Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Не сув!ествует материалов, из которых можно было бы изготовить оболочку для удержания вещества в таком состоянии ') . з 14) Внутргннлл эперг я. 'Ганям образом, не всогда возможно даже приближенно осуществить влиабатическую изоляцию системы. В этих условиях понятие адиабатической оболочки нревращаегся в абстракцию, лишенную реального содержа. ния. Становится бессодержательным и определение внутренней энергии с помощью аднабатической оболочки. Суи1ествует, по-видимому, единственный путь, каким может быть преодолена эта трудность. Он дается на основе представлений молекулярно-кинетической теории.

В этом случае внутренняя энергия тела определяется как сумма кинетической энергии внутренних движоний составляющих его частиц (молекул, атомов, электронов и т. н.) и потенциальной енергии силовых нолей, с помощью которых осуществляется взаимодействие между этими частицами. Однако если температуры не очень высоки, определение внутренней энергии, неиснользующее нредставление об адиабатической оболочке, вполне возможно и более соответствует духу аксиоматической термодинамики. 6.

Следует подчеркнуть, что, говоря о внутренней энергии, отвлекаются от макросконнческих движений системы и от воздействий на нее внешних силовых полей. Внутренняя энергия зависит только от параметров, характеризующих внутреннее состояние тела. но не может явно зависеть от его макроскопического движения и от внешних сил, действуюн1их на тело. Понятие внутренней энергии, строго говоря, относится к телам. находящимся в состоянии термодинамического равновесия. На неравновесные состояния оно может быть распространено в тех слу.чаях, когда рассматриваемая система тел может быть разделена на достаточно малые макроскопические части, каждая из которых в рассматриваемый момент времени практически находится в равновесном состоянии. В такой системе различные малые макросконические части могут двигаться с различными скоростями, находиться под разными давлениями н иметь разные температуры.

В этих случаях полная энергия системы складывается нз: 1) кинетической энергии движения ее макросконических частей; 2) потенциальной энергии системы в цоле внешних сил и 3) внутренней энергии. Внутренняя энергия в свою очередь состоит из суммы внутренних энергий макроскопических подсистем, на которые мысленно можно разделить всю систему, а также энергии взаимодействия этих подсистем. Взаимодействие между подсистемами осуществляется посредством,молекулярных сил, действие которых простирается на малые расстояния порядка !О в — 10 ~ см.

Ввиду этого энергия взаимодействия макроскопических подсистем пропорциональна площади поверхности, вдоль которой они соприкасаются между собой. Она называется поэтому иоеершцостной энергией. В болынинстве случаев управляемой термоядерной реакции. Г!лазму пытаются удерживать с помощью сильных магнитных полей, воздействующих на заряхгонные частицы, из которых она состоит. Но таким путем не может быть достигнута полная азиабатическая изоляция системы, хотя бы ужо потому, чго плазма, нагретая до весьма высоких температур, интенсивно теряет энергию на электромагнитное излучение. Кроме того, силовые поля, удерживающие плазму, оказывают влияние на ее состояние и, следовательно, меняют запас эноргии в ней.

! Гл. 1! Первое начало пэгрлэодинам ива 56 поверхностной энергией пренебрегают, так как ею обладают только молекулы тонкого пограничного слоя, объем которого пренебрежимо мал по сравнению с объемами самих подсистем. В таком приближении внутренняя энергия обладает свойством аддитивности, т.е.

внутренняя энергия системы равна сумме внутренних энергий подсистем, из которых она состоит. Но пренебречь поверхностной энергией можно не всегда. Например. этого нельзя делать при рассмотрении явлений иоаерлээостэюго ґапьяаютпил„так как сами эти явления обусловлены именно натичием поверхностной энергии. Если адиабатическая оболочка, в которую заключена система, жесткая, то прп всех процессах работа системы равна нулю. При отсутствии внешних силовых полей такая система является изолированной или замкнутой. Ее внутренняя энергия при любых изменениях сохраняется постоянной. 7.

Приведенное выше термодинамическое определение внутронней энергии указывает принципиальный способ измерения этой величины. ,~1ля этого тело надо адиабатически изолировать и измерить работу. производимую над ним внешними силами, когда тело переходит по любому пути из нулевого состояния в рассматриваемое или обратно. Таким путем можно найти внутреннюю энергию тела как функцию макроскопических параметров, характеризующих его состояние. В результате тело будет «энергетически проградуированом т.е. каждому состоянию его будет поставлено в соответствие вполне определенное значение внутренней энергии. '!'акое тело может быть использовано в качестве калориметра для измерения внутренней энергии других тел.

Всякий калориметр, в сущности, представляет собой тело, помещенное в жесткую адиабатическую оболочку и проградуированнос по внутренней энергии. '1'акое тело называют калери метрическим телом. В ту же оболочку могут помещаться другие тела, внутреннюю энергию которых требуегся измерить.

Квлориыетрическим телом может служить, например, определенная масса воды или другой жидкости. Внутренняя энергия жидкости практически зависит только от температуры, так как давление обычно поддерживается постоянным или меняется мало. Малые же изменения давления, ввиду ма.лой сжимаемости жидкости, практически не сказывакэтся на ее внутренней энергии.

Измерение внутренней энергии тела н калориметре сводится к более удобной манипуляции — измерению темпе!затуры. !"сли температура тела, погруженного в калориметр, отличается от температуры калориметра, то начнется процесс выравнивания температур. Внутренние энергии тела и калориметра начнут меняться, пока в системе не установится общая температура. Внутренняя энергия, потерянная телом, будет равна внутренней энергии, полученной калориметром, так как тело и калориметр образуют замкнутую систему, энс!згия которой меняться не может. Таким образом, по изменению внутренней энергии калориметра можно судить об изменении внутренней энергии 5 [5) Количество теилоти рассматриваемого тела.

С изложенной здесь точки зрения классические работы Джоуля по определению механического эквивалента теплоты сводятся к градуировке водяного калориметра в механичсских единицах энергии. й 15. Количество теплоты. Математическая формулировка первого начала термодинамики 1. Если система помещена в адиабатическую оболочку, то единственным способом изменить ее внутреннюю энергию является производство над ней макроскопической работы, что достигается путем изменения внешних параметров.

(К числу внешних параметров относятся и силовые поля, в которые помещена система.) Однако если адиабатической изоляции нет, то изменение внутренней энергии возможно и без производства макроскопичсской работы. Так. при соприкосновении горячего и холодного тел внутренняя энергия пероходит от горячего тела к холодному, хотя при этом макроскопическая работа и не совершается.

Процесс обмена онутреппими энергиями соприкасагои[ихся п1ел, не сопроооглсдспоьцийся произоодсн[оом мапроскопической работы, пазыеаетля теплообменом. Энергия, передолшая телу онруэк:а~ощей средой а результате теплообмена. нахыоается количеством теплоты, или простпо теплотой, получегтой гпелом о таком процессе. Изменение внутренней энергии тела во время теплообмена. в сущности. обусловлено также работой каких-то внешних сил, ~о это не есть макроскопическая работа, связанная с изменением внешних макроскопических параметров.

Она является микроскопической работой, т.е. складывается из работ, производимых молекулярными силами, с которыми на молекулы и атомы тела действуют молекулы и атомы окружающей среды. Так. при приведении тела в контакт с горлчим газом передача энергии от газа к телу осуществляется посредством столкновений молекул газа с 1 молекулами тела. 2. Сформулируем математически начз- А В ло термодинамики с учетом теплообмена.

Пусть интересующая нас термодияамиче- П сказ система 1 (рис. 15) находится в тепловом контакте с какой-то системой П. Вся система 1+ П заключена в адиабатическую оболочку, однако граница АВ между систе- Рис. 15 мами является теплопроводя~[ей. При этих условиях система!+П не может обмениваться теплотой с окружающей средой, однако теплообмсн между системами ! и П может происходить. Допустим далее, что оболочка, в которую заключена система П, жесткая, так что никакой работы система П производить не может. ) Гл. 1! Первое начало пьермодинам иьт Система 1, напротив, может совершать работу над окружающей средой.

На схематическом рис. 15 система ! изображена в виде цилиндра с подвижным теплонепроводящим поршнем. Стенки цилиндра — адиабатические. а дно А В может проводить тепло. Адиабатические стенки на рисунке изображены двойными линиями, проводящая перегородка Л П вЂ” сплошной тонкой линией. Пусть система ! + П перешла из произвольного состояния 1 в другое состояние 3, в результате чего системой совершена работа Аьг над инешними телахьи. Эту работу совершила только система 1. Так как составная система 1 + П адиабатически изолирована, то А = (П + П') — (П + Пг).

где П внутренняя энергия системы 1, а Г системы П. Поскольку нас интересует поведение только системы 1, перепишем это соотношение так: А12 = !'1 !.2+1~'1 П2) Убыль внутренней энергии системы П есть, по определению, количество теплоты, полученное системой 1 в рассматриваельоль процессе. Обозначим зту величину через ЯУ.

Тогда по определению (У = Пь' — П,', = — Мl'. (15.1) и предыдущее соотношение примет вид (15.2) О = сьа — сьь + А12. Это уравнение и дает льатематическую формулировку первого начала термодинамики. Оно утверждает, что теплота Сь, поьпзчешшя системой, идель на прирашеььие ее вььутреиией энергии 221ь' = П2 — Пь и иа производстоо ьтеоиьей роботы.

Характеристики

Список файлов книги