Розділ «3.3 Закон збереження енергії в макроскопічних процесах»

Температура — одна з величин, що залежать тільки від внутрішнього стану тіла.

Нижче на основі другого закону термодинаміки буде показано, як визначається температурна шкала, що не залежить від властивостей тіла, обраного для вимірюванг ня температури.

Абсолютна температура пропорційна середній кінетичній енергії поступального руху молекул речовини. Саме в цьому полягає фізичний зміст температури.

Температура є термодинамічним параметром, або параметром стану системи. Крім температури, термодинамічними параметрами системи є тиск р і об'єм системи V.

Параметри стану p, V, Т системи, що перебуває у стані термодинамічної рівноваги, не є незалежними. Дослідним шляхом можна одержати функціональну залежність рівноважного тиску р у системі від об'єму й температури

тобто одержати рівняння стану системи.

Якщо один з параметрів системи змінюється, то відбувається зміна стану термодинамічної системи; ця зміна стану дістала назву термодинамічного процесу

Ізопроцесами називаються термодинамічні процеси, що відбуваються в системі з постійною масою при якому-небудь одному постійному параметрі стану.

Ізотермічний процес відбувається за умови постійної температури (T- const).

Ізохоричний (ізохорний) процес відбувається за умови постійного об'єму (V = const).

Ізобаричний (ізобарний) процес протікає за умови постійного тиску (р = const).

Адіабатним (адіабатичним) процесом називається термодинамічний процес, що відбувається в системі без теплообміну із зовнішніми тілами.

Стан системи можна описати за допомогою фізичних величин, які називаються функціями стану. Зміни функцій стану при термодинамічних процесах не залежать від виду цих процесів. Функції стану однозначно визначаються значеннями параметрів початкового й кінцевого станів системи. Найпростішими функціями стану системи є її внутрішня енергія U й ентропія S.

Найбільш простий вигляд має рівняння стану ідеального газу. Ідеальним газом називається газ, у якого енергія- потенційної взаємодії між молекулами настільки мала, що нею можна знехтувати, а самі молекули займають настільки малий об'єм порівняно з об'ємом газу, що його можна не брати до уваги. В ідеальному газі молекули взаємодіють тільки при зіткненнях. У реальних газів (сильно стиснутих газів) молекули зазнають сили міжмолекулярної взаємодії. Гази, що перебувають в умовах тисків, близьких до атмосферного, можна вважати ідеальними газами.

Для ідеального газу рівняння стану набуває форми, що дістала назву рівняння Менделєєва-Клапейрона:

Довільна термодинамічна система, що перебуває в якому завгодно термодинамічному стані, має повну енергію, що складається з кінетичної енергії механічного руху системи як цілого; потенційної енергії системи в зовнішніх силових полях (наприклад, електромагнітному, гравітаційному); внутрішньої енергії U.

Внутрішньою енергією термодинамічної системи називається енергія, яка залежить тільки від термодинамічного стану системи. Для нерухомої системи, що не зазнає дії зовнішніх силових полів, внутрішня енергія збігається з повною енергією. Внутрішня енергія містить у собі енергію усіх видів внутрішніх рухів у системі й енергію взаємодії всіх частинок (атомів, молекул, іонів і т.д.), що входять до системи.

Наприклад, внутрішня енергія газу багатоатомних молекул складається з: а) кінетичної енергії теплового поступального й обертального руху молекул; б) кінетичної і потенційної енергії коливань атомів у молекулах; в) потенційної енергії, зумовленої міжмолекулярними взаємодіями; г) енергії електронних оболонок атомів та іонів; д) кінетичної енергії і потенційної енергії взаємодії протонів і нейтронів у ядрах атомів.

Доданки г) і д) звичайно не змінюються в процесах, що відбуваються при не дуже високих температурах, коли іонізація і збудження не відіграють істотної ролі. У цих умовах доданки г) і д) не враховуються в балансі внутрішньої енергії. Для ідеального газу не враховується також доданок в).

Внутрішня енергія є однозначною функцією термодинамічного стану системи. Значення внутрішньої енергії в будь-якому стані не залежить від того, за допомогою якого процесу система досягла даного стану. Зміна внутрішньої енергії при переході системи зі стану 1 у стан 2 дорівнює