Внутренняя энергия

       Здравствуйте! Основной составляющей внутренней энергии U тела является тепловая энергия Uт, представляющая собой совокупность кинетической энергии хаотически, поступательно и вращательно движущихся молекул, непрерывно изменяющих свою скорость по величине и направлению, энергии внутримолекулярных колебаний и потенциальной энергии сил взаимодействия молекул. Кроме того, в состав внутренней энергии тела входят химическая и внутриядерная энергия, однако в термодинамике их изменения не рассматриваются.

      Внешняя механическая энергия Емех рабочего тела складывается из из кинетической энергии Ек его поступательного движения и потенциальной энергии Еп, представляющей собой энергию взаимодействия гравитационного поля с рабочим телом. Энергию Е рабочего тела в каком – либо состоянии можно выразить так:

Е = U + Eмех = U + Ек + Еп

     Все тела в термодинамической системе обладают определенной энергией (например, механической, электрической); термодинамическая система в целом располагает некоторым количеством энергии, которая называется внутренней. Все процессы, протекающие в изолированной системе, не изменяют ее внутренней энергии, так как при этом происходит лишь перераспределение энергии между отдельными составляющими системы.

     Физический смысл понятия внутренней энергии невозможно раскрыть в рамках термодинамических представлений. Для этого необходимо проанализировать микрофизическую структуру вещества и учесть все формы движения материи, которые присущи данной системе.

     Из молекулярно – кинетической теории известно, что кинетическая энергия теплового движения молекул газа определяется поступательным и вращательным движением молекул, а также энергией внутримолекулярных колебаний атомов. Сумма перечисленных составляющих внутренней энергии зависит только от абсолютной температуры газа.

     Вследствии наличия сил взаимодействия между молекулами последние обладают также потенциальной энергией, величина которой зависит от среднего расстояния между молекулами, то есть от плотности и давления газа. На тепловое молекулярное движение вещества могут накладываться эффекты, обусловленные внутриатомными и внутриядерными процессами. Поэтому для оценки абсолютного значения внутренней энергии необходимо принять во внимание все перечисленные формы движения материи.

     В термодинамике вопрос об энергии системы рассматривается только с количественной стороны без изучения физической природы явлений, которыми обусловлена энергия системы. При этом не требуется определять абсолютное значение внутренней энергии U, а достаточно лишь установить ее изменение в изучаемом процессе. Об изменении внутренней энергии можно судить, сопоставляя количества теплоты и работы, которыми система обменивается с окружающей средой.

     Таким образом, внутренняя энергия теплового движения молекул газа зависит от его параметров состояния: температуры, давления и удельного объема (внутриатомные и внутриядерные процессы здесь можно не учитывать). Следовательно, внутренняя энергия сама является функцией, характеризующей состояние системы. Величина внутренней энергии U относится к 1 кг газа и измеряется в Дж/кг. Изменение внутренней энергии ΔU при переходе системы из одного состояния в другое определяется как разность между конечным U2 и начальным U1 значениями внутренней энергии: ΔU = U2 – U1. Величина ΔU не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями внутренней энергии.

      Для большинства задач термодинамики важно не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение в различных термодинамических процессах. Поэтому начало отсчета внутренней энергии может быть выбрано произвольно. Например, внутреннюю энергию идеальных газов принято считать равной нулю при t = 0 °C.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *