2.4.1. Внутрішня енергія. Кількість теплоти. Робота в термоди-наміці.
2.4.2. Перший закон термодинаміки.
2.4.3. Теплоємність ідеального газу.
2.4.4. Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно.
2.4.5. Необоротність теплових процесів. Другий закон термоди-наміки. Поняття про ентропію.
2.4.1. Внутрішня енергія. Кількість теплоти. Робота в термодинаміці
Термодинаміка – це наука про теплові явища. На противагу молекулярно-кінетичній теорії, яка ґрунтується на уявленнях про молекулярну будову речовини, термодинаміка виходить із найбільш загальних закономірностей теплових процесів і властивостей макроскопічних систем. Висновки термодинаміки спираються на сукупність дослідних фактів і не залежать від наших знань про внутрішню будову речовини, хоча в цілому ряді випадків термодинаміка використовує молекулярно-кінетичні моделі для ілюстрації своїх висновків.
Термодинаміка розглядає ізольовані системи тіл, які перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Це означає, що в таких системах зупинились всі макроскопічні процеси, які можна виявляти експериментально. Важливою властивістю термодинамічної рівноваги системи є вирівнювання температури всіх її частин.
Якщо термодинамічна система була піддана зовнішньому впливу, то в остаточному підсумку вона перейде в інший рівноважний стан. Такий перехід називається термодинамічним процесом. Якщо процес протікає повільно, то система, в кожен момент часу, буде все ближче наближатись до рівноважного стану. Процеси, які складаються із сукупності рівноважних станів, називаються квазістатичними.
Найважливішим поняттям термодинаміки є внутрішня енергія тіла. Усі макроскопічні тіла мають енергію, акумульовану всередині самих тіл. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія речовини складається з кінетичної енергії всіх атомів і молекул і потенціальної енергії їх взаємодії. Зокрема, внутрішня енергія ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій усіх частинок газу, які перебувають у безупинному й безладному тепловому русі. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від його температури і не залежить від об’єму.
Молекулярно-кінетична теорія дає можливість одержати формулу для визначення внутрішньої енергії одного моля ідеального одноатомного газу (гелій, неон і ін.), молекули якого перебувають лише у поступальному русі:
(2.4.1)
Оскільки потенціальна енергія взаємодії молекул залежить від відстані між ними, то у загальному випадку внутрішня енергія U тіла залежить поряд із температурою T також і від об’єму V:
U=U(VT). (2.4.2)
Таким чином, внутрішня енергія U тіла однозначно визначається макроскопічними параметрами, які характеризують стан тіла. Вона не залежить від того, яким шляхом був реалізований даний стан. Прийнято говорити, що внутрішня енергія є функцією стану.
Внутрішня енергія тіла може змінюватися, якщо зовнішні сили, що діють на тіло, виконують механічну роботу (позитивну або негативну). Наприклад, якщо газ стискають в циліндрі під поршнем, то зовнішні сили виконують над газом деяку позитивну роботу A'. У той же час сили тиску, що діють із боку газу на поршень, виконують роботу A = –A'. Якщо об’єм газу змінився на малу величину dV, то газ виконав роботу
