Теплота, работа, внутренняя энергия

Обозначим через Qk количество взаимодействия — меру взаимодействия между системой и окружающей средой. Так, при тепловом взаимодействии, количеством взаимодействия является теплота. Размерность Qk зависит от вида взаимодействия.

Обозначим через Q, удельную теплоту, которой обмениваются окружающая среда и система.

Обозначим через A, удельную абсолютную работу. Работа, А подразделяется на механическую и немеханическую.

Абсолютная деформационная работа в координатах рv изображается графически как площадь под кривой (прямой) процесса по отношению к оси v.

Рис. 2.

Примечание: кроме абсолютной работы, А в термодинамике также используется понятие располагаемой (полезной) работы Апол — работы, которая может быть «передана» другой системе. Графически работа Апол также изображается как площадь под кривой, но по отношению к оси р.

Примеры немеханической работы:

• 1) работа химических реакций;
• 2) работа электрических сил.

В ходе развития термодинамики было установлено, что единственными формами передачи энергии являются теплота и работа. Строго говоря, работа и теплота это не виды энергии, так как проявляются только в процессе передачи энергии.

Обозначим через U, удельную внутреннюю энергию системы.

Внутренняя энергия включает в себя кинетическую энергию поступательного и колебательного, вращательного движения молекул, потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия, а также химическую и атомную энергию.

Обозначим через Е, Eкин, Ep соответственно полную, кинетическую и потенциальную энергию системы:

E = Eкин + Ep + U.

В термодинамике все результаты получены для случая, когда:

Eкин = 0 и Ep = 0, таким образом полагается, что полная энергия системы равна внутренней, то есть:

E = U.

В ходе развития термодинамики были установлены соотношения:

dQk = (1).

dAk = - dQk = - (2).

Например, при тепловом взаимодействии:

dQ = T dS (3).

При деформационном:

dAдеф = - dQk = = (4).

У системы с E = U все взаимодействия системы с окружающей средой сопровождаются изменением внутренней энергии системы, то есть математически это выражается следующей формулой:

dU = = (5).

Формула (5) — первое начало термодинамики в обобщённом виде.

Здесь n — число термодинамических степеней свободы системы, т. е. количество взаимодействий разного рода, которые допускает данная система.

Например, у деформационной системы есть только одна степень свободы, а именно деформационная (механическая). Для такой системы первое начало термодинамики запишется в следующем виде:

dU = dQдеф = - р (l)dv (6).

Система, которая допускает ее деформирование и теплообмен с окружающей средой называется термодеформационной системой (тепломеханической). У такой системы две степени свободы (n=2):

dU = dQдеф + dQ (7).

Так как:

dQдеф = -dAдеф, а dQ = T (l) dS уравнение (5) примет следующий вид:

dU = p (l)dv+ T (l)dS (8).

Уравнение (8) — это первое начало термодинамики для термодеформационной системы.