Конспект урока: Термодинамическая система. Внутренняя энергия и способы её изменения. Температура и тепловое равновесие

Термодинамическая система

Любой макроскопический объект (стол, кружка, машина, человек) состоит из огромного количества молекул. Если пытаться описать поведение каждой молекулы по-отдельности, то потребуется огромное количество уравнений, с которыми не справится ни один суперкомпьютер. В термодинамике мы будем рассматривать макроскопическое тело как единую систему, вводя термодинамические параметры, которые описывают всю систему в целом.

Рис. 1. Термодинамическая система

Для описания явлений в термодинамике используются понятия «термодинамическая система» и «термодинамический процесс». Совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой. Любое изменение, происходящее в термодинамической системе, называется термодинамическим процессом. 

Приведём примеры термодинамических систем. Термодинамической системой будут являться и деревянный брусок, и газ в сосуде, и жидкость в мензурке, и другие тела, окружающие нас в обычной жизни.

Главное содержание термодинамики состоит в двух её началах (законах) — первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же устанавливает направление возможных энергетических превращений в природе. Также существует нулевой и третий законы термодинамики, о которых будет упомянуто в следующем параграфе.

Внутренняя энергия

Понятно, что при протекании любого термодинамического процесса, молекулы системы будут взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой, тем самым изменяя свою энергия. Чтобы отследить общее энергетическое изменение термодинамической системы, введём новую физическую величину — внутренняя энергия $U$.

Одним из основных законов физики, установленных на основе опытов и наблюдений, является закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется так: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной: 

$U=const$ или $∆U=0$.

Изменение внутренней энергии

Два способа изменения внутренней энергии — теплопередача и совершение механической работы . Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. При механическом взаимодействии тел мерой энергии, переданной от одного тела к другому, является работа $A$: 

$U_{\mathrm{конеч}}=U_{\mathrm{нач}}+A$.
 

При осуществлении теплопередачи от одного тела к другому мерой переданной энергии является количество теплоты $Q$: 

$U_{\mathrm{конеч}}=U_{\mathrm{нач}}+Q$.
 

Совершение механической работы называется макроскопическим способом передачи энергии, а теплопередача — микроскопическим.

Первый закон термодинамики

Рис. 2. Иллюстрация к примеру

Рассмотрим три тела — 1, 2 и 3. Пусть между телом 1 и телом 2 осуществляется теплопередача, а между телом 1 и телом 3 происходит механическое взаимодействие (см. рис. 1). При теплопередаче количества теплоты $Q$ внутренняя энергия тела 2 изменится на $∆U_2=-Q$, 
а внутренняя энергия тела 3 в результате совершения работы изменится на $∆U_3=-A$. В результате теплопередачи и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трёх тел изменится, но в изолированной термодинамической системе, в которую входят все три тела, по закону сохранения и превращения энергии внутренняя энергия $U$ остаётся неизменной. Следовательно, сумма изменений внутренней энергии тел 1, 2 и 3 равна нулю:

$∆U_1+∆U_2+∆U_3=0$.

Выразим отсюда изменение внутренней энергии тела 1:

$∆U_1=-∆U_2-∆U_3$;

$∆U_1=Q+A$.

Так как тело 1 является неизолированной термодинамической системой, можно сделать общий вывод, который носит название первого закона термодинамики. 

Первое начало термодинамики часто называют законом сохранения энергии в природе. Энергия не может появиться из ничего или исчезнуть бесследно. Возможен лишь её переход от одного тела к другому или из одного вида в другой.

В дальнейшем при решении задач на первый закон термодинамики будет удобна следующая запись: 

$Q=∆U+A$.