ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Внутренняя энергия системы. Работа и теплота из "Термодинамика " До сих пор мы рассматривали свойства систем в термодинамически равновесном состоянии, когда ни один параметр системы со временем не изменяется и внутри системы нет никаких макроскопических движений. [c.23] Процесс называется равновесным или квазистатическим, если все параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесных состояниях. [c.23] Для разных процессов время релаксации различно от 10 с для установления равновесного давления в газе до нескольких лет при выравнивании концентрации в твердых сплавах. В термодинамике берется наибольшее время релаксации, в течение которого устанавливается равновесие для всех параметров данной системы. [c.23] Представление о равновесном процессе и все рассуждения, связанные с ним, оказываются возможными лишь на основе общего начала термодинамики о самоненарушаемости равновесного состояния. Действительно, направление равновесного процесса будет вполне определено характером внешних воздействий только в том случае, если исключены спонтанные изменения термодинамического состояния системы. [c.24] Изучение равновесных процессов важно потому, что, как оказывается (см. 17, 18), при этих процессах ряд важных величин (работа, коэффициент полезного действия машин и др.) имеет предельные, максимально возможные значения. Поэтому выводы, получаемые термодинамикой для равновесных процессов, играют в ней роль своего рода предельных теорем. [c.24] Всякая термодинамическая система состоит из огромного числа частиц. Энергия этих непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц называется энергией системы. [c.24] В термодинамике не рассматриваются движение системы как целого и изменение ее потенциальной энергии при таком движении, поэтому энергией системы является ее внутренняя энергия . В статистической физике внутренняя энергия системы состоит из энергии разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц энергия поступательного и вращательного движений молекул и колебательного движения атомов, энергия молекулярного взаимодействия, внутриатомная энергия заполненных электронных уровней, внутриядерная энергия и др. [c.25] Внутренняя энергия U является внутренним параметром и, следовательно, при равновесии зависит от внешних параметров Qi и температуры Т U=U а . .., а Т). [c.25] Зависимость внутренней энергии от температуры почти у всех встречающихся в окружающей пас природе систем такова, что с неограниченным ростом температуры внутренняя энергия также неограниченно растет. Это происходит потому, что каждая молекула или какой-либо другой элемент обычной термодинамической системы может иметь любое сколь угодно большое значение энергии. [c.25] Несколько лет назад экспериментально было установлено существование и таких систем, у которых внутренняя энергия с ростом температуры асимптотически приближается к конечному граничному значению, так как каждый элемент системы лимитирован в своей максимально возможной энергии. Такими необычными системами являются совокупности ядерных спинов некоторых кристаллов, т. е. совокупности закрепленных в узлах решетки и взаимодействующих друг с другом ядерных магнитных моментов, когда их энергия взаимодействия с решеткой чрезвычайно мала по сравнению с энергией спин-спиновых взаимодействий . [c.25] При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией. При этом возможны два различных способа передачи энергии от сис1емы к внешним телам с изменением внешних параметров системы и без изменения этих параметров. [c.25] С молекулярно-кинетической точки зрения теплота связана с движением атомов и молекул, из которых состоят тела она представляет собой микрофизическую форму передачи энергии от одного тела к другому путем непосредственного молекулярного взаимодействия, т. е. посредством обмена энергией между хаотически движущимися частицами обоих тел. Работа в отличие от теплоты представляет собой макроскопическую упорядоченную форму передачи энергии путем взаимного действия тел друг на друга. [c.26] Энергия, переданная системой с изменением ее внешних параметров, также называется работой W (а не количеством работы), а энергия, переданная системе без изменения ее внешних параметров,— количеством теплоты Q. Как видно из определения теплоты и работы, эти два рассматриваемых в TepMOAHHaiviHKe различных способа передачи энергии не являются равноценными. Действительно, в то время как затрачиваемая работа W может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии (электрической, магнитной, упругой, потенциальной энергии системы в поле и т. д.), количество теплоты Q непосредственно, т. е. без предварительного преобразования в работу, может пойти только на увеличение внутренней энергии системы. Это приводит к тому, что при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться только двумя телами, из которых одно тело (при изменении его внешних параметров) передает при тепловом контакте энергию другому (без изменения его внешних параметров) при превращении же теплоты в работу необходимо иметь по меньшей мере три тела первое отдает энергию в форме теплоты (теплоисточник), второе получает энергию в форме теплоты и отдает энергию в форме работы (рабочее тело) и третье получает энергию в форме работы от рабочего тела. [c.26] Если система не обменивается с окружающими телами ни энергией, ни веществом, то она, как уже было сказано, называется изолированной или замкнутой, если же система имеет такой обмен, то она называется открытой. Система, не обменивающаяся с другими телами веществом, но обменивающаяся энергией, называется закрытой, а не обменивающаяся энергией только в форме теплоты — адиабатно изолированной или адиабатной системой. [c.26] Принято считать работу IV положительной, если она совершается системой над внешними телами, а количество тепло1ы Q считается положительным, если энергия передается системе без изменения ее внешних параметров . [c.27] Как следует из определения работы и как видно из (1.1), в выражение элементарной работы не входит дифференциал температуры (т. е. коэффициент при dT равен нулю). Это приводит к тому, что дифференциальное выражение (1.1) не является полным дифференциалом какой-либо функции параметров состояния системы (см. задачу 1.2). По этой причине элементарную работу обозначают 8W, а не dW. [c.27] Приведем примеры выражений для элементарной работы, совершаемой системой в некоторых случаях. [c.27] Поляризация диэлектрика в электрическом иоле связана с определенной работой. В зависимости от характера задачи (что определяе выбор различных независимых переменных, характеризующих состояние диэлектрика в электрическом поле) эта работа разная и для ее вычисления приходится пользоваться различными выражениями (см. 51). [c.28] Это особенно хорошо видно на примере расширения или сжатия газа. При неравновесном расширении газа внешнее давление р меньше исходного равновесного давления р газа, поэтому р AV pdV. При неравновесном сжатии, наоборот, внешнее давление р больше равновесного давления, и так как работа в этом случае олрицательна, то и здесь p V pAV. [c.29] В общем случае для любого неравновесного процесса эту теорему о максимальной работе при равновесных процессах можно доказать лишь на основании второго начала термодинамики. [c.29] Вернуться к основной статье