Внутренняя энергия и механическая работа газа. Законы термодинамики.

Внутренней энергией называется совокупность всех видов энергии, которыми обладают любое тело или система тел в данном состоянии. В общем случае в понятие внутренней энергии входят тепловая, химическая, электрическая, магнитная и другие виды энергии. Поскольку в технической термодинамике изучаются лишь физические процессы применительно к тепло- и хладотехнике, то будем рассматривать только те виды внутренней энергии, которые существенно преобразуются в различных термодинамических процессах изменения состояния газов в зависимости от изменения их основных параметров. Вследствие того, что температура газа определяет кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул и энергию внутримолекулярных колебаний, а давление или объём определяют потенциальную энергию, то внутренней энергией газа называют сумму перечисленных четырёх видов энергии молекул газа. При этом под потенциальной энергией газа понимают энергию, обусловленную силами сцепления между его молекулами. Для данной температуры газа силы сцепления между молекулами зависят от расстояний между ними. Они определяются давлением, под которым газ находится, или объёмом, который он занимает. Естественно, чем больше объём газа, тем больше будут средние расстояния между его молекулами, а следовательно, меньше будут силы сцепления между ними и больше – значение потенциальной энергии и наоборот. Действительно, с возрастанием средних расстояний между молекулами увеличивается работа, связанная с разъединением этих молекул, что вызывает увеличение их потенциальной энергии. В идеальном газе силы сцепления между молекулами отсутствуют (точнее, пренебрежительно малы), следовательно отсутствует и потенциальная энергия, которая обусловлена наличием сил сцепления. Поэтому для идеального газа внутренняя энергия будет складываться только из первых трёх видов энергии его молекул (поступательного, вращательного движений и энергии внутримолекулярных колебаний), определяемых температурой газа, т.е. для идеального газа внутренняя энергия есть функция только температуры газа и только ею она определяется.

Первый закон термодинамики.Первый закон термодинамики, являясь фундаментальным законом природы, лежит в основе термодинамической теории. Он имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов и установлении их энергетических балансов. Первый закон термодинамики устанавливает возможность превращения различных форм энергии друг в друга и определяет, в каких количественных соотношениях эти взаимные превращения осуществляются. Таким образом, первый закон термодинамики фактически является законом сохранения и превращения энергии, отражающим особенности вечно движущейся и вечно изменяющейся материи. Сущность этого закона, как известно, состоит в том, что энергия не создаётся и не уничтожается, различные формы энергии превращаются друг в друга в строго эквивалентных соотношениях. Большинство тепловых процессов, происходящих в природе, имеют необратимый характер. Первый закон термодинамики, устанавливая эквивалентность различных форм энергии, соотношения между изменением внутренней энергии системы, количеством подведённого тепла и совершённой работой, не позволяет в то же время решить вопрос о вероятности осуществления того или иного процесса, о направлении его возможного развития и о глубине его протекания.

Второй закон термодинамики.Он показывает, что необратимые процессы возможны лишь при условии отсутствия в системе равновесия, когда, например, в системе имеется разность температур и что процессы эти всегда протекают в направлении, приближающем систему к равновесию, при котором подобные процессы и заканчиваются. Второй закон термодинамики устанавливает также, что максимальную работу можно получить от системы только при условии протекания в ней термодинамических обратимых процессов. Он также обобщает повседневно наблюдаемые тепловые процессы. Поэтому он является опытным и справедливым только в пределах наших наблюдений, хотя до сих пор неизвестно ни одно явление, противоречащее ему. Следует, однако, добавить, что второй закон термодинамики неприменим для очень маленьких ( из нескольких молекул) и очень больших (звёздные галактики) систем. Применительно к тепловым явлениям второй закон термодинамики устанавливает весьма важную специфическую особенность при превращении тепла в работу в тепловых двигателях.