Внутренняя энергия системы

Состояние термодинамической системы определяется не только внешними условиями, но и температурой - внутренним параметром системы.

Это свойство обнаруживается как степень нагретости тела - холодное, теплое, горячее.

Внутренняя энергия системы

Любая термодинамическая система обладает полной энергией W, которая складывается из кинетической энергии механического движения системы как целого , потенциальной энергии , зависящей от положения системы во внешнем силовом поле (гравитационном, электрическом или магнитном) и внутренней энергии , зависящей только от термодинамического состояния системы:

. (23.1)

В термодинамике обычно рассматривают макроскопически неподвижные системы, не подверженные воздействию внешних полей. Поэтому, рассматривая процессы изменения энергетических состояний термодинамических систем, имеют в виду именно их внутреннюю энергию.

Под внутренней энергией системы понимают сумму энергий всех видов внутренних движений частиц в системе и энергию их взаимодействия. Например, внутренняя энергия газа многоатомных молекул (аммиак, углекислый газ и т.п.) состоит из

-кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движений молекул;

-кинетической и потенциальной энергии колебаний атомов в молекулах;

-потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия;

-энергии электронных оболочек атомов и ионов;

-кинетической и потенциальной энергии взаимодействия нуклонов в ядрах атомов.

Р а   b 2 V Рис.23.1

Теоретически и опытным путем доказано, что внутренняя энергия термодинамической системы целиком и полностью определяется ее состоянием и не зависит от того, каким путем система пришла в это состояние.

То есть внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Иначе говоря, изменение внутренней энергии (), равное разности внутренней энергии в этих состояниях (), при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 (рис.23.1) не зависит от вида перехода, то есть

. (23.2)

В частности, если в результате какого-либо процесса система возвращается в исходное состояние (совершается круговой процесс), то полное изменение ее внутренней энергии всегда равно нулю:

. (23.3)

Внутренняя энергия системы, находящейся в термодинамическом равновесии, зависит только от ее температуры и внешних параметров. Например, внутренняя энергия газа постоянной массы зависит от температуры Т и объема V системы:

, (23.4)

так как энергия теплового движения молекул газа зависит от его температуры, а энергия взаимодействия молекул - от среднего расстояния между ними, то есть при данной массе газа - от его объема.

В дальнейшем не будем рассматривать процессы, сопровождающиеся изменением энергии электронных оболочек атомов и ионов, а также изменением внутриядерной энергии. Кроме того, в случае идеального газа нет сил межмолекулярного взаимодействия, а связи между атомами в многоатомных молекулах абсолютно жесткие.