2.4. Основы термодинамики

Простой анализ явлений, происходящих в природе и технике, показывает, что большинство процессов в выделенной системе сводится к обмену энергией и веществом с другими системами (с внешней средой). При этом действуют физические законы, не зависящие от того, из каких тел (частиц) состоит система. Именно эти законы изучаются в термодинамике. В основе термодинамики лежат три закона или начала термодинамики, которые выражают закон сохранения энергии и направление процессов.

2.4.1. Внутренняя энергия

Внутренняя энергия тела включает кинетическую энергию молекул (частиц), потенциальную энергию их взаимодействия, энергию внутримолекулярных, внутриатомных, внутриядерных процессов и энергию электромагнитного излучения, сопровождающего указанные процессы.

В макроскопических процессах все составляющие внутренней энергии, кроме кинетической и потенциальной энергии молекул, ничтожно малы.

Для идеального газа внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий молекул, так как молекулы не взаимодействуют. Учитывая выражение (2.13), для внутренней энергии газа данной термодинамической системы получим

,

так как , а , то (2.14)

Таким образом, внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и количества атомов в молекуле.

Внутренняя энергия – это функция состояния системы, его однозначная характеристика. Изменение внутренней энергии не зависит от процесса, который приводит к этому изменению, а зависит только от конечного и начального состояний:

. (2.15)

Обмен энергией между системой и внешней средой может происходить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена.

2.4.2. Работа

Работа совершается какими-либо силами при перемещении взаимодействующих с системой тел, которое выражается в изменении объема системы. Рассмотрим газ, заключенный в цилиндрический сосуд, закрытый плотно пригнанным скользящим без трения поршнем (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Под действием силы давления , S – площадь поршня, поршень будет перемещаться. Элементарная работа силы давления равна или , – это приращение объема газа .

Тогда

. (2.16)

В выражении (2.16) давление постоянно при данном изменении объема. Если же давление изменяется, то весь процесс изменения объема разбивается на бесконечно малые , такие, что при этом . При конечных изменениях объема от V₁ до V₂ работа вычисляется путем интегрирования

. (2.17)

Работа – это процесс изменения внутренней энергии системы за счет упорядоченного движения молекул.

В отличие от внутренней энергии работа зависит не только от параметров конечного (Р₂, V₂) и начального (Р₁, V₁) состояний, но и от характера процесса. На этом основано действие всех тепловых машин.