Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит вещество.
 |
Внутренняя энергия любой системы складывается из энергий, входящих в нее атомов и молекул. Она представляет собой сумму кинетической энергии движения частиц (атомов, молекул или ионов), потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии взаимодействия электронов и ядер в молекулах и энергии, отвечающей массе покоя частиц согласно уравнению Эйнштейна. Внутренняя энергия не относится к непосредственно измеряемым величинам. На опыте удается измерить только теплоту, поглощаемую или выделяемую системой, и определить работу, связанную с переходом из одного состояния системы в другое. При любых процессах совокупность величин Q – A не зависит от пути перехода, это позволило определить изменение внутренней энергии системы с помощью уравнения
dU = d Q – d A £ TdS – dU (1)
Положительным считается такое изменение энергии, которое отвечает увеличению U в системе.
В случае равновесного процесса
d A =dA = TdS – dU (2)
При S = const (равновесный адиабатный процесс)
dA = -dU и A = U1 - U2 (3)
Интегрируя при постоянной Т уравнение (2) получаем:
A = (U1 – TS1) - (U2 – TS2) (4)
Введем обозначение
F = U – TS (5)
получим (при Т = const)
A = F1 – F2 = -D F (6)
где F – функция состояния, называемая изохорно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы. Переписав уравнение (5) в виде
U = F + TS
Можно рассматривать внутреннюю энергия, как энергию, состоящую из двух частей – свободной энергии F и связанной энергии TS.
Изохорный потенциал системы, находящейся при постоянных объеме и температуре, стремится уменьшиться в самопроизволных процессах.
Представим элементарную работу как сумму работы расширения и других видов работы:
d A = pdV + d A¢ (7),
где d A¢ - сумма элементарных работ всех видов, кроме работы расширения.
Из уравнений (1, 7) получаем:
d A¢ £ TdS – dU – pdV (8)
Теперь можно найти A¢ , получаемую при переходе системы из одного состояния в другое. Интегрируя это уравнение в соответствующих пределах при постоянных температуре и давлении и сгруппировав все величины, относящиеся к одному состоянию получим:
A¢ £ (U1 – TS1 + pV1) - (U2 – TS2 + pV2)
Обозначив через G выражения, стоящие в скобках правой части уравнения, которые являются функциями состояния, т. е.
G º U – TS + pV º F + pV º H – TS (9)
Для равновесных процессов A¢ будет максимально:
A¢ = G1 – G2 = - D G
G – функция состояния, определяемая уравнением (9) и называемая изобарно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы.
Самопроизвольные процессы всегда идут с уменьшением свободной энергии (при T = const и V = const) или соответственно ее изобарного потенциала (при T = const и р = const). Иными словами могут идти лишь те процессы, при которых система способна совершать работу.
Смысл первого начала термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Количество тепла Q, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии (U2-U1) и на производство внешней работы».
Прочие статьи:
Органические вещества
Липиды — сложные эфиры глицерина (или других спиртов) и высших жирных кислот. Они образуют триглицериды (жиры и масла), фосфо-липиды, воски, стериды (холестерин, стероидные гормоны). В зависимости от типа клеток содержание липидов колебле ...
Общие сведения
Клеточная теория — основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Матиас Шлейден и Теодор Шванн сформули ...
Заболевания внутренних органов
Беременность, отягощенную заболеваниями внутренних органов, называют «угрожаемой для плода». Неблагополучно протекает беременность при алкогольной болезни женщин, прежде всего потому, что болезненной измененной оказывается их центральная ...