Внутренняя энергия термодинамической системы

Кроме термодинамических параметров P,V и T термодинамическая система характеризуется некоторой функцией состояния U, которая называется внутренней энергией.

Если обозначить полную энергию макросистемы через Е, кинетическую и потенциальную энергию системы в целом через Е_К и Е_Р, то полная энергия Е системы бу­дет равна:

. (4.3.8)

Сумма энергий Е_К и Е_Р называется внешней энергией системы, а составляющая U полной энергии системы — энергией покоя, или внутренней энергией. В термодинамике движение систе­мы как целого обычно не рассматривается, поэтому энергией системы оказывается ее внутренняя энергия U. Внутренняя энергия — внутренний параметр термо­динамической системы. Она может изменяться только при взаимодействии системы с внешними телами. В изоли­рованной системе, а также вне силовых полей, внутренняя энергия, как сле­дует из закона сохранения энергии, не меняется. Это условие можно написать в виде:

U = const.

Это означает, что внутренняя энергия однозначно опре­деляется состоянием системы: каждому состоянию сис­темы присуще только одно значение энергии. Изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое описывается соотношением

и не зави­сит от того, какие состояния принимала система в проме­жутке между начальным и конечным состояниями.

Считается, что изменение энергии не зависит от пути, по ко­торому система переходит из одного состояния в другое, а определяется только параметрами начального и конеч­ного состояний. Величины, обладающие таким свойством, называются функциями состояния. Внутренняя энергия — функция состояния системы.

Внутренняя энергия системы — параметр, подчиняю­щийся закону аддитивности: энергия системы равна сум­ме энергий частей, составляющих систему.

Как можно изменить внутреннюю энергию системы?

С точки зрения термодинамики существуют два принципиально различ­ных взаимодействия системы с внешними телами и, следовательно, два спо­соба изменения состояния.

Первый способ — совершение системой работы. Например, поршень перемещается в цилиндре (рис. 4.3.4) на расстояние под действием силы F. При этом совершается работа (в обычном механическом смысле), равная

(4.3.9)

Рис. 4.3.4.Поршень совершает работу

Второй способ изменения состояния системы — осу­ществление теплообмена между системой и внешними телами. Первый способ связан с изменением внешних параметров систе­мы, второй способ не связан с изменением внешних па­раметров системы. При том и другом взаимодействии происходит обмен энергией между системой и внешними телами.

Количество энергии, переданное системой (системе) в процессе расширения или сжатия газа, называют работой А. Работу А принято считать положительной, если при этом энергия переда­ется от системы внешним телам (работу совершает си­стема). В противном случае величина работы А считается отри­цательной (работа совершается над системой).

Количество энергии, переданное системой (системе) в процессе теплообмена, называют количеством теплоты, или теплотой Q. Теплота Q счита­ется положительной, если она передается от внешних тел к системе, и отрицательной, если она передается от системы внешним телам.

Передачей энергии путем совершения работы и путем теплообмена обусловлены все процессы, происходящие с термодинамической системой. Такая передача энергии не должна сопровождаться переходом вещества от внеш­них тел к системе или от системы к внешним телам.

Таким образом, изменение внутренней энергии можно описать уравнением:

где - работа, совершаемая над системой; . Здесь А – работа, совершаемая самой системой над внешними телами.

Работу А можно вычислить по изменениям параметров самой системы. (см.ниже).