|
3.4. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Работа и теплота
3.4.1. Внутренняя энергия. Работа и теплота
Наряду с механической энергией любое тело (или система) обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - энергия покоя. Она складывается из теплового хаотического движения молекул, составляющих тело, потенциальной энергии их взаимного расположения, кинетической и потенциальной энергии электронов в атомах, нуклонов в ядрах и т. д.
В термодинамических процессах изменяется только кинетическая энергия движущихся молекул (тепловой энергии недостаточно, чтобы изменить строение атома, а тем более ядра). Следовательно, фактически под внутренней энергией в термодинамике подразумевают энергию теплового хаотического движения молекул.
Внутренняя энергия U одного моля идеального газа равна
U = (3/2) RT
В термодинамике важно знать не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение: dU = (3/2)RdT.
Из этих формул видно, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Внутренняя энергия Uявляется функцией состояния системы, независимо от предыстории.
При расширении газа совершается работа. Допустим, что газ заключен в сосуд, отделен от окружающего пространства невесомым поршнем и занимает объем V1 (рис. 3.4.1). Давление газа в сосуде уравновешено давлением атмосферы Р (изобарный процесс). Нагреем газ, передадим ему количество теплоты Q. Тогда газ, расширяясь, поднимет поршень на величину Δh, совершая работу
А = FΔh,
где F = PS - сила давления атмосферы; S - площадь поршня.
Следовательно, работа А = PSΔh = PΔV, где ΔV = V2 - V1 - изменение объема газа при нагревании.
Давление Р - величина всегда положительная. При расширении газа ΔV > 0, газ совершает положительную работу. Если газ сжимается, то
|
