Термодинамика. Молекулярно-кинетическая теория газов объясняет макроскопические свойства веществ путем детального разбора тех процессов

Молекулярно-кинетическая теория газов объясняет макроскопические свойства веществ путем детального разбора тех процессов, которые происходят на молекулярном уровне, и макроскопические величины имеют какие-то определенные значения лишь потому, что они являются средними значениями огромного числа отдельных элементарных процессов. Метод, который применяется при этом, – статистический метод.

Однако возможен и другой способ описания тех же явлений. Такое описание возможно, если рассматривать их с позиции превращения одних видов энергии в другие. Этот раздел физики носит название«термодинамика». Термодинамика не входит в рассмотрение микроскопических процессов, но так же как молекулярно-кинетическая теория газов позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания. Законы, лежащие в основе термодинамики, с успехом применяются для исследования и физических, и химических процессов, для изучения свойств веществ и излучения. Основу термодинамики образуют два ее начала и тепловой закон Нернста (или третье начало термодинамики).

Первые два начала термодинамики позволяют:

1. устанавливать количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие (первое начало);

2. определять условия, при которых возможны эти превращения, и определять возможные направления процессов (второе начало).

 

Взаимосвязь между внутренней энергией,

работой и теплотой (первый закон термодинамики)

Внутренняя энергия системы. Полная энергия W термодинамической системы включает в себя кинетическую энергию механического движения системы W _к^мех как целого или ее макроскопических частей, потенциальную энергию W _п^внешсистемы во внешнем поле (гравитационном или электромагнитном) и внутреннюю энергиюU, которая зависит только от внутреннего состояния системы. В простейшем случае полная энергия системы:

W = W _к^мех + W _п^внеш + U (3.1)

Мы будем рассматривать идеальные термодинамические системы, т.е. макроскопически неподвижные и неподверженные действию внешнего поля системы. Для таких систем: W = U. Изменение внутренней энергии системы при переходе из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса перехода и равно: D U _1-2= U ₂ – U ₁ (см. стр. 16, 17).В частном случае, если система в результате какого-либо процесса возвращается в исходное состояние, тоD U = 0. Так как во всех термодинамических расчетах определяются не абсолютные значения внутренней энергии, а только ее изменение, то выбор U ₀не играет роли.

При рассмотрении химических и ядерных реакций во внутреннюю энергию системы включают (кроме кинетической энергии поступательного, вращательного, колебательного движения атомов в молекулах, потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия) еще и энергию электронных оболочек и ионов, энергию движения и взаимодействия нуклонов в атомных ядрах.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в состоянии с заданными значениями Т и V, ее внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от того, каким способом система приведена в это состояние.

Работа и теплота. Внутреннюю энергию (U = f (T, V)) можно изменить двумя способами: путем совершения работы над термодинамической системой при постоянной температуре, что связано с изменением ее объема, и путем сообщения ей теплоты при фиксированном объеме.

Количество энергии, которое передается системе внешними телами в форме теплоты, называется количеством теплоты, или теплотой Q, сообщаемой системе. Количество теплоты считается положительным, когда оно подводится к системе.

Передача внешними телами энергии в форме работы А ¢ сопровождается макроскопическим перемещением внешних тел. В результате изменяются средние взаимные расстояния между частицами системы, а значит, и их потенциальная энергия. В соответствии с третьим законом Ньютона система при этом совершает работу над внешними телами А = - А ¢.

Сообщение системе теплоты Q не связано с макроскопическими перемещениями тел системы. Изменение внутренней энергии при теплопередаче состоит в том, что отдельные молекулы более нагретого тела в процессе неупругого столкновения передают часть своей кинетической энергии молекулам менее нагретого тела.

В отличие от внутренней энергии системы, являющейся однозначной функцией состояния системы, понятия теплоты и работы имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы. Теплота и работа - энергетические характеристики термодинамического процесса, обусловливающего переход системы из одного состояния в другое.

Первый закон термодинамики. Существование двух способов передачи энергии термодинамической системе позволяет проанализировать с энергетической точки зрения равновесный процесс перехода системы из какого-либо начального состояния 1 в другое состояние 2. Изменение внутренней энергии системы D U _1-2 = U ₂– U ₁ в таком процессе равно сумме работы А ¢ _1-2, совершаемой над системой внешними силами, и теплоты Q _1-2, сообщенной системе:

D U _1-2 = А ¢ _1-2, + Q _1-2 . (3.2)

Работа А ¢ _1-2, численно равна и противоположна по знаку работе А _1-2, совершаемой самой системой против внешних сил в том же равновесном процессе перехода. Поэтому выражение (3.2) можно переписать в другом виде:

Q _1-2 = D U _1-2 + А _1-2 ,

или:

d Q = dU + d А. (3.3)

Это и есть первое начало термодинамики: