Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики

1. Термодинамика. Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Энергия. Внутренняя энергия

Термодинамика изучает взаимное превращение теплоты, работы и различных видов энергии. Термин термодинамика был введен Томсоном в 1854 г., который употребил его как синоним понятий теплота и работа. Термодинамика изучает динамику процесса, а значит, характеризует его неравновесные состояния. В действительности термодинамику не интересует, каким путем достигнуто состояние равновесия, она рассматривает только равновесные состояния системы, поэтому термодинамику следовало бы назвать термостатикой.

Термодинамика основывается на трех фундаментальных принципах (началах), которые являются обобщением многолетних наблюдений и выполняются независимо от природы объекта.

В силу своей универсальности термодинамика используется как метод установления взаимных связей между различными явлениями. Применение этого метода к химическим реакциям и процессам обусловило появление химической термодинамики.

Предметом изучения химической термодинамики является превращение энергии при химических взаимодействиях. Назначением химической термодинамики является оптимальное осуществление химического процесса.

Термодинамическая система - система, в которой осуществляется материальный обмен между составляющими ее частями (т. е. массообмен и теплообмен).

В зависимости от степени изолированности различают изолированные, закрытые и открытые системы.

Изолированные системы - системы, не взаимодействующие с внешней средой.

Закрытые системы - системы, которые не обмениваются с внешней средой веществом (молекулами, атомами, ионами и т. д.), но взаимодействуют с ней посредством механической работы, теплообмена и излучения.

Открытые системы - системы, которые обмениваются с внешней средой, веществом, механической работой, теплотой и излучением.

Энергия (от греч. действие) - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не исчезает и не возникает из ничего.

В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным.

Если система не изолирована, то ее энергия может изменяться, но при одновременном изменении энергии внешней среды на точно такую же величину либо за счет энергии взаимодействия с внешней средой.

При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких превращений) осуществился этот переход, т. е. энергия не является функцией процесса, а является функцией состояния.

Энергия является неотъемлемым свойством системы в том смысле, что любая система обладает определенным запасом энергии.

Различают три вида энергии: движения (кинетическую), положения и взаимодействия (потенциальную) и состояния, (внутреннюю).

Внутренняя энергия системы - это сумма потенциальной энергии взаимодействия всех ее частиц между собой и кинетической энергии их движения, т.е. внутренняя энергия включает следующие составляющие: энергию колебательного, вращательного и поступательного движений молекул, энергии межмолекулярного, внутримолекулярного, внутриатомного и внутриядерного взаимодействия, гравитации и излучения, и т.д.

Таким образом, внутренняя энергия - это общий запас энергии системы за вычетом кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения в пространстве.

Абсолютная величина внутренней энергии неизвестна, но важно знать изменение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое.

Внутренняя энергия не зависит от пути процесса, следуя которому система пришла в данное состояние, а однозначно определяется только самим состоянием. Следовательно, внутренняя энергия есть функция состояния. Ее изменение U определяется как разность значений внутренней энергии в состояниях 1 и 2:

?U = U1-U2.

Как функция состояния внутренняя энергия может быть выражена через параметры состояния. Для простой системы внутренняя энергия может быть задана в виде функции двух параметров состояния:

U = U(T,V); (7)

dU = (dU/dT)dT + (dU/dV)dV, (8)

где dU - полный дифференциал внутренней энергии.

В этом отношении внутренняя энергия сходна с температурой, давлением и объемом, которые также являются функциями состояния.

Поскольку внутренняя энергия зависит от массы, поэтому она является -экстенсивной величиной, каковыми являются объем, масса и количество вещества.

Температура, давление, а также все удельные и молярные характеристики являются интенсивными величинами.

2. Теплота. Работа. Первое начало термодинамики

Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одной системы к другой можно разбить на две группы.

В первую группу входят формы перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух контактирующих тел. Мерой энергии, передаваемой таким способом, является теплота.

Во вторую группу входят формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под действием каких-либо сил. Сюда относятся поднятие тел в поле тяготения, переход электричества от большего потенциала к меньшему, расширение газа и т. д. Общей мерой энергии, передаваемой таким способом, является работа, которая определяется как произведение величины пути, прошедшего системой под действием силы, на величину этой силы.

Рис. 10

р·S - сила, действующая на поршень со стороны газа, где р - давление газа на поршень; S - площадь поршня.

Если поршень совершает бесконечно малое перемещение, то газ при этом совершает элементарную работу:

дА = рSdH = рdV. (9)

теплота работа внутренний энергия

Работа, совершаемая системой при переходе из состояния 1 в состояние 2, будет определяться следующей формулой:

, (10)

где V1, V2 - объемы, соответствующие начальному и конечному состояниям.

Рис. 11

Совершаемая работа будет равна площади V1, V2, которая зависит от пути перехода из состояния 1 в состояние 2. Поэтому о работе нельзя говорить, как о свойстве системы, т.е. системе нельзя приписать определенный запас работы. Работа является мерой изменения энергии при переходе системы из одного состояния в другое.

Теплотой называется форма непосредственной передачи энергии молекулами одной системы молекулам другой при их контакте. Мерой энергии, переданной таким способом в форме теплоты, является количество теплоты.

Теплота, как и работа, зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое, т.е. и работа, и теплота не являются функциями состояния, а являются функциями процесса.

Теплота и работа являются качественно неравноценными формами передачи энергии.

Во-первых, в форме работы передается энергия упорядоченного движения, а в форме теплоты - энергия хаотического движения.

Во-вторых, передача энергии в форме работы может привести к изменению любого вида энергии системы, а в форме теплоты - только внутренней энергии.

Взаимосвязь между внутренней энергией, работой и теплотой устанавливается на основе первого начала термодинамики:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

Вечный двигатель первого рода невозможен, т. е. невозможно построить машину, которая бы производила механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества энергии.

Внутренняя энергия является функцией состояния.

Изменение внутренней энергии U может происходить за счет обмена системы теплотой Q и работой А с внешней средой. Условились считать положительной теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой. Тогда полученная системой извне теплота Q расходуется на приращение внутренней энергии U и на совершение системой работы А

Q = ДU + A (11)

дQ = dU + дA, (12)

где dU - полный дифференциал внутренней энергии системы; Q и А - элементарное количество теплоты и работы соответственно.

Размещено на Allbest.ru