2.1. Внутренняя энергия, теплота и работа

Движение является неотъемлемым свойством материи. Оно проявляется в разных формах, качественно отличающихся друг от друга, но взаимосвязанных между собой и превращающихся друг в друга. Мерой движения является энергия.

Различают кинетическую энергию, или энергию движения, и потенциальную, или энергию положения и взаимодействия частиц системы. Общий запас энергии системы характеризует внутренняя энергия.

Внутренней энергией системы называется сумма потенциальной энергии взаимодействия всех частиц тела между собой и кинетической энергии их движения, т.е. внутренняя энергия системы складывается из энергии поступательного и вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, энергии вращения электронов в атомах, энергии, заключающейся в ядрах атомов, энергии межмолекулярного взаимодействия и других видов энергии. Внутренняя энергия - это общий запас энергии системы за вычетом кинетической энергии системы в целом и ее потенциальной энергии положения.

Величина внутренней энергии зависит от природы, массы вещества и параметров системы (p, V, T). Нулевое значение внутренней энергии невозможно. По этой причине всегда рассматривается изменение внутренней энергии ΔU, т.е. разность между ее конечным U₂ и начальным U₁ состояниями:

ΔU= U₂ - U₁ (2.1.)

Абсолютное значение внутренней энергии неизвестно ни для одного вещества. В химической термодинамике достаточно знать изменение внутренней энергии, а оно определяется конечным и начальным состоянием системы.

Через dU обозначается бесконечно малое изменение внутренней энергии. Величина dU является полным дифференциалом, поскольку внутренняя энергия является функцией состояния.

Внутренняя энергия U, являющаяся функцией состояния системы, выражается посредством параметров состояния, к которым относятся объем (V) и температура (T):

U=U(V,T) (2.2)

Полный дифференциал внутренней энергии как функции состояния выглядит следующим образом:

(2.3)

где , - частные производные при постоянных V и T.

Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одного тела к другому можно разбить на две группы. В первую группу входит форма перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии является теплота.

Во вторую группу входят многие формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под действием каких - либо сил. Сюда относятся поднятие тел в поле тяготения, переход электричества от большего к меньшему потенциалу, расширение газа и т.п. Общей мерой передаваемой таким способом энергии является работа.

Во многих процессах передача внутренней энергии может осуществляться частично в виде теплоты и частично в виде работы. Таким образом, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи энергии от одного тела к другому, они измеряются в тех же единицах, что и энергия.

Работа и теплота не являются функциями состояния, а характеризуют различные формы передачи энергии.

Работу можно представить как произведение двух факторов: фактора интенсивности и фактора емкости (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Вид работы (Дж)	Фактор интенсивности	Фактор емкости
Механическая	Сила (Н)	Изменение расстояния (м)
Объемное расширение	Давление (Н/м2)	Изменение объема (м3)
Увеличение поверхности	Поверхностное натяжение (Н/м)	Изменение площади (м2)
Электрическая	Разность потенциалов (В)	Количество электричества (Кл =А∙с)
Гравитационная	Гравитационный потенциал (высота х ускорение) (м2/с2)	Масса (кг)

Если две системы могут взаимодействовать, то они образуют одну общую систему, причем фактор емкости новой системы равен сумме факторов емкости составляющих ее частей при условии, что факторы интенсивности обеих исходных систем одинаковы. Если факторы интенсивности исходных систем неодинаковы, то в общей системе начинается процесс выравнивания факторов интенсивности за счет изменения соответствующих факторов емкости. Так, например, давления выравниваются за счет изменения объемов.