Внутрішня енергія - студопедія

«Енергія світу постійна». Клаузіус, 1865 р

Внутрішня енергія будь-якої системи є загальна кількісна міра всіх видів руху і всіх взаємодій в системі і з навколишнього (зовнішнього) середовищем: механічних, атомно-молекулярних, електричних, магнітних та інших. У класичних фізичних теоріях енергія змінюється безперервно і може приймати будь-які значення, а в хвильових (квантово-механічних) енергія має дискретні рівні.

Перший постулат (закон) термодинаміки визначає баланс внутрішньої енергії в будь-якій системі і процесі. Відповідно до цим постулатом внутрішня енергія в будь-якій системі не проводиться, вона тільки може проявлятися у вигляді різних форм (теплової енергії, або теплоти, механічної роботи, хімічної енергії, енергії механічного, електричного і магнітного полів, ядерної енергії) і здатна обмінюватися з зовнішнім середовищем або перетворюватися з однієї форми в іншу, зберігаючи свій загальний баланс. Наприклад, для ізольованої системи, при відсутності обміну з зовнішнім середовищем, закон збереження енергії означає, що її внутрішня енергія залишається постійною. Тому наведене вище вислів Клаузиуса вірно, якщо прийняти, що наш Всесвіт являє собою ізольовану систему. Повна внутрішня енергія U будь-якої системи може бути визначена до довільно обраного доданка U0. U = U + U0. а її повна зміна (інтеграл від повного диференціала) залежить тільки від початкового і кінцевого станів і не залежить від шляху переходу між цими станами (шляху інтегрування):. Внаслідок цього, наприклад, температурна залежність внутрішньої енергії при заданому обсязі і складі може побут визначена як її різницю в заданому і стандартному станах:

де - мольна теплоємність при постійному обсязі і складі, Т0 - температура стандартного стану (стану порівняння). При цьому зміна енергії системи дорівнює за величиною і протилежно по знаку зміни енергії зовнішнього середовища.

У класичній рівноважної термодинаміки баланс внутрішньої енергії будь-якої системи враховує дві складові (форми, види) енергії, що зумовлюють її передачу, зміну або перетворення: теплотуQ і роботу W.

Теплота Q як форма енергії, здатна передаватися всередині і зовні системи (обмінюватися з навколишнім середовищем) і перетворюватися в роботу в еквівалентному співвідношенні, має універсальне значення. У фізиці вона розглядається як теплова енергія, що представляє собою кінетичну енергію неупорядкованого (атомно-молекулярного теплового) руху в системі, прямо пропорційну температурі: середня кінетична (теплова) енергія частинок системи і може передаватися від одного тіла до іншого (обмінюватися всередині системи або з навколишнього середовищем) шляхом теплопередачі і теплопереносу за механізмом теплопровідності, конвекція і / або теплового випромінювання:

Теплопровідність - процес теплопередачі між об'єктами при їх безпосередньому контакті або теплопереносу всередині об'єкта за рахунок зіткнення атомів або молекул, в результаті чого вони передають надлишкову енергію один одному.

Конвекція - це процес теплопереносу при русі частинок рідини чи газу (флюїду) щодо деякого центру мас системи.

Теплове випромінювання - передача теплоти від одного тіла до іншого без безпосереднього контакту між ними, в тому числі через вакуум, електромагнітними хвилями різної довжини хвилі (щільність енергії і інтенсивність теплового випромінювання пропорційні температурі в 4-го ступеня - закон Стефана-Больцмана). Прикладом цьому служить передача сонячної енергії через космічний простір на Землю.

РаботаW. яка може здійснюватися через систему, підрозділяється на роботу, що здійснюються нею проти зовнішнього тиску при зміні обсягу (dWр = -pdV), яка в основному розглядається в класичній рівноважної термодинаміки, і на інші види роботи, що здійснюються системою при (віз) дії на неї (в ній) механічних сил, електричного або магнітного полів. При цьому робота, вироблена системою під впливом (проти) зовнішніх сил, в тому числі зовнішнього тиску при зміні обсягу, вважається негативною, а робота, вироблена за рахунок внутрішніх сил - позитивної. Так, при впливі механічної напруги (# 963;) робота системи обумовлена ​​розвитком деформації (# 955;), при наявності електричного поля з напруженістю Е в діелектричних системах - зміною електричного дипольного моменту (поляризацією P), а при наявності магнітного поля в магнітних системах з напруженістю Н - зміною магнітного дипольного моменту М (намагнічування) відповідно, і у всіх випадках робота є негативною: dW # 963; = - # 963; d # 955 ;, dWЕ = -ЕdР і dWН = -НdМ. При наявності поверхні розділу фаз зміні площі поверхні розділу фаз dA в гетерогенних системах з питомою межфазной енергією # 947 ;, робота, витрачена системою на зміну площі міжфазної поверхні, є позитивною і дорівнює dWА = # 947; dA. В узагальненому вигляді робота проти зовнішніх сил записується у вигляді алгебраїчної суми всіх видів роботи: dW =, де Fi - узагальнена сила, а аi - пов'язаний їй параметр, що характеризує реакцію на цю силу. У наведених вище прикладах Fi - це р, # 963 ;, Е. Н і # 947 ;. а аi - V, # 955 ;, Р, М і А. а dW = - (dWр + dW # 963; + dWЕ + dWН) + dWА.

Всі ці уявлення застосовні до будь-яких ізольованим і закритим системам, склад яких не змінюється або змінюється в результаті хімічних або ядерних перетворень. Однак, у відкритих системах, в яких існує обмін з навколишнім середовищем не тільки енергією у вигляді теплоти або роботи, але і речовиною, зміна її внутрішньої енергії може викликатися також потоком частинок (молекул, іонів і ін.) Речовини з системи і / або в систему на величину dUвещ .Например, при перенесенні зарядів q при різниці потенціалів # 934 ;. dUq = # 934; dq. Тому в загальному випадку повна зміна внутрішньої енергії (узагальнена форма 1-го закону термодинаміки) для гомогенних систем при відсутності кордонів розділу і, відповідно, роботи dWА, виражається у вигляді:

Як зазначалося вище, внутрішня енергія U, будучи функцією стану системи, залежить тільки від початкового і кінцевого станів і не залежить від шляху переходу між цими станами. Теплота Q іработа W не є функціями стану, так як їх величини різні при різних способах проведення процесу або перетворення енергії при однаковому вихідному і кінцевому станах системи. Відповідно, зміна внутрішньої енергії в будь-якому процесі dU є повним диференціалом (нескінченно малої різницею), а кількість теплоти, яким система обмінялася з навколишнім середовищем в ході цього процесу, і робота, яку вона зробила проти зовнішніх сил, є «неповними» диференціалами # 273; Q і # 273; W (нескінченно малими кількостями, що змінюються за короткий час dt з урахуванням кінетики теплопередачі і сил, які роблять роботу, відповідно). Математично це випливає з теорії функцій багатьох змінних, для яких повний диференціал виражається як сума доданків, наприклад, dU = dQ-dW + dUвещ При цьому інтеграл повного диференціала не залежить від шляху інтегрування, а інтеграли окремих доданків суми його складових залежать від шляху інтегрування, тобто вони можуть приймати будь-які значення за рахунок зміни «незакріплених» змінних. Отже, вони не є повними диференціалами, і їх називають функціоналом.