Полная и внутренняя энергия системы

Произвольная термодинамическая система, находящаяся в любом термодинамическом состоянии, обладает полной энергией W, складывающейся из:

а) кинетической энергии механического движения системы как целого (или ее макроскопических частей);

б) потенциальной энергии W системы во внешних силовых полях (например, электромагнитном, гравитационном);

в) внутренней энергии U:

W =

Внутренней энергией тела или термодинамической системы называется энергия, зависящая только от термодинамического состояния тела (системы). Для неподвижной системы, не находящейся во внешних силовых полях, внутренняя энергия совпадает с полной энергией. Внутренняя энергия совпадает также с энергией покоя тела (системы) и включает в себя энергию всех видов внутренних движений в те­ле (системе) и энергию взаимодействия всех частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.), входящих в тело (систему).

Например, внутренняя энергия газа с многоатомными молекулами (аммиак, углекислый газ и т. п.) состоит из:

а) кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул;

б) кинетической и потенциальной энергии колебаний атомов в молекулах;

в) потенциальной энергии, обусловленной межмолекулярными взаимодействиями;

г) энергии электронных оболочек атомов и ионов;

д) внутриядерной энергии.

Слагаемые г) и д) обычно не изменяются в процессах, происходящих при не очень высоких температурах, когда ионизация и возбуждение не играют существенной роли. В этих условиях слагаемые г) и д) не учитываются в балансе внутренней энергии. Для идеального газа не учитывается также слагаемое в).

Внутренняя энергия является однозначной функцией термодинамического состояния системы. Значение внутрен­ней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью какого процесса система пришла в данное состояние. Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равно ∆U = U₂ – U₁ и не зависит от вида процесса перехода 1 → 2. Если система совершает круговой процесс, то полное изменение ее внутренней энергии равно нулю: ƒdU = 0.

Как известно, математически это соотношение означает, что элементарное изменение dU внутренней энергии является полным (точным) дифференциалом. Таким же свойством, кроме внутренней энергии, обладает энтропия и другие функции состояния.

В системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, внутренняя энергия зависит только от темпера­туры и внешних параметров. В частности, для простой системы с постоянной массой М внутренняя энергия есть функция температуры Т и объема V системы (ка­лорическое уравнение состояния простой системы)

U = φ(V, Т).

В термодинамике внутренняя энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого U₀, значение которого зависит от выбора начала отсчета величины U – от состояния с нулевой внутренней энергией. Практически величина U₀ не играет роли в термодинамических расчетах, где определяются не зависящие от U₀ изменения ∆U внутренней энергии.