Конспект урока: Основы термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы. Изменение внутренней энергии термодинамической системы в результате совершения работы. Изменение внутренней энергии термодинамической системы в результате теплообмена

Термодинамическая система как объект изучения

Вам уже известно, что любое физическое тело можно рассматривать как систему, которая состоит из непрерывно движущихся, взаимодействующих между собой частиц — молекул или атомов. Молекулы могут взаимодействовать с частицами внешней среды, не входящими в данную систему, в результате чего энергия рассматриваемой системы может измениться. Изучением подобных взаимодействий занимается специальный радел физики — термодинамика, а рассматриваемые системы называются термодинамическими.

Состояние термодинамической системы в любой момент времени описывают термодинамические величины, к которым относятся давление, объём, температура и другие.

Внутренняя энергия термодинамической системы

Из курса механики вы уже знаете, что движущиеся тела обладают кинетической энергией Е_кин, два взаимодействующих тела — потенциальной энергией Е_пот. Полная механическая энергия тела представляет собой их сумму: Е = Е_кин + Е_пот.

Рис. 1. Пуля, обладающая кинетической энергией

Вспомним, что кинетическая энергия тела пропорциональна квадрату скорости и находится по следующей формуле: 
$E_{\mathrm{кин}}=\frac{m · {\upsilon }^2}{2}$. Тело, обладающее кинетической энергией, может совершать работу, пока полностью не потеряет скорость. Так, летящая на большой скорости пуля расходует свою кинетическую энергию на преодоление сил сопротивления воздуха и поражение цели 
(рис. 1).

Рис. 2. Вода, обладающая потенциальной энергией

Тела, обладающие потенциальной энергией, также могут совершать работу. Камень, удерживаемый на некоторой высоте над землёй, обладает энергией $E_{\mathrm{пот}} = m · g · h$. Соответственно, падая на землю, он может совершить работу, численно равную этой энергии, например, чтобы разбить кокос. Вода, удерживаемая плотиной, обладает огромным запасом потенциальной энергии — эту энергию используют для получения электроэнергии (рис. 2).

При изучении данных понятий физические тела рассматривались как единое целое: все точки системы двигались с одной скоростью и в одном направлении. Термодинамика описывает движение и взаимодействие частиц, из которых состоит тело. Так как молекулы любого тела находятся в непрерывном движении, они тоже обладают кинетической энергией E_{кин мол}. Здесь кинетическая энергия не зависит от скорости самого тела, но зависит от средней скорости молекул, из которых оно состоит. Также известно, что молекулы взаимодействуют между собой, значит, они обладают потенциальной энергией E_{пот мол}. Эта энергия не зависит от положения тела относительно земли, но зависит от расстояния между молекулами. Сумма этих энергий называется внутренней энергией тела U:

$U = E_{\mathrm{кин} \mathrm{мол}} + E_{\mathrm{пот} \mathrm{мол}}$.

Рис. 3. Если придать мячу скорость, его кинетическая энергия увеличится, однако кинетическая энергия молекул при этом не изменится

Покоящееся тело не обладает кинетической энергией Е_кин = 0. Но молекулы этого тела непрерывно движутся, следовательно, кинетическая энергия молекул нулю не равна E_{кин мол} > 0. Если привести тело, находившееся в покое, в движение (рис. 3), его кинетическая энергия увеличится, однако скорость молекул при неизменной температуре останется постоянной — кинетическая энергия молекул не изменится E_{пот мол} = const. Кинетическая энергия молекул зависит от температуры: с её ростом увеличивается скорость хаотического движения молекул, следовательно, возрастает их кинетическая энергия.

Если поднять тело на некоторую высоту над землёй, потенциальная энергия тела возрастёт, тогда как потенциальная энергия молекул при этом не изменится: 
E_{пот мол} = const. С другой стороны, если нагреть твёрдое тело, оно увеличится в объёме — увеличится расстояние между молекулами, потенциальная энергия молекул при этом возрастёт, но потенциальная энергия тела не изменится, так как положение тела относительно земли останется прежним.

Итоги

• Термодинамическая система — совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами.
• Внутренняя энергия термодинамической системы — это сумма кинетических энергий теплового движения всех молекул и потенциальных энергий их взаимодействия: $U = E_{\mathrm{кин} \mathrm{мол}} + E_{\mathrm{пот} \mathrm{мол}}$.
• Кинетическая энергия молекул определяется только скоростью хаотического движения молекул и не зависит от скорости самого тела; кинетическая энергия молекул увеличивается при повышении температуры тела.
• Потенциальная энергия молекул определяется только взаимным положением молекул и не зависит от положения тела в пространстве.