Opredelitev
Notranja energija telesa (sistema) imenovana energija, ki je povezana z vsemi vrstami gibanja in interakcije delcev, ki sestavljajo telo (sistem), vključno z energijo interakcije in gibanja kompleksnih delcev.
Iz navedenega sledi, da notranja energija ne vključuje kinetične energije gibanja središča mase sistema in potencialne energije sistema, ki jo povzroči delovanje zunanjih sil. To je energija, ki je odvisna le od termodinamičnega stanja sistema.
Notranja energija je najpogosteje označena s črko U. V tem primeru bo njena neskončno majhna sprememba označena z dU. Šteje se, da je dU pozitivna vrednost, če se notranja energija sistema poveča, oziroma je notranja energija negativna, če se notranja energija zmanjša.
Notranja energija sistema teles je enaka vsoti notranjih energij vsakega posameznega telesa plus energija interakcije med telesi znotraj sistema.
Notranja energija je funkcija stanja sistema. To pomeni, da sprememba notranje energije sistema pri prehodu sistema iz enega stanja v drugo ni odvisna od načina prehoda (vrste termodinamičnega procesa pri prehodu) sistema in je enaka razliki med notranjo energijo končnega in začetnega stanja:
Za krožni proces je skupna sprememba notranje energije sistema enaka nič:
Za sistem, na katerega ne delujejo zunanje sile in je v stanju makroskopskega mirovanja, je notranja energija skupna energija sistema.
Notranjo energijo lahko določimo le do določene konstante (U 0), ki je ni mogoče določiti s termodinamičnimi metodami. Vendar to dejstvo ni pomembno, saj pri termodinamični analizi obravnavamo spremembe notranje energije in ne njenih absolutnih vrednosti. Za U_0 se pogosto predpostavlja, da je nič. Hkrati se notranja energija šteje za njene sestavine, ki se spreminjajo v predlaganih okoliščinah.
Notranja energija velja za omejeno in njena (spodnja) meja ustreza T=0K.
Notranja energija idealnega plina
Notranja energija idealnega plina je odvisna samo od njegove absolutne temperature (T) in je sorazmerna z njegovo maso:
kjer je C V toplotna kapaciteta plina v izohornem procesu; c V je specifična toplotna kapaciteta plina v izohornem procesu; – notranja energija na enoto mase plina pri temperaturi absolutne ničle. ali:
i je število prostostnih stopinj molekule idealnega plina, v je število molov plina, R=8,31 J/(mol K) je univerzalna plinska konstanta.
Prvi zakon termodinamike
Kot veste, ima prvi zakon termodinamike več formulacij. Ena izmed formulacij, ki jih je predlagal K. Carathéodory, govori o obstoju notranje energije kot komponente celotne energije sistema.Je funkcija stanja, v preprostih sistemih odvisna od prostornine (V), tlaka (p), mase snovi (m i), ki sestavljajo ta sistem: 
. V formulaciji, ki jo je podal Carathéodory, notranja energija ni značilna funkcija svojih neodvisnih spremenljivk.
V bolj znanih formulacijah prvega zakona termodinamike, na primer Helmholtzovi formulaciji, je notranja energija sistema uvedena kot fizična značilnost sistema. V tem primeru obnašanje sistema določa zakon o ohranitvi energije. Helmholtz ne definira notranje energije kot funkcije specifičnih parametrov stanja sistema:
– sprememba notranje energije v ravnotežnem procesu, Q – količina toplote, ki jo je sistem prejel v obravnavanem procesu, A – delo, ki ga je sistem opravil.
Merske enote notranje energije
Osnovna merska enota notranje energije v sistemu SI je: [U]=J
Primeri reševanja problemov
Primer
telovadba. Izračunajte, za koliko se bo spremenila notranja energija helija z maso 0,1 kg, če se njegova temperatura poveča za 20C.
rešitev. Pri reševanju problema menimo, da je helij monoatomski idealni plin, potem lahko za izračune uporabimo formulo:
Ker imamo enoatomski plin, vzamemo molsko maso () iz periodnega sistema ( 
kg/mol). Masa plina se v predstavljenem procesu ne spremeni, zato je sprememba notranje energije enaka:
Na voljo so vse potrebne količine za izračun:
Odgovori. 
(J)
Primer
telovadba. Idealni plin smo razširili v skladu z zakonom, ki ga prikazuje graf na sliki 1. od začetne prostornine V 0 . Ko se poveča, je volumen maščobe enak. Kolikšen je prirastek notranje energije plina v danem procesu? Adiabatni koeficient je enak .
Vsako telo ali predmet ima energijo. Na primer, leteče letalo ali padajoča žoga imata mehansko energijo. Glede na interakcijo z zunanjimi telesi ločimo dve vrsti mehanske energije: kinetično in potencialno. Vsi predmeti, ki se tako ali drugače premikajo v prostoru, imajo kinetično energijo. To je letalo, ptica, žoga, ki leti v gol, premikajoči se avto itd. Druga vrsta mehanske energije je potencialna. To energijo ima na primer dvignjen kamen ali krogla nad površino zemlje, stisnjena vzmet itd. V tem primeru se lahko kinetična energija telesa spremeni v potencialno energijo in obratno.
Letala, helikopterji in zračne ladje imajo kinetično energijo
Stisnjena vzmet ima potencialno energijo
Poglejmo si primer. Trener dvigne žogo in jo drži v rokah. Žoga ima potencialno energijo. Ko trener vrže žogo na tla, ima med letenjem kinetično energijo. Ko se žoga odbije, teče tudi energija, dokler žoga ne leži na igrišču. V tem primeru sta tako kinetična kot potencialna energija enaki nič. Toda notranja energija molekul žoge se je povečala zaradi interakcije s poljem.
Obstaja pa tudi notranja energija molekul telesa, na primer iste žoge. Medtem ko ga premikamo ali dvigujemo, se notranja energija ne spreminja. Notranja energija ni odvisna od mehanskega delovanja ali gibanja, temveč le od temperature, agregatnega stanja in drugih lastnosti.
Vsako telo vsebuje veliko molekul, ki imajo lahko tako kinetično energijo gibanja kot potencialno energijo interakcije. pri čemer notranja energija je vsota energij vseh molekul v telesu.
Kako spremeniti notranjo energijo telesa
Notranja energija je odvisna od hitrosti gibanja molekul v telesu. Hitreje kot se premikajo, večja je energija telesa. To se običajno zgodi, ko se telo segreje. Če ga ohladimo, pride do obratnega procesa – notranja energija se zmanjša.
Če ponev segrejemo z ognjem (štedilnikom), potem na tem predmetu opravimo delo in temu primerno spremenimo njegovo notranjo energijo.
Notranjo energijo je mogoče spremeniti na dva glavna načina.Delo na telesu,povečamo njegovo notranjo energijo in obratno, če telo opravi delo, potem se njegova notranja energija zmanjša. Drugi način spreminjanja notranje energije jeproces prenosa toplote.Upoštevajte, da pri drugi možnosti na telesu ni dela. Na primer, stol, ki stoji poleg vročega radiatorja, se pozimi segreje. Prenos toplote vedno poteka s teles z višjo temperaturo na telesa z nižjo temperaturo.
Tako se pozimi zrak segreje iz baterij. Izvedimo majhen poskus, ki ga lahko naredimo doma. Vzemite kozarec vroče vode in ga postavite v skledo ali posodo s hladno vodo. Čez nekaj časa se bo temperatura vode v obeh posodah izenačila. To je proces prenosa toplote, to je spreminjanje notranje energije brez opravljanja dela. Obstajajo trije načini prenosa toplote:
Primerno je obravnavati določen fizikalni pojav ali razred pojavov z uporabo modelov z različnimi stopnjami približevanja. Na primer, ko opisujemo obnašanje plina, se uporablja fizikalni model - idealni plin.
Vsak model ima meje uporabnosti, preko katerih zahteva pojasnitev ali uporabo bolj zapletenih možnosti. Tukaj bomo obravnavali preprost primer opisovanja notranje energije fizičnega sistema na podlagi najbolj bistvenih lastnosti plinov v določenih mejah.
Idealen plin
Zaradi udobja pri opisovanju nekaterih temeljnih procesov ta fizični model poenostavlja pravi plin na naslednji način:
- Zanemarja velikost molekul plina. To pomeni, da obstajajo pojavi, pri katerih ta parameter ni bistven za ustrezen opis.
- Zanemarja medmolekularne interakcije, torej sprejema, da se v interesnih procesih manifestirajo v zanemarljivo majhnih časovnih obdobjih in ne vplivajo na stanje sistema. V tem primeru so interakcije narave absolutno elastičnega udarca, pri katerem ni izgube energije zaradi deformacije.
- Zanemarja interakcijo molekul s stenami rezervoarja.
- Predpostavlja, da je za sistem plin-rezervoar značilno termodinamično ravnotežje.
Ta model je primeren za opis realnih plinov, če so tlaki in temperature relativno nizki.
Energijsko stanje fizičnega sistema
Vsak makroskopski fizični sistem (telo, plin ali tekočina v posodi) ima poleg lastne kinetične in potencialne še eno vrsto energije - notranjo. To vrednost dobimo s seštevanjem energij vseh podsistemov, ki sestavljajo fizični sistem – molekul.
Vsaka molekula v plinu ima tudi svojo potencialno in kinetično energijo. Slednje je posledica neprekinjenega kaotičnega toplotnega gibanja molekul. Različne interakcije med njimi (električna privlačnost, odbojnost) določa potencialna energija.
Ne smemo pozabiti, da če energijsko stanje katerega koli dela fizičnega sistema ne vpliva na makroskopsko stanje sistema, potem se ne upošteva. Na primer, v normalnih pogojih se jedrska energija ne kaže v spremembah stanja fizičnega predmeta, zato je ni treba upoštevati. Toda pri visokih temperaturah in pritiskih je to treba storiti.
Tako notranja energija telesa odraža naravo gibanja in interakcije njegovih delcev. To pomeni, da je ta izraz sinonim za pogosto uporabljen koncept "toplotne energije".
Enoatomski plini, torej tisti, katerih atomi niso združeni v molekule, obstajajo v naravi - to so inertni plini. Plini, kot so kisik, dušik ali vodik, lahko obstajajo v takšnem stanju le pod pogoji, ko se energija porablja od zunaj za nenehno obnavljanje tega stanja, saj so njihovi atomi kemično aktivni in se nagibajo k združevanju v molekulo.
Oglejmo si energijsko stanje enoatomskega idealnega plina v posodi z določeno prostornino. To je najenostavnejši primer. Spomnimo se, da je elektromagnetna interakcija atomov med seboj in s stenami posode ter posledično njihova potencialna energija zanemarljiva. Torej notranja energija plina vključuje samo vsoto kinetičnih energij njegovih atomov.
Izračunamo jo lahko tako, da povprečno kinetično energijo atomov v plinu pomnožimo z njihovim številom. Povprečna energija je enaka E = 3/2 x R / N A x T, kjer je R univerzalna plinska konstanta, N A Avogadrovo število, T absolutna temperatura plina. Število atomov izračunamo tako, da količino snovi pomnožimo z Avogadrovo konstanto. Notranja energija enoatomskega plina bo enaka U = N A x m / M x 3/2 x R/N A x T = 3/2 x m / M x RT. Tukaj je m masa in M je molska masa plina.
Predpostavimo, da ostaneta kemična sestava plina in njegova masa vedno enaki. V tem primeru, kot je razvidno iz formule, ki smo jo dobili, je notranja energija odvisna samo od temperature plina. Pri pravem plinu bo treba poleg temperature upoštevati tudi spremembo prostornine, saj ta vpliva na potencialno energijo atomov.
Molekularni plini
V zgornji formuli številka 3 označuje število stopenj svobode gibanja monoatomskega delca - določena je s številom koordinat v prostoru: x, y, z. Za stanje enoatomskega plina je na splošno vseeno, ali se njegovi atomi vrtijo.
Molekule so sferično asimetrične, zato je treba pri določanju energijskega stanja molekularnih plinov upoštevati kinetično energijo njihovega vrtenja. Dvoatomske molekule imajo poleg naštetih prostostnih stopenj, povezanih s translacijskim gibanjem, še dve, povezani z vrtenjem okoli dveh medsebojno pravokotnih osi; Poliatomske molekule imajo tri takšne neodvisne rotacijske osi. Posledično je za delce dvoatomnih plinov značilno število prostostnih stopenj f = 5, medtem ko je za večatomske molekule f = 6.
Zaradi naključnosti, ki je značilna za toplotno gibanje, so vse smeri rotacijskega in translacijskega gibanja popolnoma enako verjetne. Povprečna kinetična energija, ki jo prispeva vsaka vrsta gibanja, je enaka. Zato lahko vrednost f nadomestimo s formulo, ki nam omogoča izračun notranje energije idealnega plina katere koli molekulske sestave: U = f / 2 x m / M x RT.
Iz formule seveda vidimo, da je ta vrednost odvisna od količine snovi, torej od tega, koliko in kakšen plin smo vzeli, pa tudi od zgradbe molekul tega plina. Ker pa smo se dogovorili, da mase in kemične sestave ne spreminjamo, moramo upoštevati le temperaturo.
Zdaj pa poglejmo, kako je vrednost U povezana z drugimi značilnostmi plina – prostornino in tlakom.
Notranja energija in termodinamično stanje
Temperatura, kot je znano, je eno od stanj sistema (v tem primeru plin). V idealnem plinu je s tlakom in prostornino povezan z razmerjem PV = m / M x RT (tako imenovana Clapeyron-Mendelejeva enačba). Temperatura določa toplotno energijo. Slednje je torej mogoče izraziti skozi niz drugih parametrov stanja. Brezbrižna je do prejšnjega stanja, pa tudi do načina, kako ga spremeniti.
Poglejmo, kako se notranja energija spremeni, ko se sistem premakne iz enega termodinamičnega stanja v drugega. Njegova sprememba med katerim koli takšnim prehodom je določena z razliko med začetno in končno vrednostjo. Če se sistem po nekem vmesnem stanju vrne v prvotno stanje, bo ta razlika enaka nič.
Recimo, da smo segreli plin v hranilniku (torej smo mu dovajali dodatno energijo). Termodinamično stanje plina se je spremenilo: njegova temperatura in tlak sta se povečala. Ta postopek poteka brez spreminjanja glasnosti. Notranja energija našega plina se je povečala. Po tem je naš plin oddal dovedeno energijo in se ohladil v prvotno stanje. Dejavnik, kot je na primer hitrost teh procesov, ne bo imel nobenega pomena. Posledična sprememba notranje energije plina pri kateri koli hitrosti segrevanja in ohlajanja je enaka nič.
Pomembna točka je, da lahko enaka vrednost toplotne energije ustreza ne enemu, temveč več termodinamičnim stanjem.
Narava sprememb toplotne energije
Da bi spremenili energijo, je treba opraviti delo. Delo lahko opravi sam plin ali zunanja sila.
V prvem primeru je poraba energije za opravljanje dela posledica notranje energije plina. Imeli smo na primer stisnjen plin v rezervoarju z batom. Če bat sprostite, ga bo plin, ki se širi, začel dvigovati in opravljati delo (da bi bil uporaben, pustite, da bat dvigne kakšno težo). Notranja energija plina se bo zmanjšala za količino, porabljeno za delo proti gravitaciji in trenju: U 2 = U 1 - A. V tem primeru je delo plina pozitivno, saj je smer sile, ki deluje na bat sovpada s smerjo gibanja bata.
Začnimo spuščati bat, pri čemer delamo proti sili tlaka plina in spet proti sili trenja. Tako plinu predamo določeno količino energije. Tu se delo zunanjih sil že šteje za pozitivno.
Poleg mehanskega dela obstaja tudi način, kako plinu odvzeti ali dati energijo, kot smo ga že srečali na primeru segrevanja plina. Energija, ki se med procesi izmenjave toplote prenese na plin, se imenuje količina toplote. Obstajajo tri vrste prenosa toplote: prevodnost, konvekcija in sevalni prenos. Oglejmo si jih nekoliko podrobneje.
Toplotna prevodnost
Sposobnost snovi za izmenjavo toplote, ki jo izvajajo njeni delci s prenosom kinetične energije med seboj med medsebojnimi trki med toplotnim gibanjem, je toplotna prevodnost. Če določeno področje snovi segrejemo, to pomeni, da mu dovedemo določeno količino toplote, se notranja energija čez nekaj časa zaradi trkov atomov ali molekul v povprečju enakomerno porazdeli med vse delce.
Jasno je, da je toplotna prevodnost močno odvisna od pogostosti trkov, ta pa od povprečne razdalje med delci. Zato je za plin, še posebej idealni plin, značilna zelo nizka toplotna prevodnost, to lastnost pa se pogosto uporablja za toplotno izolacijo.
Od pravih plinov je toplotna prevodnost večja pri tistih, katerih molekule so najlažje in hkrati večatomske. Temu pogoju v največji meri ustreza molekularni vodik, v najmanjši meri pa radon kot najtežji enoatomni plin. Bolj kot je plin redek, slabši je prevodnik toplote.
Na splošno je prenos energije s toplotno prevodnostjo za idealni plin zelo neučinkovit proces.
Konvekcija
Za plin je veliko bolj učinkovita konvekcija, pri kateri se notranja energija porazdeli skozi tok snovi, ki kroži v gravitacijskem polju. vroč plin nastane zaradi Arhimedove sile, saj je manj gost zaradi vročega plina, ki se giblje navzgor, nenehno zamenjuje hladnejši plin - vzpostavi se kroženje plinskih tokov. Da bi torej zagotovili učinkovito, torej najhitrejše ogrevanje s konvekcijo, je treba rezervoar za plin segrevati od spodaj - tako kot kotliček z vodo.
Če je treba plinu odvzeti določeno količino toplote, je učinkoviteje postaviti hladilnik na vrh, saj bo plin, ki je hladilniku oddal energijo, pod vplivom gravitacije hitel navzdol.
Primer konvekcije pri plinu je ogrevanje zraka v zaprtih prostorih z ogrevalnimi sistemi (v prostor so nameščeni čim nižje) ali hlajenje s klimatsko napravo, v naravnih razmerah pa pojav toplotne konvekcije povzroča gibanje zračnih mas in vpliva na vreme in podnebje.
V odsotnosti gravitacije (z breztežnostjo v vesoljski ladji) se konvekcija, to je kroženje zračnih tokov, ne vzpostavi. Zato nima smisla prižigati plinskih gorilnikov ali vžigalic na krovu vesoljskega plovila: vroči produkti zgorevanja se ne bodo odvajali navzgor, kisik ne bo doveden v vir ognja in plamen bo ugasnil.
Sevalni prenos
Snov se lahko segreje tudi pod vplivom toplotnega sevanja, ko atomi in molekule pridobivajo energijo z absorbiranjem elektromagnetnih kvantov – fotonov. Pri nizkih frekvencah fotonov ta proces ni zelo učinkovit. Spomnimo se, da ko odpremo mikrovalovno pečico, v njej najdemo vročo hrano, ne pa tudi vročega zraka. Z naraščanjem frekvence sevanja se povečuje učinek sevalnega segrevanja; na primer, v zgornji atmosferi Zemlje se zelo redek plin intenzivno segreje in ionizira s sončnim ultravijoličnim sevanjem.
Različni plini v različni meri absorbirajo toplotno sevanje. Torej, voda, metan, ogljikov dioksid ga absorbirajo precej močno. Na tej lastnosti temelji pojav učinka tople grede.
Prvi zakon termodinamike
Na splošno se sprememba notranje energije s segrevanjem plina (izmenjava toplote) prav tako zmanjša na opravljanje dela na molekulah plina ali na njih z zunanjo silo (kar je označeno na enak način, vendar z nasprotnim predznakom). Kakšno delo se opravi s to metodo prehoda iz enega stanja v drugo? Na to vprašanje nam bo pomagal odgovoriti zakon o ohranitvi energije oziroma natančneje njegova konkretizacija v povezavi z obnašanjem termodinamičnih sistemov – prvi zakon termodinamike.
Zakon oziroma univerzalno načelo ohranjanja energije v najsplošnejši obliki pravi, da se energija ne rodi iz nič in ne izgine brez sledu, temveč le prehaja iz ene oblike v drugo. V zvezi s termodinamičnim sistemom je treba to razumeti tako, da je delo, ki ga opravi sistem, izraženo z razliko med količino toplote, ki je dodeljena sistemu (idealni plin), in spremembo njegove notranje energije. Z drugimi besedami, količina toplote, ki se prenese na plin, se porabi za to spremembo in za delovanje sistema.
To je zapisano veliko preprosteje v obliki formul: dA = dQ - dU in s tem dQ = dU + dA.
Vemo že, da te količine niso odvisne od načina prehoda med stanji. Hitrost tega prehoda in posledično učinkovitost sta odvisni od metode.
Kar zadeva drugi zakon termodinamike, določa smer spremembe: toplote ni mogoče prenesti s hladnejšega (in zato manj energijsko) plina na bolj vročega brez dodatne porabe energije od zunaj. Drugi zakon tudi kaže, da se del energije, ki jo sistem porabi za opravljanje dela, neizogibno razprši, izgubi (ne izgine, ampak preide v neuporabno obliko).
Termodinamični procesi
Prehodi med energijskimi stanji idealnega plina imajo lahko različen značaj sprememb nekaterih njegovih parametrov. Tudi notranja energija v prehodnih procesih različnih vrst se bo obnašala različno. Na kratko razmislimo o več vrstah takšnih procesov.
- Izohorni proces poteka brez spremembe prostornine, zato plin ne opravlja nobenega dela. Notranja energija plina se spreminja kot funkcija razlike med končno in začetno temperaturo.
- Pri konstantnem tlaku poteka izobarni proces. Plin deluje, njegova toplotna energija pa se izračuna na enak način kot v prejšnjem primeru.
- Za izotermičen proces je značilna konstantna temperatura, kar pomeni, da se toplotna energija ne spreminja. Količina toplote, ki jo prejme plin, se v celoti porabi za opravljanje dela.
- V plinu brez prenosa toplote, v toplotno izolirani posodi, poteka adiabatski ali adiabatski proces. Delo poteka le zaradi porabe toplotne energije: dA = - dU. Pri adiabatnem stiskanju se toplotna energija poveča, pri raztezanju pa ustrezno zmanjša.
Osnova delovanja toplotnih strojev so različni izoprocesi. Tako poteka pri bencinskem motorju na skrajnih legah bata v valju izohorni proces, drugi in tretji takt motorja pa sta primera adiabatnega procesa. Pri proizvodnji utekočinjenih plinov igra adiabatna ekspanzija pomembno vlogo - zahvaljujoč njej postane možna kondenzacija plina. Izoprocesi v plinih, pri preučevanju katerih ne gre brez koncepta notranje energije idealnega plina, so značilni za številne naravne pojave in se uporabljajo v najrazličnejših vejah tehnologije.
Vemo, da lahko notranjo energijo telesa spreminjamo na dva načina – z delom in z izmenjavo toplote. Pri izvajanju prve od teh metod se notranja energija telesa spremeni za količino opravljenega dela A, pri izvajanju druge od njih pa za količino, ki je enaka količini prenesene toplote Q.
Začetno notranjo energijo telesa označimo z U 1, končno (po spremembi) pa z U 2. Potem bo sprememba notranje energije telesa enaka razliki U 2 -U 1. Spremembo katere koli fizikalne količine v fiziki običajno označujemo z grško črko A (delta), zato lahko zapišemo:
ΔU - sprememba notranje energije
U = U 2 – U 1
Spremembo notranje energije lahko izrazimo kot pozitivno ali negativno:
1) če se notranja energija telesa poveča, potem U 2 > U 1 in zato ΔU > 0;
2) če se notranja energija telesa zmanjša, potem U 2< U 1 и, следовательно, ΔU < 0.
Glede na način (z delom na telesu ali z izmenjavo toplote) se je notranja energija telesa spremenila, lahko njeno spremembo izračunamo na dva načina:
ΔU = A - pri opravljanju dela (33.1)
ΔU = Q - med izmenjavo toplote (33.2)
Pri uporabi enačbe (33.1) je treba upoštevati, da njena desna stran vključuje delo zunanjih sil, ki delujejo na telo. Samo delo telesa A se od njega razlikuje po predznaku:
Telo = –A
Količina toplote Q je lahko tudi pozitivna ali negativna:
1) če se med procesom izmenjave toplote poveča notranja energija telesa, potem Q>O (telo prejme količino toplote);
2) če se notranja energija telesa med procesom izmenjave toplote zmanjša, potem Q<0 (тело отдает количество теплоты).
V splošnem primeru se lahko notranja energija telesa (ali sistema teles) spreminja na dva načina hkrati - tako z opravljanjem dela kot z izmenjavo toplote. Nato se za izračun spremembe notranje energije uporabi enačba
ΔU = A + Q (33,3)
Po tej enačbi je sprememba notranje energije sistema enaka vsoti dela zunanjih sil in količine toplote, ki jo sistem prejme.
1. Kako označimo notranjo energijo telesa in spremembo notranje energije telesa? 2. V katerem primeru je sprememba notranje energije telesa pozitivna in v katerem negativna? 3. Kateri znak pomeni: a) količino toplote, ki jo telo prejme; b) količino toplote, ki jo odda telo? Zakaj? 4. Napišite formulo, ki izračuna spremembo notranje energije telesa pri prenosu toplote. 5. Zapišite formulo, ki izračuna spremembo notranje energije telesa, ko je na njem opravljeno delo. 6. Po kateri formuli izračunamo spremembo notranje energije v splošnem primeru?
Energija je splošna mera različnih oblik gibanja snovi. Glede na oblike gibanja snovi ločimo tudi vrste energije - mehansko, električno, kemično itd. Vsak termodinamični sistem v katerem koli stanju ima določeno količino energije, katere obstoj je dokazal R. Clausius (1850) in jo je imenoval notranja energija.
Notranja energija (U) je energija vseh vrst gibanja mikrodelcev, ki sestavljajo sistem, in energija njihove medsebojne interakcije.
Notranja energija je sestavljena iz energije translacijskega, rotacijskega in vibracijskega gibanja delcev, energije medmolekularnih in intramolekulskih, intraatomskih in intranuklearnih interakcij itd.
Energija intramolekularne interakcije, tj. energija interakcije atomov v molekuli, pogosto imenovana kemična energija . Sprememba te energije se zgodi med kemičnimi transformacijami.
Za termodinamično analizo ni treba vedeti, iz katerih oblik gibanja snovi je sestavljena notranja energija.
Količina notranje energije je odvisna le od stanja sistema. Posledično lahko notranjo energijo štejemo za eno od značilnosti tega stanja, skupaj s količinami, kot so tlak, temperatura.
Vsako stanje sistema ustreza strogo določeni vrednosti vsake njegove lastnosti.
Če ima homogeni sistem v začetnem stanju prostornino V 1, tlak P 1, temperaturo T 1, notranjo energijo U 1, električno prevodnost æ 1 itd., v končnem stanju pa so te lastnosti enake V 2, P 2 , T 2, U 2, æ 2 itd., potem bo sprememba vsake lastnosti med prehodom sistema iz začetnega stanja v končno stanje enaka, ne glede na to, po kateri poti sistem prehaja iz enega stanja v drugo : prvi, drugi ali tretji (slika 1.4).
riž. 1.4 Neodvisnost lastnosti sistema od njegove prehodne poti
iz normalnega stanja v drugo
Tisti. (U 2 - U 1) I = (U 2 - U 1) II = (U 2 - U 1) III (1.4)
Kje so številke I, II, III itd. navedite procesne poti. Posledično, če se sistem premakne iz začetnega stanja (1) v končno stanje (2) po eni poti in iz končnega stanja na začetku - po drugi poti, tj. Če se zaključi krožni proces (cikel), bo sprememba vsake lastnosti sistema enaka nič.
Tako sprememba funkcije stanja sistema ni odvisna od poti procesa, ampak je odvisna samo od začetnega in končnega stanja sistema. Infinitezimalno spremembo lastnosti sistema običajno označimo z diferencialnim predznakom d. Na primer, dU je neskončno majhna sprememba notranje energije itd.
Oblike izmenjave energije
V skladu z različnimi oblikami gibanja snovi in različnimi vrstami energije obstajajo različne oblike izmenjave energije (prenosa energije) - oblike interakcij. Termodinamika obravnava dve obliki izmenjave energije med sistemom in njegovim okoljem. To je delo in toplina.
delo. Najbolj očitna oblika izmenjave energije je mehansko delo, ki ustreza mehanski obliki gibanja snovi. Nastane, ko se telo premika pod vplivom mehanske sile. V skladu z drugimi oblikami gibanja snovi ločimo tudi druge vrste dela: električno, kemično itd. Delo je oblika prenosa urejenega, organiziranega gibanja, saj se pri delu delci telesa gibljejo organizirano v eno smer. Na primer delo, opravljeno med ekspanzijo plina. Molekule plina, ki se nahajajo v valju pod batom, se gibljejo kaotično, neurejeno. Ko plin začne premikati bat, to je, da opravlja mehansko delo, bo organizirano gibanje prekrito z naključnim gibanjem molekul plina: vse molekule prejmejo določen premik v smeri gibanja bata. Električno delo je povezano tudi z organiziranim gibanjem nabitih delcev snovi v določeni smeri.
Ker je delo merilo prenesene energije, se njegova količina meri v enakih enotah kot energija.
Toplota. Imenuje se oblika izmenjave energije, ki ustreza kaotičnemu gibanju mikrodelcev, ki sestavljajo sistem izmenjava toplote, in imenujemo količino energije, ki se prenese med izmenjavo toplote toplina.
Prenos toplote ni povezan s spremembo položaja teles, ki sestavljajo termodinamični sistem, in je sestavljen iz neposrednega prenosa energije iz molekul enega telesa na molekule drugega ob njihovem stiku.
p 
Predstavljajmo si izolirano posodo (sistem), razdeljeno na dva dela s toplotno prevodno pregrado AB (slika 1.5). Predpostavimo, da je plin v obeh delih posode.
riž. 1.5. K konceptu toplote
V levi polovici posode je temperatura plina T1, v desni polovici pa T2. Če je T 1 > T 2, potem je povprečna kinetična energija ( 
) molekule plina na levi strani posode bodo večje od povprečne kinetične energije ( 
) v desni polovici posode.
Zaradi nenehnih trkov molekul s pregrado v levi polovici posode se del njihove energije prenese na molekule pregrade. Molekule plina, ki se nahajajo v desni polovici posode, bodo ob trku s pregrado pridobile del energije iz njegovih molekul.
Zaradi teh trkov se bo kinetična energija molekul v levi polovici posode zmanjšala, v desni polovici pa povečala; bosta temperaturi T 1 in T 2 izenačeni.
Ker je toplota oblika energije, se njena količina meri v enakih enotah kot energija. Tako sta izmenjava toplote in delo obliki izmenjave energije, količina toplote in količina dela pa meritvi prenesene energije. Razlika med njima je v tem, da je toplota oblika prenosa mikrofizičnega, neurejenega gibanja delcev (in s tem tudi energije tega gibanja), delo pa oblika prenosa energije urejenega, organiziranega gibanja snovi.
Včasih pravijo: toplota (ali delo) se dovaja ali odvaja iz sistema, vendar je treba razumeti, da se ne dovajata ali odvajata toplota in delo, temveč energija, zato ne bi smeli uporabljati izrazov kot "toplotna rezerva" ali "zadržana toplota".
Kot oblika izmenjave energije (oblike interakcije) sistema z okoljem, toplota in delo ne moreta biti povezana z nobenim specifičnim stanjem sistema, ne moreta biti njegove lastnosti in s tem funkcije njegovega stanja. To pomeni, da če sistem preide iz začetnega stanja (1) v končno stanje (2) na različne načine, bosta imela toplota in delo različne vrednosti za različne prehodne poti (slika 1.6)
Končne količine toplote in dela so označene z Q in A, infinitezimalne vrednosti pa z δQ oziroma δA. Količini δQ in δA za razliko od dU nista popoln diferencial, ker Q in A nista funkciji stanja.
Ko je pot procesa vnaprej določena, bosta delo in toplota dobila lastnosti funkcij stanja sistema, tj. njihove numerične vrednosti bodo določene samo z začetnim in končnim stanjem sistema.
