Виды энергии, внутренняя энергия, внешняя работа

Энергия проявляется в различных формах движения материи. Из всех видов энергии (механическая, химическая, внутриядерная, потенциальная энергия гравитационного, магнитного или электрического полей) тепловая энергия выделяется тем, что она связана с хаотическим молекулярным и внутримолекулярным движением, в то время как все другие перечисленные виды энергии связаны с направленным движением материи. Так, механическое перемещение тела, движение электронов по проводнику, химическая реакция превращения одного вещества в другое – все это примеры энергии направленного движения в различных ее формах.

Тепловая же энергия газов проявляется в хаотическом поступательном, вращательном и колебательном движении молекул, которые находятся в постоянных взаимодействиях между собой, меняя при этом скорость по величине и направлению. Величина внутренней тепловой энергии газов зависит как от скорости движения молекул и атомов, так и от расстояния между ними. Скорость движения микрочастиц вещества зависит от температуры тела, а силы взаимодействия между ними – от удельного объема. Поэтому внутреннюю энергию можно представить как функцию двух основных параметров состояния – температуры Т и удельного объема v:

u = f(T,v). (2.1)

Для модели идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, внутренняя энергия является функцией только температуры:

u = f(T). (2.2)

Внутренняя энергия газа в любом его состоянии не зависит от процесса, предшествовавшего данному состоянию. Значит, внутренняя энергия является параметром состояния газа.

Тепло, в отличие от внутренней энергии газа, не характеризует состояния газа и не является его параметром, а представляет собой переданное от одного тела к другому определенное количество энергии хаотического молекулярного и внутримолекулярного движения. Оно является результатом процесса перехода внутренней тепловой энергии от одного тела к другому при наличии между ними разности температур.

При передаче энергии в форме работы меняется величина энергии направленного движения. Например, при расширении газа в цилиндре происходит превращение его внутренней энергии в механическую энергию движения поршня. Количество этой превращенной из одного вида в другой энергии называют работой.

Работа, как и тепло, не может содержаться в каком-то теле. Она связана не с состоянием газа, а с процессом превращения энергии. Поэтому работа не является параметром состояния.

В технической термодинамике чаще всего рассматривается механическая работа, представляющая собой результат расширения или сжатия рабочего тела или его перемещения.

Если к 1 кг газа подвести элементарное количество тепла dq, то газ при нагревании увеличит свой объем на величину dv, при этом совершается работа расширения газа dl против сил внешнего давления среды:

dl = pdv. (2.3)

Полная работа расширения газа за счет подвода тепла q при изменении объема от v₁ до v₂

. (2.4)

В р, v-диаграмме (рис. 2.1) площадь под процессом 1 – 2, ограниченная крайними ординатами и осью абсцисс, также представляет собой , поэтому она является графической интерпретацией работы расширения.