Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Адиабатный процесс. Второй закон термодинамики

С точки зрения МКТ внутренняя энергия - это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между частицами, т.е. от объёма V тела. Поэтому внутренняя энергия U зависит от температуры и от объёма: U = U (T, V). Чтобы изменить внутреннюю энергию тела надо: 1)изменить температуру, т.е. совершить теплообмен (Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Количественной мерой теплообмена является количество теплоты Q); 2)изменить объём, т.е. совершить работу А. Согласно первому закону термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы ∆U при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил А и количества теплоты Q, переданного системе: ∆U= A+ Q

Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А=0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). В этом случае согласно первому закону термодинамики ∆U =U₂ – U₁ =0, или U₁=U₂. Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной (сохраняется).

Часто вместо работы внешних сил А над системой рассматривают работу А′ системы над внешними телами. Т.к. А′ = - А, то первый закон термодинамики можно записать так: Q=∆U+A′

Количество теплоты Q, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии ∆U и на совершение работы над внешними телами А′. Работа и количество теплоты характеризуют процесс изменения внутренней энергии тела.

Адиабатный процесс – это процесс в теплоизолированной системе. Изменение энергии в этом процессе равно работе внешних сил: Q=А. В ряде случаев реальные процессы можно считать близкими к адиабатным, если они протекают достаточно быстро. Нагревание воздуха при быстром (адиабатном) сжатии нашло применение в двигателе Дизеля (сжатый горячий воздух к концу такта сжатия воспламеняет жидкое топливо, подаваемое в этот момент). Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов. Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли. Нагретый воздух поднимается вверх и расширяется, так как атмосферное давление падает с увеличением высоты. Это расширение сопровождается значительным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуются облака.

Направление процессов в природе указывает второй закон термодинамики:

Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменениях в обеих системах или в окружающих телах.

Второй закон термодинамики утверждает:

все процессы самопроизвольно протекают в одном определённом направлении. Они необратимы. Теплота всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических (больших) тел – во внутреннюю.