Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 10

1. 1 3. Формы движения и виды энергии Существуют два основных вида материи — вещество и иоле. Вещество обладает массой покоя. У поля масса покоя равна нулю. Материя постоянно находится в движении, под которым понимается всякое изменение состояния. Выделяют три характерные группы форм движения: Суммируя зто соотношение по всем веществам и учитывая, что Х х, = 1, получаем известный закон Дальтона: Е р; = р. (1.53) 1.14.

Внутренняя и внешняя энергии ° в неорганической природе; ° в живой природе (флора и фауна); ° в обществе (общественные организмы и социальные организмы). Каждая из этих групп, в свою очередь, подразделяется на формы движения, соответствующие классификации по более частным признакам.

При этом в зависимости от набора признаков можно предложить различные классификации. В классической термодинамике рассматриваются, главным образом, формы движения в неживой природе, а в неравновесной термодинамике — полный набор известных форм движения. Примеры форм движения в неживой природе: поступательная, вращательная, колебательная, деформационная, тепловая, химическая, ядерная, полевая. Каждая из этих форм также может быть подразделена на более частные„например колебательное движение может быть продольным, поперечным, изгибным, кручения, сдвига и т.

д. Полевая Форма движения может быть связана с полями: электростатическим, магнитостатическим, электромагнитным (излучение), гравитационным. В дальнейшем по мере необходимости будут упоминаться и другие Формы движения, В термодинамике каждой форме движения соответствует определенный вид энергии. В качестве примеров назовем следующие виды энергии: кинетическая поступательного движения, кинетическая вращательного движения, колебательная, упругой деформации, тепловая, химическая, ядерная, полевая. Все виды энергии классическая термодинамика рассматривает только на макроуровне, т, е. на уровне ТРТ.

1.14. Внутренняя и внешняя энергии Представим энергию И" термодинамической системы, находящейся во внешней среде, как сумму внутренней ЕТ и внешней л' энергий: И'= ст+.Е. (1.57) Внутпренняя энергия — это сумма энергозатрат на образование системы из исходных элементов. Энергиям, находя- 55 Глааа П Основные понятия и определения щимся в начальных состояниях исходных элементов, могут быть присвоены любые (даже нулевые) значения. В качестве таких элементов могут выступать атомы, молекулы или простые вещества, находящиеся в определенном состоянии.

Внешняя энергия — это сумма энергозатрат на то, чтобы разместить систему в конкретных условиях окружающей среды. Если термодинамическая система массы т движется со скоростью и как единое целое, то ее кинетическая энергия тиг кил 2 Потенциальная же энергия системы определяется гравитационным полем (высотой г„„центра масс системы над уровнем моря, принимаемым за нуль отсчета), и ускорением силы тяжести я: Енот = те яыс' Внутренняя энергия сТ вЂ” это энергия, заключенная в термодинамической системе и зависящая только от ее собственного состояния.

Она равна сумме всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему: внутренней кинетической энергии теплового движения молекул, внутренней потенциальной энергии взаимодействия молекул и нулевой энергии (внутренняя энергия при температуре абсолютного нуля)' (1.58) Полная внутренняя энергия термодинамической системы слагается не только из энергии образующих ее молекул, но включает также и внутримолекулярную и внутриатомную энергии, которые обусловлены взаимодействием атомов и электронов друг с другом и с ядрами атомов.

При температуре абсолютного нуля все эти составляющие, в отличие от тепловой энергии, не равны нулю, а следовательно, и внутренняя энергия никогда не может быть равна нулю. В термодинамике рассматривается не абсолютное значение внутренней энергии, а только ее относительное изменение, происходящее в различных процессах, а поэтому С~ может считаться нулевым уровнем энергии с'о = О, от которого удобно отсчитывать все изменения энергии при анализе различных процессов ее превращения. 1 Л4.

Внутренняя и енешняя энергии 3 ~ поят 2 кп~ ' (1.60) где п — число частиц. Представим теперь внутреннюю энергию всеми ее составляющими: т. е. постоянной величиной, связанной с выбором нуля отсчета внутренних энергий„кинетической энергии движения системы, потенциальной энергией взаимодействия между частицами, ядерной, химических связей между атомами, тепловой, энергией поверхностного натяжения, энергией макроскопического движения внутри системы, упругих деформаций и полевой.

57 Внутренняя потенциальная энергия взаимодействия молекул Е1 „зависит от расстояния между молекулами и от их взаимного расположения. Она определяется суммированием потенциалов взаимодействия (см. равд. 1.8) всех возможных пар молекул.

Кинетическая энергия теплового движения молекул определяется в виде суммы таких составляющих, как поступательная, вращательная и колебательная энергии: (1.69) Интенсивность каждого вида движения молекул зависит от температуры газа. При повышении температуры, т. е.

при нагревании системы, и скорость, и кинетическая энергия молекул возрастают. Внутренняя энергия Г зависит и от объема, занимаемого ТРТ, поскольку от него зависят расстояния между молекулами: Г = К(и', Т). В идеальном газе силы дальнодействия между молекулами отсутствуют (потенциальная энергия равна нулю), а объем, который они занимают, тоже равен нулю (см. равд. 1.9), следовательно, внутренняя энергия идеального газа состоит только лишь из кинетической энергии движения молекул, т.

е. определяется одной только температурой Г = )(Т). Вид этой функции позволяет установить молекулярно-кинетическая теория идеального газа: Глава К Основные понятия и определения По поводу составляющих внутренней энергии можно отметить следующее: Ф внутренняя энергия в термодинамике определяется с точностью до постоянной С"о, которая выбирается исходя из удобства вычислений и часто просто равна нулю; ° в списке слагаемых внутренней энергии те компоненты, которые в исследуемом процессе не изменяются, могут не учитываться.

Например, при отсутствии цдерных превращений или химических реакций соответствующие компоненты просто отбрасываются; ° тепловую энергию ТРТ можно представить как сумму кинетической энергии поступательного движения молекул относительно центра масс ТРТ, кинетической энергии вращательного движения молекул относительно собственных центров масс, энергии колебательного движения атомов в молекуле, энергии возбуждения электронов в атомах и молекулах; ° энергия поверхностного натяжения имеется у всех конденсированных (жидких и твердых) тел.

Если тело не слишком мало, то этой энергией можно пренебречь, но для частиц эмульсии или тумана энергия поверхностного натяжения существенна; ° примерами макроскопических движений являются вращение маховика, течение потоков жидкости и газа, причем эти движения происходят внутри системы в связанной с ней системой координат; ° примерами упругих деформаций являются сжатие — растяжение пружины, изгиб и растяжение мембран внутри системы или за счет приложения внешних сил, прикладываемых на границе системы; ° полевая энергия складывается из энергий магнитного, электростатического, электромагнитного и гравитационного полей, генерируемых внутри самой системы либо проникающих туда извне; ° для идеального газа слагаемыми внутренней энергии остаются только лишь энергии поступательного и вращательного движений.

58 1,16. Способы энергомассообмена 1.15. Энтальпия Как будет видно из дальнейшего, важную роль в самых разнообразных термодинамических расчетах играет сумма внутренней энергии системы и произведение давления в системе р на ее объем Ъ', которую ввел в практику тепловых расчетов Дж.

Гиббс и которая по предложению Х. Камерлинг-Оннеса была названа энтпальпией: Н = Сг+ рИ или для 1 кг й = и + ро, (1.62) где (г — внутренняя энергия для произвольного количества газа; р$' — работа, которую надо затратить, чтобы раздвинуть среду и поместить в нее термодинамическую систему. При р = сопзФ имеем ) р с(1г = рн'. Произведение ртг можно о интерпретировать как потенциальную энергию сжатого газа. Таким образом, энтальпия — это полная энергия неподвижного ТРТ, находящегося в поле сил давления окружающей среды. 1.