Поняття «внутрішня енергія»

Головна | Про нас | Зворотній зв'язок

Закон збереження і перетворення енергії - один з основних законів, справедливих для неживої і живої природи. Найважливіше в ньому - положення про еквівалентність теплоти і роботи як різних форм енергії. Система ізольована не може обмінюватися з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Вона більшу частину часу перебуває в статичному стані, але ці умови майже не здійсненні. Якщо відбувається обмін тільки енергією, систему називають замкнутою, а якщо енергією і речовиною, - відкритою. Існують системи, поміщені в так звану адіабатичну оболонку - це замкнуті системи, майже не обмінюються теплотою (наприклад, закрита кришкою каструля, термос). При рівновазі жодне з властивостей системи не змінюється з часом.

Функції стану-величини, однозначно визначаються при рівновазі. Знаходження цих функцій і обчислення їх змін при переході з одного стану в інший входить в завдання термодинаміки. Але абсолютні їх значення не важливі, і час як параметр в термодинаміки не фігурує. Фактично класична рівноважна термодинаміка - це термостатики. Крім того, в ній розглядаються процеси, що відбуваються через послідовність рівноважних станів, т. Е. Оборотні. Та й рівновагу в статичному стані відповідає смерті системи. Але вона дає важливі результати, тому введемо її основні поняття і будемо надалі шляхом формальних перетворень враховувати динамічну природу об'єктів і систем.

Повна енергія тіла складається з кінетичної енергії руху тіла як цілого, з потенційної енергії його в зовнішньому полі сил і внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія - це зазвичай кінетична енергія хаотичного (теплового) руху його частинок і їх взаємна потенційна енергія. В останню включають і енергію коливального руху атомів в молекулах, і внутрішньоатомних енергію. В ідеальному газі внутрішня енергія - енергія хаотичного руху молекул. Поняття внутрішньої енергії відноситься до рівноважним станам систем. Так як початкові і кінцеві стани рівнозначні, на процеси, що відбуваються між ними, такого обмеження годі й накладати.

Внутрішньою енергією системи U називають таку функцію стану, приріст якої в усякому процесі, що здійснюється системою в адіабатичній оболонці, дорівнює роботі зовнішніх сил над системою при переході з початкового стану в кінцеве.

Під адіабатичній оболонкою стану змінюються лише шляхом зміни зовнішніх параметрів. І робота над системою в такій оболонці залежить не від способів переходу в стан, а тільки від початкового і кінцевого станів. Для такої системи, яка перейшла із стану 1 в стан 2, можна записати: причому робота зовнішніх сил не залежить від виду шляху. Внутрішня енергія U може бути позитивною і негативною, як і робота зовнішніх сил, і записані співвідношення потрібно розуміти алгебраїчно. Для квазистатических процесів тобто можна записати робота системи при адіабатичних процесах відбувається за рахунок зменшення внутрішньої енергії.

Отже, внутрішня енергія є функція параметрів, що визначають стан, т. Е. Це рівняння називають калоріческой рівнянням стану (на відміну від термічного рівняння стану типу для ідеальних газів). Ці рівняння випливають з узагальнення досвіду.

Механічну теорію теплоти розробляв німецький фізик Р. Емануель, який взяв собі ім'я Клаузіус (під яким і увійшов в історію науки). Відзначивши, що між витраченої роботою і отриманої теплотою спостерігається сталість співвідношення тільки при процесах циклічних (коли тіло завжди повертається в початковий стан), Клаузіус ввів для зрівнювання рахунку поняття внутрішньої енергії. І теплота, що підводиться до води, частково перетворюється на внутрішню енергію розширення пара і води, а частково - у внутрішню енергію, яку пар повертає при конденсації. Джоуль встановив, що при розсіянні однакових кількостей обох енергій утворюється одне і те ж кількість теплоти. Слідом за Джоулем, Томсоном і Гельмгольцом Клаузиус застосував закон збереження і перетворення енергії до електричних явищ (1852): «Подібно до того як за допомогою теплоти може бути проведена механічна робота, так і електричний струм здатний викликати частково механічна дія, включаючи теплоту». У.Томсон застосував цей закон до світлових явищ, хімічних процесів і життєдіяльності живих організмів, а потім - до електричних і магнітних явищ, встановивши вираз для енергії магнітного поля у вигляді інтеграла, взятого за обсягом.

Молярна теплоємність речовини визначається відношенням кількості теплоти, отриманого одним молем речовини, до того, що відбувається при цьому збільшення температури: Ця теплота витрачається на збільшення внутрішньої енергії речовини і здійснення роботи: Повна внутрішня енергія визначається кінетичної енергією поступального руху частинок: Тут R = = 8,31 Дж / (моль К), N - число молей.

Тому при зміні температури змінюється і внутрішня енергія.

Робота може бути здійснена за рахунок розширення газу: Якщо газ знаходиться в постійному обсязі, А = О і молярна теплоємність визначається тільки зміною внутрішньої енергії і позначається Отже, = 12,6 ДжДмоль К).

Якщо при підводі теплоти газ мав можливість розширюватися, можна обчислити роботу при постійному тиску. З рівняння газового стану видно, що збільшення температури при постійному тиску веде до збільшення обсягу, тобто

Чинена робота дорівнює З першого початку термодіна-

міки можна записати:

Для одного моля газу це означає, що для молярної теплоємності при постійному тиску отримуємо значення:

Якщо два атома якось пов'язані, то вони можуть не тільки почати рухатися поступально, а й обертатися навколо загального центру мас. Оскільки кожен вид руху відтягує на себе надходить енергію, то зміна внутрішньої енергії за рахунок надходить теплоти повинно складатися з зміни енергії поступального руху обертання і коливань При

поступальному русі двоатомних молекули як цілого можливий рух по трьом рівноправним напрямками, тому природно припустити, що енергія ділиться порівну між цими трьома напрямками. При обертанні молекули, що має форму гантелі, два напрямки є рівноцінними - це напрямки, перпендикулярні осі витягнутості молекули, на кожне з яких має припадати однакова енергія. При коливаннях (атоми пов'язані між собою чимось на зразок пружини) змінюються потенційна і кінетична енергії, і на кожен тип коливання теж припадає однакова енергія.

Молярна теплоємність металів має однакове значення, рівне 25,2 ДжДмоль К) (закон Дюлонга і Пті). Це пояснюється трьома ступенями свободи коливань кожного атома біля свого положення рівноваги в кристалічній решітці, причому на кожну припадає вдвічі більше енергії, ніж на поступальні (одна - на кінетичну енергію і одна - на потенци-

ально). Залежність теплоємності від температури, кілька відрізняється для різних металів, не здатна пояснити класична теорія. Крім того, виходячи із значення молярної теплоємності, незрозуміло, чому електронний газ, який переносить енергію в металі, не отримує теплової енергії. Або він переносить енергію, забезпечуючи теплопровідність і електропровідність, але сам енергії не поглинає. Загадкою виявляється і величезна теплоємність води, в три рази більша теплоємності металів. Всі ці нерозв'язані в класичній теорії питання говорять про більш складну структуру речовин, ніж ця примітивна модель.

Закон збереження і перетворення енергії в середині XIX в. придбав права загального закону природи, що об'єднує живу і неживу природу. Його коротко формулюють так: «Енергія зберігається», або: «Тепло, отримане системою, йде на приріст її внутрішньої енергії і на виробництво зовнішньої роботи». Зберігається саме енергія, а не теплота. Поняття енергії дозволило розглядати всі явища природи і процеси з єдиною точки зору, об'єднати всі явища. Вперше в науці абстрактне поняття зайняло центральне місце, воно прийшло замість ньютоновой сили, що відповідає чогось відчутного, наочного, конкретного, хоча і одягненому Ньютоном в математичні одягу.

Поняття «енергія» міцно увійшло в наше життя. Під енергією найчастіше розуміють здатність тіла виконувати роботу. Лорд Кельвін визнав, що сили можуть зникати і виникати, а енергія не знищується. Це поняття відповідало і його релігійним поглядам: він вважав, що Творець в самий момент творення світу наділив його запасом енергії, і цей божественний дар існуватиме вічно, тоді як ефемерні сили схильні до багатьох примхам, і з їх допомогою в світі ткется тканину явищ минущих.

Перший початок термодинаміки, пов'язане з законом збереження і перетворення енергії, акцентує увагу на внутрішній енергії: приріст внутрішньої енергії при переході системи з одного стану в інший складається з суми роботи зовнішніх сил над системою і кількості теплоти, що отримується системою. Воно вимагає збереження енергії ізольованої системи, але не вказує напрямки, в якому процеси можуть відбуватися в природі. Цей напрямок вказується другим початком. Крім того, другий початок вводить температурну шкалу, не пов'язану з робочою речовиною термометра і його пристроєм. Два початку дозволяють встановити безліч точних кількісних співвідношень між різними макроскопічними параметрами тел в станах термодинамічної рівноваги або біля нього.