваемая при этом т. системе внешними телами, называется работой, совершаемой над системой

Энергия, передаваемая внешними телами путем теплообмена, называется теплотой, получаемой т. системой от внешней среды.

Для совершения работы над неподвижной системой необходимо, чтобы перемещались внешние тела, т.е., чтобы изменялись внешние параметры состояния системы.

В отсутствии внешних силовых полей обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой путем совершения работы может осуществляться только при изменении объема и формы системы. Например, работу над газом производят силы давления на газ со стороны внешней среды. При этом работа внешних сил над системой , численно равна и противоположна по знаку работе , совершаемой самой системой над внешней средой, т.е., против внешних сил.

В отличие от внутренней энергии системы, являющейся однозначной функцией состояния этой системы, понятие теплоты и работы имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы. Они являются энергетическими характеристиками этого конкретного процесса.

Существует качественное различие между совершением работы и теплообменом, как способами обмена энергией между макросистемами. Совершение работы над системой может изменить любой вид энергии системы. Например, при неупругом соударении тел часть совершенной работы идет на изменение кинетической энергии, а часть работы – на приращение внутренней энергии. Если же энергия сообщается в виде теплоты, то она идет только на увеличение энергии теплового движения молекул, т.е. на .