Внутренняя энергия термодинамической системы

Термодинамика изучает количественные закономерности превращения энергии, обусловленные тепловым движением молекул. Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона, являющиеся обобщением многовекового опыта человеческой деятельности и называемых началами термодинамики. Первое начало описывает количественную и качественную стороны процессов превращения энергии; второе начало позволяет судить о направлении этих процессов.

Одним из основных понятий термодинамики является внутренняя энергия.

Под внутренней энергией U в термодинамикепонимают энергию теплового движения частиц, образующих систему, и потенциальную энергию их взаимного положения.

Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю, и внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения. Поэтому внутренняя энергия одного моля идеального газа равна:

(8.1.1)

внутренняя энергия для ν молей:

(8.1.2)

Из формулы (8.1.1) видно, что внутренняя энергия идеального газа пропорциональна абсолютная температуре.

Внутренняя энергия обладает следующими свойствами:

– в состоянии теплового равновесия частицы системы движутся так, что их полная энергия все время равна внутренней энергии;

– внутренняя энергия – величина аддитивная, т.е. внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий образующих систему тел;

– внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния, т.е. каждому состоянию системы присуще только одно значение энергии; это означает, что изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое не зависит от пути перехода. Величина, изменение которой не зависит от пути перехода в термодинамике называется функцией состояния: DU=U₂–U₁ не зависит от вида процесса, или

,

где U₂ и U₁ – значения внутренней энергии в состояниях 1 и 2. Здесь dU – полный дифференциал. Изменение внутренней энергии системы может произойти, если: 1) система получает извне или отдает окружающим телам некоторую энергию в какой-либо форме; 2) система совершает работу против действующих на нее внешних сил.