ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Согласно молекулярной кинетической теории, внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии движения (поступательного, вращательного и колебательного) молекул и атомов U_k и потенциальной энергии взаимодействия (энергии связи) молекул между собой U,,.

Для идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами (U_n = 0), внутренняя энергия обусловлена только кинетической энергией движения молекул, зависящей от температуры. Поэтому внутренняя энергия идеального газа есть однозначная функция температуры U = f(T). В связи с этим изменение внутренней энергии идеального газа будет определяться только начальной и конечной температурами:

Потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между молекулами, которое определяется объемом V. Таким образом, внутренняя энергия реального газа будет зависеть не только от температуры, но и от объема V или давления р. Из этого свойства внутренней энергии следует, что ее изменение не зависит от характера процесса, а будет зависеть лишь от параметров начального и конечного состояния газа, иначе говоря, внутренняя энергия есть функция состояния тела.

УРАВНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

По смыслу, это уравнение закона сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Если в системе не происходят химические реакции и она обменивается с окружающей средой энергией только в форме механичесГЛАВА 2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ 29

hi и hi ши ш и til и ill и tti и ill hi и ill и hi и ill и hi hi и iti и iti и iti ill и ill inn и min и hi н ш н m ж и hi и ж и hi iti и hi и hi mu hi inn и hi inn и min и ш ши и ш inn hi ii hi ii hi ii hi ii hi hi ii hi и ш mu hi ti н

кой энергии, то в этом случае можно сформулировать первый закон термодинамики так:

Если система обменивается с окружающей средой энергией, то этот обмен происходит либо в виде подвода (отвода) теплоты, либо в виде подвода (отвода) работы сжатия или расширения.

Математическая запись первого закона термодинамики имеет вид

Это уравнение написано для произвольной массы тела т (кг).

Для 1 кг рабочего тела уравнение принимает вид

Если к системе подводится элементарное (бесконечно малое) количество теплоты, то уравнение (2.6) запишется в дифференциальной форме:

Q U

где а = —--удельная теплота; и =--удельная внут-

m т

ренняя энергия; 1 = — —удельная работа. т

ЭНТАЛЬПИЯ

Введем в рассмотрение еще один термодинамический параметр состояния, очень удобный при проведении различных вычислений. Этот параметр называется энтальпией и определяется выражением

Так как и, р и о являются параметрами состояния системы, то и энтальпия является параметром состояния системы. Из этого следует, что изменение энтальпии в процессах, изображенных на рисунке 2.2, будет одним и тем же.

Учитывая (2.8), уравнение первого закона термодинамики можно записать в виде

Теплота в термодинамическом процессе определяется интегралом:

где с_т — средняя теплоемкость в интервале температур от Т_л до Т₂.

Если процесс подвода или отвода теплоты происходит при р = const, т. е. dp = 0 и уравнение первого закона термодинамики (2.9) принимает вид dq = di = c_pdT, то

Если процесс проходит при v = const, то dv = 0 и уравнение первого закона выглядит так:

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

• 1. Что понимается под внутренней энергией идеального и реального газа?
• 2. От каких параметров зависит внутренняя энергия?
• 3. Чему равно изменение внутренней энергии в круговом процессе?
• 4. Вывод уравнения работы в произвольном процессе.
• 5. Что изображает площадь под кривой процесса наp-v диаграмме?
• 6. Дайте определение обратимого и необратимого процессов.
• 7. Какая работа больше: в обратимом или необратимом процессе?
• 8. Показать, что работа является функцией процесса.
• 9. Возможно ли на практике осуществить обратимый процесс?
• 10. Формулировка первого закона термодинамики.
• 11. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.
• 12. Что такое энтальпия?
• 13. Запишите уравнение первого закона термодинамики с использованием энтальпии.
• 14. В чем заключается физический смысл энтальпии?