Важнейшей физической величиной, которая отвечает за характеристику равновесного состояния термодинамической системы, считается внутренняя энергия.
Термодинамическая система и определение энергии
Рисунок 1. Внутренняя энергия термодинамической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамическая система представляет собой систему, в которой производится процесс материального обмена между составляющими ее частями (речь идет о массообмене и теплообмене).
Различают (в зависимости от степени изолированности) следующие разновидности систем:
- изолированные (представляют системы, которые не взаимодействуют с внешней средой);
- закрытые (не производят обмен с внешней средой веществом (атомами, ионами, молекулами и пр.), но при этом взаимодействуют с ней, благодаря процессу механической работы, излучения и теплового обмена);
- открытые (данный вид систем обменивается с внешней средой механической работой, веществом, излучением и теплотой).
Энергия (в переводе с греческого, - действие) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех разновидностей материи. Энергия не может возникать из ничего и исчезать.
В изолированной системе энергия способна к переходу из одной формы в другую, однако в количественном отношении она сохраняет свое постоянство.
При не изолированности системы ее энергия способна к изменениям, однако, при параллельном изменении энергии внешней среды на аналогичную величину (или посредством энергии взаимодействия с внешней средой).
В процессе перехода системы из одного состояния в другое степень изменения энергии не будет зависеть от того, каким именно способом (вследствие каких превращений) был произведен данный переход. Энергия, иными словами, является не функцией процесса, а функцией состояния.
Энергия представляет неотъемлемое свойство системы в том плане, что абсолютно любая система будет обладать определенными запасами энергии.
Внутренняя энергия системы
Рисунок 2. Изменение внутренней энергии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В природе выделяют три вида энергии:
- движения (кинетическая);
- положения и взаимодействия (потенциальная);
- состояния (внутренняя энергия).
Внутренняя энергия системы считается в физике суммой потенциальной энергии взаимодействия каждой ее частицы в совокупности между собой, а также кинетической энергии их движения.
Внутренняя энергия включает такие составляющие:
- энергию поступательного, колебательного, вращательного движений молекул;
- энергии внутриатомного, межмолекулярного, внутримолекулярного, внутриядерного взаимодействия;
- энергии излучения и гравитации и т.д.
Внутренняя энергия представляет собой суммарный энергетический запас системы за вычетом кинетической и потенциальной энергий ее пространственного положения. Абсолютная величина у внутренней энергии остается неизвестной, однако важно знать изменение внутренней энергии в процессе перехода системы из одного состояния в другое.
Внутренняя энергия остается независимой от пути процесса, последовав которому система пришла в подобное состояние, и однозначно определяется исключительно самим состоянием. Поскольку внутренняя энергия зависима от массы, она представляет собой экстенсивную величину (объем, количество и масса вещества). В то же время, интенсивными величинами будут считаться: давление, температура и все удельные характеристики.
Первый закон термодинамики
Внутренняя энергия термодинамической системы может меняться за счет той работы, которую будут совершать над ней внешние тела, или же сама система осуществит над внешними телами. К примеру, приложив внешнюю силу, мы можем сжать газ, что приведет в результате к повышению его температуры, и, следовательно, - к росту внутренней энергии. Также внутреннюю энергию возможно изменить за счет передачи системе (или отнимая у нее) некоторого количества теплоты.
Если основываться на закон сохранения энергии, то можно прийти к выводу, что изменение внутренней энергии системы приравнивается к сумме полученной ею теплоты и работы, совершенной над ней. Такая формулировка закона по сохранению энергии, применительно к термодинамическим системам, получила название «первый закон термодинамики».
Ученые акцентируют внимание на том, что, в отличие от внутренней энергии (энергии состояния), работа и количество теплоты являются зависимыми не только от начального и конечного состояния системы, но и от того пути, по которому производилось изменение ее состояния.
Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов
Рисунок 3. Внутренняя энергия идеального газа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В условиях изучения тепловых явлений (наряду с механической энергией тел) в физике вводится такой вид энергии, как внутренняя энергия идеального газа, вычислить которую особого труда не составляет.
Наиболее простым по своим свойствам считается одноатомный газ, состоящий не из молекул, а из отдельных атомов. К одноатомным относятся такие инертные газы, как неон, гелий, аргон и др. Можно также получить одноатомный (атомарный) водород, кислород и др. Но подобные газы не будут устойчивыми, поскольку при столкновениях атомов образуются молекулы $H_2, O_2$.
Молекулы идеального газа не будут взаимодействовать между собой (исключение составят моменты непосредственных столкновений). Это объясняет незначительность их средней потенциальной энергии и ситуацию, когда вся энергия является кинетической энергией хаотического перемещения молекул. Тогда становится справедливым утверждение о покоящемся газе в сосуде, поскольку он, как целое, не движется (упорядоченное движение отсутствует, а механическая энергия газа приравнивается к нулю).
Идеальный газ обладает энергией, называемой внутренней. Она является прямо пропорциональной его абсолютной температуре и не зависимой от объема газа. Внутренняя энергия газа считается средней кинетической энергией всех его атомов.
Внутренняя энергия одноатомного газа, по существу, представляет среднекинетическую энергию поступательного молекулярного движения молекул. В сравнении с атомами, молекулы, которые лишены сферической симметрии, еще способны к вращению. По этой причине, в комплексе с кинетической энергией от поступательного движения, молекулам также свойственна кинетическая энергия вращательного движения.
В классической молекулярной кинетической теории рассмотрение молекул и атомов осуществляется в качестве очень малых и абсолютно твердых тел. Любое тело в рамках классической механики будет характеризоваться конкретным числом степеней свободы (числом независимых переменных), которые однозначно определяют положение тела в пространстве.
Атом способен к совершению исключительно поступательного движения, согласно трем независимым и взаимно перпендикулярным направлениям. Двухатомная молекула имеет осевую симметрию и обладает пятью степенями свободы, три из которых будут соответствовать ее поступательному, а две - вращательному движениям вокруг двух перпендикулярных друг другу осей и оси симметрии (объединяющей центры атомов в молекуле).
Многоатомная молекула (подобно твердому телу произвольной формы) будет характеризоваться шестью степенями свободы; молекула, наряду с поступательным движением, способна совершать вращения вокруг трех осей (взаимно перпендикулярных).
Внутренняя энергия газа считается зависимой от числа степеней свободы молекул. Следствием полной беспорядочности теплового движения является тот факт, что ни один из видов движения молекулы не обладает преимуществами перед другим.
На каждую соответствующую поступательному (вращательному) движениям молекул степень свободы приходится одинаковая средняя кинетическая энергия. В этом заключается теорема равномерного распределения кинетической энергии согласно степеням свободы, доказываемая в статистической механике.
