Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.

 

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия беспорядочного хаотического движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле , двухатомного газа - .

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).
Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Количественной мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом термодинамики, который формулируется так: изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работы внешних сил, совершенной над системой: , где - изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданное системе, А — работа внешних сил.

Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают . Тогда первый закон термодинамики можно записать так: , т.е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V₁ и V₂ — начальный и конечный объемы газа.

 

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом:
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: .
При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

 

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, т.е. процесс в теплоизолированной системе. При адиабатном процессе Q = 0, следовательно, изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: .