Первый закон служит определением изменения внутренней энергии, тогда как абсолютное значение этой величины остаётся неопределённым. Эта ситуация аналогична той, что известна для потенциальной энергии в механике. На основе молекулярной теории можно предполагать, что в величину внутренней энергии вещества входит кинетическая энергия молекул, энергия межмолекулярных взаимодействий, энергия взаимодействий внутри атомов, ядер и т.д. Так как внутренняя структура материи неисчерпаема, то величина внутренней энергии не определена в молекулярной теории так же, как и в термодинамике.
Как известно, в простейшей моделе идеального одноатомного газа кинетическая энергия 1 моля составляет 3RT/2. В любом реальном одноатомном газе, подчиняющемся уравнению состояния идеального газа, к этой энергии должна быть добавлена внутренняя энергия атомов, поскольку в реальности они имеют внутреннее строение (состоят из ядер и электронов). В термодинамических процессах, в которых газ не претерпевает химических превращений, эта дополнительная часть не изменяется. Для этого случая можно принять Um = 3RT/2 с точностью до постоянной величины. В случае многоатомных идеальных газов, вместо коэффициента 3 может быть число большее, чем 3, соответственно дополнительным степеням свободы движения таких молекул. Важно, однако, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. Это следует из кинетической теории газов и согласуется с экспериментальными исследованиями.
1.3. Связь работы с параметрами состояния
Как обсуждалось выше, работа и теплота вызывают изменение состояния системы. Однако, в отличие от внутренней энергии, эти величины не являются функциями состояния. То есть, они не являются функциями переменных состояния. Можно представить, что работой или подачей теплоты управляет человек во внешней среде, который ничего не знает о том, какие p, V и T есть в системе. Тем не менее, изменения параметров состояния могут быть выражены через w и q при определённых ограничениях на процесс, благодаря алгебраическому уравнению первого закона и уравнению состояния.
Представим, что системой является газ или жидкость внутри цилиндра с поршнем, плотно подогнанном по диаметру к внутренней поверхности. Чтобы уменьшить объём системы, можно приложить внешнюю силу Fext к поршню (где индекс ext означает "внешний", от слова external). Если площадь поршня равна S, то внешнее давление на поршень составит pext = Fext/S. В любом реальном эксперименте это давление больше давления под поршнем, из-за того что для его смещения приходится преодолевать силу трения между ним и стенками цилиндра, а так же придавать ускорение поршню. В результате, не существует связи между работой и давлением или другими переменными состояния системы.
Однако сила трения и кинетическая энергия поршня являются функциями скорости движения. Чем меньше скорость движения поршня, тем меньше эти величины и тем меньше разница между внешним давлением и давлением в системе. Таким образом, если повышать внешнее давление на поршень очень медленно, то возможен процесс, при котором система проходит через последовательность состояний, близких к механическому равновесию между системой и внешней средой. Если начальное состояние является равновесным во всех отношениях, то и промежуточные состояния так же будут равновесными. Такой процесс, при котором система проходит через последовательность равновесных состояний, называется равновесным или квазистатическим (как бы равновесным). Обычно такие процессы могут проходить в одном направлении и в обратном через одни и те же промежуточные состояния. В этом случае их называют обратимыми.
Медленное непрерывное движение поршня равносильно последовательности очень малых смещений поршня за конечные интервалы времени. Математически это выражается так. На поршень действует сила F, почти отвечающая механическому равновесию. Поршень смещается на малую величину dL, где символ d (дифференциал) означает малое изменение расстояния L. В результате совершается работа
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.