Внутренняя энергия

Внутренняя энергия. Энтальпия. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.

Занятие №15

Работа расширения газа

Работа является количественной мерой передачи энергии одного тела другому путем механического (расширение, сжатие) или теплового (охлаждение, нагрев) воздействия. Работу, совершаемую системой над окружающей средой, (расширение) принято считать положительной (полезной), а работу, совершаемую окружающей средой над системой, (сжатие) - отрицательной.

Единицами измерения полной работы в системе СИ является джоуль (Дж), удельной работы – Дж / кг.

Работа всегда связана с перемещением тел в пространстве, поэтому она характеризует упорядоченную форму передачи энергии от одного тела к другому и является мерой переданной энергии. Поскольку величина работы пропорциональна увеличению объема, то в качестве рабочих тел, предназначенных для преобразования тепловой энергии в механическую, целесообразно выбирать такие, которые допускают значительные увеличения объема. Этим качеством обладают газы и пары жидкостей.

Внутренняя энергия системы включает в себя:

кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

потенциальную энергию взаимодействия частиц;

энергию электронных оболочек атомов;

внутриядерную энергию.

В большинстве теплоэнергетических процессов две последние составляющие остаются неизменными. Поэтому в дальнейшем под внутренней энергией мы будем понимать энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами. Кинетическая энергия молекул является однозначной функцией температуры, значение потенциальной энергии зависит от среднего расстояния между молекулами, следовательно, от занимаемого газом объема. Внутренняя энергия зависит только от основных параметров газа, поэтому является 4-м параметром состояния газа. Внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема газа или давления, а определяется только его температурой. Обозначим полную внутреннюю энергию газа U (джоуль), а удельную, отнесенную к 1 кг газа, - u (джоуль на килограмм). В термодинамике определяют не абсолютное значение

внутренней энергии, а ее изменение. Поэтому условно за нулевую точку отсчета произвольно взята температура Т = 273 К.

∆U = U₂ – U₁,

где U₁ – внутренняя энергия в начальном состоянии, Дж;

U₂ – внутренняя энергия в конечном состоянии, Дж.

Изменение полной внутренней энергии для конечного интервала изменения температуры можно определить по формулам:

∆u = С_v(T₂–T₁); ∆U = m С_v (T₂–T₁).

В этих формулах Сv – теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме, Дж / (кг К).