Энергия системы. Внутренняя энергия

Энергия системы включает в себя внешнюю и внутреннюю энергии.

Внешняя энергия определяется взаимодействием системы с окружающей средой и подразделяется на внешнюю кинетическую энергию и внешнюю потенциальную энергию. Кинетическая энергия системы, движущейся как единое целое, определяется ее массой и скоростью:

(2.1)

Если не все части системы движутся одинаково, то вводится понятие среднеинтегральной энергии движущейся системы:

.

Потенциальная внешняя энергия системы в поле сил, например, в поле тяготения Земли, определяется положениями ее центра тяжести:

. (2.2)

Причем потенциальная энергия положения системы в поле внешних сил входит в состав ее внешней энергии лишь при условии, что термодинамическое состояние ее при перемещении в поле сил не изменяется. Если термодинамическое состояние системы изменяется, то определенная часть потенциальной энергии уже будет входить в состав внутренней энергии системы.

Внутренняя энергия с точки зрения статистической физики состоит из энергии различных видов движения и взаимодействия частиц, входящих в рассматриваемую термодинамическую систему: энергия поступательного и вращательного движения молекул, колебательного движения атомов, энергия молекулярного взаимодействия, внутриатомная энергия заполненных электронных уровней, внутриядерная энергия, энергия химических связей и т. д.

Внутренняя энергия u является внутренним параметром и при равновесии она зависит от внешних параметров , и температуры Т:

.

Почти у всех веществ с неограниченным ростом Т – внутренняя энергия неограниченно растет. Это связано с тем, что каждая молекула или другой элемент обычной термодинамической системы энергетически не ограничен. В 70-х годах прошедшего столетия было экспериментально установлено существование систем, у которых с ростом Т энергия асимптотически приближается к некоторому пределу, ибо каждый элемент лимитирован в своей максимальной допустимой величине энергии. Это совокупности ядерных спинов некоторых кристаллов, т. е. совокупности закрепленных в узлах решетки и взаимодействующих друг с другом ядерных магнитных моментов, когда их энергия взаимодействия с решеткой чрезвычайно мала по сравнению с энергией спинового взаимодействия.

Так как внутренняя энергия определяется лишь состоянием термодинамической системы, то она является параметром состояния, а ее дифференциал, в этой связи, есть полный дифференциал. Следовательно, циркуляция дифференциала внутренней энергии по замкнутому контуру равна нулю

.

В зависимости от пары выбранных независимых переменных или можно записать выражения для расчета полного дифференциала внутренней энергии в виде одного из трех, приведенных ниже выражений

,

, (2.3)

.

Тогда по свойству полного дифференциала и правила дифференцирования мы вправе записать термодинамические равенства для частных производных:

,

, (2.4)

.

Внутренняя энергия – экстенсивный параметр, измеряемый в Джоулях U [Дж]. В термодинамических исследованиях чаще используются удельные величины внутренней энергии, которые по своим характеристикам относятся к интенсивным параметрам. Для чего величину внутренней энергии необходимо отнести к одной из ниже перечисленных величин

к массе: [Дж/кг]; (2.5)

к объему: [Дж/м³]; (2.6)

к числу молей: [Дж/моль]. (2.7)

Все последние три вида оценки величины внутренней энергии не зависят от количества вещества в термодинамической системе и могут рассматриваться уже как интенсивные параметры состояния.

Работа в термодинамике.