Внутрішня енергія, робота, теплота
1. Всі макроскопічні тіла поряд з механічною енергією володіють ще й внутрішньою енергією, обумовленої їх внутрішньою будовою і характером руху частинок, що входять до складу цих тіл. При теплових явищах механічна енергія системи найчастіше залишається незмінною, тому для опису таких явищ потрібно знати лише внутрішню енергію системи. Під внутрішньою енергією розуміють кінетичну енергію частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційну енергію їх взаємодії. Взагалі кажучи, внутрішня енергія системи включає в себе і внутрішню енергію частинок, що входять до складу тіла. Проте в явищах, що вивчаються термодинамікою, частинки, з яких побудовано тіло, залишаються незмінними, а, отже, їх внутрішня енергія постійна. Це означає, що внутрішня енергія системи може бути визначена тільки з точністю до деякої постійної. Але оскільки в процесах, що відбуваються в системі, інтерес представляє тільки зміна її внутрішньої енергії, то конкретне значення цієї постійної несуттєво.
З визначення внутрішньої енергії системи випливає, що вона визначається швидкостями частинок і відстанню між ними (ці відстані визначають потенційну енергію взаємодії між частинками) в даний момент часу і не залежить від значення цих величин у попередні моменти часу. Іншими словами, внутрішня енергія системи залежить тільки від стану, в якому система знаходиться в даний момент часу, і не залежить від станів, з яких вона перейшла в дане. З цієї причини внутрішню енергію, як і інші фізичні величини, що володіють цією властивістю, називають функцією стану. Це означає, що при переході системи із стану 1, в якому внутрішня енергія мала значення U1, в інший стан 2 з внутрішньою енергією U2, зміна внутрішньої енергії, рівне, залежить тільки від значень U1 і U2 і не залежить від способу переходу системи з першого стану в друге.
2. Змінити внутрішню енергію системи можна двома різними способами. Кажуть, що існують два “каналу”, за допомогою яких система обмінюється енергією з навколишнім середовищем. Якщо зовнішній вплив на систему носить механічний характер, то зміна її енергії визначається роботою зовнішніх сил. Робота не є формою енергії, це лише один із способів передачі енергії, це те, що ми робимо, коли нам необхідно тим чи іншим способом змінити енергію об’єкта, не використовуючи при цьому різниця температур. Наприклад, поршень переміщається в циліндрі, заповненому газом (рис. 4.6), на відстань під дією сили. При цьому відбувається робота. Кількість енергії, передане системою (системі) в процесі механічного впливу, називається роботою. Позначають її буквою A. Роботу A прийнято вважати позитивною, якщо вона здійснюється системою (енергія передається від системи зовнішніх тіл). Якщо робота здійснюється над системою, то робота вважається негативною. Роботу можна обчислити, знаючи зміна параметрів самої системи.
Очевидно, що останній висновок виконується тим точніше, чим більше n. Підводячи підсумок, слід особливо підкреслити, що робота є функцією процесу. 3. Другий спосіб зміни внутрішньої енергії пов’язаний із зовнішнім впливом, при якому зміна енергії системи відбувається на молекулярному рівні без здійснення макроскопічної роботи в результаті хаотичного теплового руху на кордоні даної системи із зовнішніми тілами. Повідомити якому-небудь тілу кількість теплоти, тобто нагріти його, означає передати йому енергію строго певним чином (використовуючи різницю температур між більш і менш нагрітим тілом). Охолодити об’єкт – це значить провести дію, зворотне нагріванню, тобто відвести від нього енергію, використовуючи різницю температур між охолоджуваним і більш холодними тілами. Таким чином, теплота – це аж ніяк не одна з форм енергії, а назва одного із способів передачі енергії.
Кількісною мірою зміни енергії при такому способі, званому теплопередачей, є кількість теплоти, передане системі. Позначається ця величина через Q. Теплота Q вважається позитивною, якщо вона передається від зовнішніх тіл системі, і негативною, якщо вона передається від системи зовнішніх тіл.
Підкреслимо ще раз, що макроскопічна робота і кількість теплоти – це не форми енергії, а тільки різні способи її зміни і передачі від одного тіла до іншого. У той час як енергія характеризує стан системи, теплота і робота характеризують зміну стану, тобто відбуваються в системі процеси. Інших способів передачі енергії при взаємодії термодинамічної системи з навколишнім середовищем, крім роботи і теплоти, не існує.
Робота і теплота, будучи еквівалентними, в якості можливих способів передачі енергії виявляються не цілком еквівалентними з точки зору їх взаємних переходів один в одного. Різниця, або, як кажуть, асиметрія переходу “робота-тепло” і “тепло-робота”, стане предметом подальшого розгляду, а поки відзначимо, що робота передбачає перенесення енергії з використанням упорядкованого руху частинок навколишнього систему середовища. Здійснюючи над системою роботу, ми змушуємо її частинки рухатися впорядковано, і навпаки, якщо система здійснює роботу над навколишнім середовищем, вона викликає в ній впорядкований рух.
Теплота означає перенесення енергії з використанням невпорядкованого руху частинок навколишнього середовища. При нагріванні системи ми завжди змушуємо її частинки рухатися неупорядоченно, навпаки, коли теплота переходить від системи до навколишнього середовища, в ній виникає невпорядкований рух. Саме зазначене розходження між теплотою і роботою покладено в основу мікроскопічного обгрунтування асиметрії при їх взаємному перетворенні. Передачею енергії шляхом здійснення роботи і шляхом теплообміну обумовлені всі процеси, що відбуваються з термодинамічної системою. Така передача енергії не повинна супроводжуватися переходом речовини від зовнішніх тіл до системи або від системи до зовнішніх тіл.
(2 votes, average: 3.00 out of 5)