Курс общей физики Том 1 Механика, колебания и волны, молекулярная физика - Савельев И.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 94. Внутренняя энергия системы
Внутренней энергией какого-либо тела называется эиергня этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Так, например, при определении внутренней энергии некоторой массы газа не должна учитываться энергия движения газа вместе с сосудом и энергия, обусловленная нахождением газа в поле сил земного тяготения.
Следовательно, в понятие внутренней энергии включаются кинетическая энергия хаотического движения молекул, потенциальная энергия взаимодействия между молекулами и внутримолекулярная* энергия.
Внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого из тел в отдельности и энергии взаимодействия между телами, представляющей собой энергию межмолекулярного взаимодействия в тонком слое на границе между телами.
Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изме-
308
нение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое будет всегда равно разности значений внутренней энергии в этих состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход, т. е. независимо от процесса или совокупности процессов, приведших к переходу системы из одного состояния в другое.
§ 95. Первое начало термодинамики
Внутренняя энергия может изменяться за счет в основном двух различных процессов: совершения над те* лом работы А' и сообщения ему количества тепла Q. Совершение работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему. Так, например, при вдвигании поршня, закрывающего заключенный в сосуде газ, поршень, перемещаясь, совершает над газом работу А'. По третьему закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу А — —А'.
Сообщение телу тепла не связано с перемещением внешних тел и, следовательно, не связано с совершением над телом макроскопической (т. е. относящейся ко всей совокупности молекул, нз которых состоит тело) работы. В этом случае изменение внутренней энергии обусловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела совершают работу над отдельными молекулами тела, нагретого меньше. Передача энергии происходит при этом также через излучение. Совокупность микроскопических (т. е. захватывающих не все тело, а отдельные его молекулы) процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу, носит название теплопередачи.
Подобно тому как количество энергии, переданное одним телом другому, определяется работой А, совершаемой друг над другом телами, количество энергии, переданное от тела к телу путем теплопередачи, определяется количеством тепла Q, отданного одним телом другому. Таким образом, приращение внутренней энергии системы должно быть равно' сумме совершенной над системой работы А' и количества сообщенного системе тепла Q:
U2-U1 = Q +А'. (95.1)
309
Здесь Ui и U2— начальное и конечное значения внутренней энергии системы. Обычно вместо работы А', совершаемой внешними телами над системой, рассматривают работу А (равную — А'), совершаемую системой над внешними телами. Подставив —А вместо А’ и разрешив относительно Q, уравнение (95.1) можно привести к виду
Q = U2-U1 + А. (95.2)
Уравнение (95.2) выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание первого закона (начала) т е р м о д и и а м и к и. Словами его можно выразить следующим образом: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.
Сказанное отнюдь не означает, что всегда при сообщении тепла внутренняя энергия системы возрастает. Может случиться, что, несмотря на сообщение системе тепла, ее энергия не растет, а убывает (U2 < Ui). В этом случае согласно (95.2) А > Q, т. е. система совершает работу как за счет получаемого тепла Q, так и за счет запаса внутренней энергии, убыль которой равна Ui — U2. Нужно также иметь в виду, что величины Q и Л в (95.2) являются алгебраическими (Q < 0 означает, что система в действительности не получает тепло, а отдает).
Из (95.2) следует, что количество тепла Q можно измерять в тех же единицах, что и работу или энергию. В CH единицей количества тепла служит джоуль.
Для измерения количества тепла применяется также особая единица, называемая калорией. Одна калория равна количеству тепла, необходимому для нагревания 1 г воды от 19,5 до 20,5° С. Тысяча калорий называется большой калорией или килокалорией.
Опытным путем установлено, что одна калория эквивалентна 4,18 дж. Следовательно, один джоуль эквивалентен 0,24 кал. Величина / = 4,18 дж/кал называется механическим эквивалентом тепла.
Если величины, входящие в (95.2), выражены в разных единицах, то некоторые из этих величин нужно умножить на соответствующий эквивалент. Так, например, выражая Q в калориях, a U в А в джоулях, соотношение (95.2) нужно записать в виде
IQ = U2-U1+ А.
