Виды энергии и формы ее передачи. Внутренняя энергия, работа и теплота

 

Энергия, Дж – это количественная мера движения материи. Энергия может передаваться в форме работы и в форме теплоты.

Все виды энергии можно разделить на две группы: виды энергии направленного движения и виды энергии хаотического движения. Почти все виды энергии (механическая, электрическая, химическая, внутриядерная, потенциальная энергия различных физических полей) являются энергиями направленного движения. Тепловая энергия представляет собой энергию хаотического движения молекул, атомов и других частиц, из которых состоит тело. Коренным отличием этих двух групп является то, что виды энергии направленного движения могут быть полностью преобразованы в любые другие виды; а тепловая энергия не может превращаться в другие виды энергии без потерь, превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

(Тепловая энергия — неточный термин. Теплота, как и работа, является не видом энергии, а только способом её передачи. По сути, тепловая энергия — это суммарная кинетическая энергия структурных элементов вещества (будь то атомы, молекулы или заряженные частицы). Тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям (горение), ядерным реакциям (деление ядра, ядерный синтез), механическим взаимодействиям (трение). Теплота может передаваться между телами с помощью теплопроводности, конвекции или излучения.)

Любая термодинамическая система (рабочее тело) обладает запасом полной энергии Е, которая состоит из внутренней энергии U, зависящей от внутреннего состояния тела, и внешней энергии Е_внеш, связанной с движением тела как целого и положением его в каком-либо физическом поле сил (гравитационном, магнитном, электрическом и т.д.), т.е.

 

Е= U+ Е_внеш

Внутренняя энергия (U, Дж) – это собственная энергия неподвижного тела (системы). Она зависит только от его внутреннего состояния и включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц (молекул, атомов, ионов и др.), энергию взаимодействия этих частиц, внутриядерную энергию и т.д.

Внутреннюю энергию тела или системы можно определить как сумму кинетической энергии всех молекул, атомов и других микрочастиц и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Кинетическая энергия молекул является функцией температуры; потенциальная энергия зависит от среднего расстояния между молекулами, а значит, является функцией занимаемого газом объема. Таким образом, внутреннюю энергию можно выразить через любые два термодинамических параметра состояния системы: U=f₁(T,V); U=f₂(p,T); U=f₃(p,V). Внутренняя энергия является функцией состояния системы, а это значит, что ее изменение DU в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса, а определяется только конечным и начальным состоянием системы независимо от пути, по которому совершался процесс

 

.

 

Удельная внутренняя энергия - это отношение внутренней энергии системы к массе вещества в системе (внутренняя энергия единицы массы вещества)

 

, Дж/кг.

 

Так как внутренняя энергия является функцией состояния термодинамической системы, то ее изменение в круговом процессе будет равно нулю

 

 

Как уже отмечалось выше, энергия может передаваться в форме работы или теплоты.

Работа (L, Дж) - это макрофизическая форма передачи энергии. Работа в термодинамике, как и механике, определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь ее действия.

Рассмотрим газ под поршнем.

 

Если к газу подвести некоторое количество теплоты, то он будет расширяться, совершая работу против сил внешнего давления, оказываемого на него поршнем. Газ действует на поршень с силой равной р∙S и передвигает поршень на расстояние dy, совершая при этом работу δL=p∙S∙dy. Но S∙dy - это увеличение объема системы на величину dV: S∙dy = dV. Поэтому

 

δL=p∙dV

 

При конечном изменении объема получим

 

.

 

Эта работа против сил внешнего давления, связанная с увеличением объема системы, называется работой расширения или работой изменения объема.

Удельная работа изменения объема – работа, совершаемая системой, содержащей 1 кг рабочего тела

, Дж/кг.

 

Работа l эквивалентна площади под кривой в диаграмме р, v и зависит от характера термодинамического процесса, то есть работа – это функция процесса.

Теплота (Q, Дж) – это микрофизическая, осуществляемая на молекулярном уровне под действием разности температур форма передачи энергии. Теплота может передаваться непосредственным контактом (теплопроводностью или конвекцией) и на расстоянии (излучением).

Теплота определяется по формулам

 

или ,

 

где с – массовая (удельная) теплоемкость, Дж/(кг×К);

s – удельная энтропия, Дж/(кг×К).

Для твердых тел и жидкостей с≈const, тогда при М= const получаем

 

 

Удельная теплота

, Дж/кг.

 

Видно, что теплота, как и работа, – это функция процесса, т.е. количество переданной теплоты зависит от характера процесса. Теплота q эквивалентна площади под кривой в диаграммах T, s или с, Т.