Внутренняя и внешняя энергии

Внутренняя и внешняя энергии

Представим энергию W термодинамической системы, находящейся во внешней среде, как сумму внутренней U и внешней Е энергий: W=U + E. (1.57) Внутренняя энергия — это сумма энергозатрат на образование системы из исходных элементов. Энергиям, находя-щимся в начальных состояниях исходных элементов, могут быть присвоены любые (даже нулевые) значения. В качестве таких элементов могут выступать атомы, молекулы или простые вещества, находящиеся в определенном состоянии. Внешняя энергия — это сумма энергозатрат на то, чтобы разместить систему в конкретных условиях окружающей среды. Если термодинамическая система массы т движется со скоростью w как единое целое, то ее кинетическая энергия = mw2 кии 2 Потенциальная же энергия системы определяется гравитационным полем (высотой 2ВЫС центра масс системы над уровнем моря, принимаемым за нуль отсчета), и ускорением силы тяжести g: ЕП0Т = mgzBblc. Внутренняя энергия U — это энергия, заключенная в термодинамической системе и зависящая только от ее собственного состояния. Она равна сумме всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: внутренней кинетической энергии теплового движения молекул, внутренней потенциальной энергии взаимодействия молекул и нулевой энергии (внутренняя энергия при температуре абсолютного нуля): V = U^ + Unm+U0. (1.58) Полная внутренняя энергия термодинамической системы слагается не только из энергии образующих ее молекул, но включает также и внутримолекулярную и внутриатомную энергии, которые обусловлены взаимодействием атомов и электронов друг с другом и с ядрами атомов. При температуре абсолютного нуля все эти составляющие, в отличие от тепловой энергии, не равны нулю, а следовательно, и внутренняя энергия никогда не может быть равна нулю. В термодинамике рассматривается не абсолютное значение внутренней энергии, а только ее относительное изменение, происходящее в различных процессах, а поэтому U0 может считаться нулевым уровнем энергии U0 = 0, от которого удобно отсчитывать все изменения энергии при анализе различных процессов ее превращения. Внутренняя потенциальная энергия взаимодействия молекул С7П0Т зависит от расстояния между молекулами и от их взаимного расположения. Она определяется суммированием потенциалов взаимодействия (см. разд. 1.8) всех возможных пар молекул. Кинетическая энергия теплового движения молекул определяется в виде суммы таких составляющих, как поступательнаявращательная и колебательная энергии: ^кин - UnocT + UBS> + икал. (1.59) Интенсивность каждого вида движения молекул зависит от температуры газа. При повышении температуры, т. е. при нагревании системы, и скорость, и кинетическая энергия молекул возрастают. Внутренняя энергия U зависит и от объема, занимаемого ТРТ, поскольку от него зависят расстояния между молекулами: U = /(V, Т). В идеальном газе силы дальнодействия между молекулами отсутствуют (потенциальная энергия равна нулю), а объем, который они занимают, тоже равен нулю (см. разд. 1.9), следовательно, внутренняя энергия идеального газа состоит только лишь из кинетической энергии движения молекул, т. е. определяется одной только температурой U = f(T). Вид этой функции позволяет установить молекулярно-кинетическая теория идеального газа: ипкт=-2кпТ, (1.60) где п — число частиц. Представим теперь внутреннюю энергию всеми ее составляющими: т. е. постоянной величиной, связанной с выбором нуля отсчета внутренних энергий, кинетической энергии движения системы, потенциальной энергией взаимодействия между частицами, ядерной, химических связей между атомами, тепловой, энергией поверхностного натяжения, энергией макроскопического движения внутри системы, упругих деформаций и полевой. По поводу составляющих внутренней энергии можно отметить следующее: • внутренняя энергия в термодинамике определяется с точностью до постоянной U0, которая выбирается исходя из удобства вычислений и часто просто равна нулю; • в списке слагаемых внутренней энергии те компоненты, которые в исследуемом процессе не изменяются, могут не учитываться. Например, при отсутствии ядерных превращений или химических реакций соответствующие компоненты просто отбрасываются; • тепловую энергию ТРТ можно представить как сумму кинетической энергии поступательного движения молекул относительно центра масс ТРТ, кинетической энергии вращательного движения молекул относительно собственных центров масс, энергии колебательного движения атомов в молекуле, энергии возбуждения электронов в атомах и молекулах; • энергия поверхностного натяжения имеется у всех конденсированных (жидких и твердых) тел. Если тело не слишком мало, то этой энергией можно пренебречь, но для частиц эмульсии или тумана энергия поверхностного натяжения существенна; • примерами макроскопических движений являются вращение маховика, течение потоков жидкости и газа, причем эти движения происходят внутри системы в связанной с ней системой координат; • примерами упругих деформаций являются сжатие—растяжение пружины, изгиб и растяжение мембран внутри системы или за счет приложения внешних сил, прикладываемых на границе системы; • полевая энергия складывается из энергий магнитного, электростатического, электромагнитного и гравитационного полей, генерируемых внутри самой системы либо проникающих туда извне; • для идеального газа слагаемыми внутренней энергии остаются только лишь энергии поступательного и вращательного движений.