1.4.1 Внутренняя энергия системы состоит из:

1) кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

2) потенциальной энергии взаимодействия частиц;

3) энергии электронных оболочек атомов;

4) внутриядерной энергии.

Внутренняя энергия есть некоторая однозначная функция состояния тела, т.е. любых двух параметров, определяющих это состояние:

.

Внутренняя энергия сложной системы определяется суммой энергий отдельных её частей, т.е. обладает свойством аддитивности.

Удельная внутренняя энергия – внутренняя энергия единицы массы вещества:

.

Так как внутренняя энергия есть функция состояния тела, то её изменение  в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса и определяется только начальным и конечным состоянием тела.

,

где ,  - значения внутренней энергии в начальном и конечном состояниях, соответственно.

Математически это означает, что бесконечно малое изменение внутренней энергии  есть полный дифференциал .

Работа расширения

Работа определяется произведением действующей на рабочее тело силы на путь её действия.

В случае изменения объёма системы на бесконечно малую величину будет совершаться работа

                                                  .                                     (1.10)

При конечном изменении объёма

                                                 .                                       (1.11)

Работа расширения – это работа  против сил внешнего давления, связанная с увеличением объёма системы.

Выражение (1.10) справедливо в общем случае и не зависит от формы сосуда, в который помещено рабочее тело, и показывает, что работа изменения объёма закрытой системы равна произведению давления на приращение объёма.

Так как - величина положительная, то  и всегда имеют одинаковые знаки:

если >0, то и >0, т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

если <0, то и <0, т.е. при сжатии работа тела отрицательна – не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа извне.

Единицей измерения работы в системе СИ является Джоуль (Дж).

Работа расширения 1 кг рабочего тела:

                                             .                                        (1.12)

Величина , представляющая собой удельную работу, совершаемую системой, содержащей 1 кг газа, равна:

                                                  .                                         (1.13)

В термодинамике для исследования равновесных процессов используют - диаграмму, в которой осью абсцисс служит удельный объём, а осью ординат – давление. Так как состояние термодинамической системы определяется двумя параметрами, то на - диаграмме оно изображается точкой. Работа процесса на - диаграмме изображается площадью, ограниченной кривой процесса, осью абсцисс и крайними ординатами (рис. 2). Работа изменения объёма эквивалентна площади под кривой процесса в диаграмме . (Её величина зависит от характера процесса, поэтому у бесконечно малой величины  используется символ , т.к. величина  в отличие от  не является полным дифференциалом).

Т.к. величина  пропорциональна увеличению объёма, то в качестве рабочих тел при преобразовании тепловой энергии в механическую выбирают тела, допускающие значительное увеличение объёма. Это газы и пары жидкостей (для ТЭС – пары воды, для ДВС – газообразные продукты сгорания жидкого топлива).

Теплота

Теплота – это мера микрофизической формы передачи энергии, т.е. осуществляемого на молекулярном уровне обмена энергией между системой и окружающей средой без совершения работы.

Теплота может передаваться при непосредственном контакте между телами – теплопроводностью, конвекцией, или на расстоянии - излучением. Этот процесс возможен только при наличии разницы температур.

Элементарное количество теплоты , так же как и , не является полным дифференциалом в отличие от дифференциала внутренней энергии . Эта символика имеет глубокий физический смысл различия понятий внутренней энергии, теплоты и работы.

Внутренняя энергия – это свойство самой системы, характеризующее состояние системы. Теплота и работа – это энергетические характеристики процессов теплового и механического взаимодействий системы с окружающей средой, характеризующие те количества энергии, которые переданы системе через её границы в определённом процессе.