Будь-яка система, що складається з великої кількості частинок — атомів, молекул, йонів та електронів, які здійснюють хаотичний тепловий рух і при взаємодії між собою обмінюються енергією, називають термодинамічною системою. Такими системами є гази, рідини й тверді тіла (їх ще називають макроскопічними тілами).

Стан термодинамічної системи зумовлюється температурою, об'ємом, тиском та іншими термодинамічними параметрами.

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною.

Внутрішня енергія ідеального газу обумовлюється лише кінетичною енергією руху молекул; потенціальною енергією їх взаємодії можна знехтувати.

Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу обчислюється за формулами

Теплопередача, або теплообмін,— процес передавання енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Існує три способи теплопередачі:

• теплопровідність;

• конвекція;

• випромінювання.

Теплопровідність — вид теплопередачі, за якої передавання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті й зумовлене взаємодією атомів і молекул, а також тепловим рухом вільних електронів. Висока теплопровідність, наприклад, у металів. Вовна, поролон та інші пористі тіла мають низьку теплопровідність. Вакуум теплопровідністю не наділений.

Конвекція — вид теплопередачі, за якої внутрішня енергія від одних тіл до інших передається рухомими струменями рідини чи газу. Конвекція приводить до виникнення вітру (бриз) на березі моря.

При випромінюванні теплообмін зумовлений передачею енергії світловим потоком (здебільшого інфрачервона ділянка гакали електромагнітних хвиль). Цей вид теплопередачі відрізняється від інших тим, що може здійснюватися в повному вакуумі. Випромінюванням передається на Землю і сонячна енергія.

Кількість теплоти ― міра зміни внутрішньої енергії тіла.

Тепловий баланс. Відповідно до закону збереження енергії: теплота не може безвісти зникнути або виникнути з нічого. Беручи участь у теплообмінному процесі, одні тіла віддають таку саму кількість теплоти, яку одержують інші. Ця умова називається тепловим балансом.

Кількість теплоти є позитивною, якщо тіло поглинає теплову енергію, і негативною, якщо її віддає.

Під час руху поршня в циліндрі молекули газу внаслідок пружних зіткнень з рухомим поршнем змінюють свою кінетичну енергію. Якщо поршень рухається назустріч молекулам, він передає молекулам у момент зіткнень частину своєї механічної енергії. (Пригадайте, у механіці ми розглядали задачі на пружну взаємодію тіл і розв’язували їх, застосовуючи закони збереження імпульсу та енергії.) У результаті збільшується кінетична енергія руху молекул, а отже, і температура газу. Таким чином механічна робота, яку виконує поршень, перетворюється у внутрішню енергію газу. Кажуть, що зовнішні сили виконують роботу A'.

Стиснутий газ, тиск якого більший за зовнішній, буде розширюватись. Молекули газу, що розширюється, зіткнувшись із поршнем, який віддаляється, зменшують свої швидкості, внаслідок чого газ охолоджується. Таким чином, газ виконує роботу А за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії.

Під час стискання або розширення змінюється й середня потенціальна енергія взаємодії молекул, оскільки при цьому змінюється середня відстань між ними.

Обчислення роботи газу. Виконання роботи в термодинаміці пов’язане зі зміною об’єму термодинамічної системи. Зручніше обчислити не A' — роботу сили F', що діє на газ з боку зовнішнього тіла (поршня), а A — роботу, яку виконує сам газ, діючи на поршень із силою F . Згідно з третім законом Ньютона F' = - F.

Модуль сили, яка діє з боку газу на поршень, F = pS, де p — тиск газу, а S — площа поршня.

Розширюючись, газ виконує додатну роботу, оскільки напрямок сили і напрямок переміщення поршня збігаються. Розширюючись, газ передає енергію навколишнім тілам.

Якщо газ стискається, тобто поршень пересувається у протилежному до сили F напрямку, то роботу газу визначають так само, але тепер A < 0, бо V > V₂.

Під час стискання V > V₂, тобто AV < 0, і робота зовнішніх сил додатна, A' > 0, напрямок сили та переміщення збігаються. Виконуючи над газом додатну роботу, зовнішні тіла передають йому енергію. Під час розширення, навпаки, робота зовнішніх сил — від’ємна, адже тепер напрямок сили й переміщення є протилежними.

Отримані вирази для обчислення роботи правильні не тільки для стискування чи розширення газу в циліндрі, а й за малої зміни об’єму будь-якої термодинамічної системи. Якщо ж процес ізобарний, ці формули можна застосовувати і для більших змін об’єму.

Якщо процес ізохорний, робота термодинамічної системи A = 0, адже V = const.

Робота дорівнює площі фігури під графіком і для інших процесів, якщо вони зображені в координатах p, V. Наприклад, розглянемо графік ізотермічного процесу. ΔV відмінне від нуля, отже газ виконує роботу. Але формулу A = pΔV використовувати не можна, оскільки її виведено для сталого тиску, а в ізотермічному процесі

тиск змінюється. Якщо ж взяти такий малий приріст об’єму ΔV, за якого зміною тиску можна знехтувати, то можна використовувати цю формулу. Таким чином, розбиваючи інтервал V₂ - V_x на малі інтервали Δν, можна на кожному з них обчислювати елементарну роботу ΔΑ. Повну роботу газу при ізотермічному процесі можна визначити як суму елементарних робіт ΔΑ. Це означає, що робота дорівнює площі фігури, обмеженої віссю абсцис, двома ординатами р₁ і р₂ та ізотермою.

Перший закон термодинаміки. У середині ХІХ ст. Джеймс Джоуль (1818 - 1889), Юліус фон Маєр (1814 - 1878) і Герман фон Гельмгольц (1821 - 1894), спираючись на проведені досліди, встановили закон, згідно з яким кількість енергії в природі незмінна, вона лише переходить від одних тіл до інших або перетворюється з одного виду в інший. Це твердження, як ми вже знаємо, називають законом збереження і перетворення енергії. Цей закон універсальний і може бути застосований до всіх явищ природи.

Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища, називають першим законом термодинаміки. Перший закон термодинаміки має загальний характер і застосовується до будь-яких без винятку явищ природи: механічне переміщення з тертям, нагрівання тіл, проходження електричного струму, світлові явища, радіоактивні перетворення хімічних елементів тощо. Усі наведені приклади супроводжуються виконанням роботи чи теплообміном.

Ураховуючи, що A = - A', перший закон термодинаміки можна записати і в такому вигляді:

Q = AU +А — передана системі кількість теплоти частково йде на збільшення її внутрішньої енергії і частково — на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

Історично встановлення цього закону було пов’язане зі спробами створення машини, яка б нескінченно довго виконувала роботу без надходження теплоти ззовні. У термодинаміці таку машину називають «вічним двигуном першого роду». Оскільки в цьому разі Q = 0, то A = - Δυ, тобто робота може виконуватись лише за рахунок зменшення внутрішньої енергії. З першого закону термодинаміки випливає неможливість побудови «вічного двигуна першого роду» — оскільки неможливо нескінченно довго виконувати роботу за рахунок скінченної кількості внутрішньої енергії якоїсь системи.

Якщо T = const (ізотермічний процес), то внутрішня енергія системи не змінюється (ΔU = 0). Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання газом роботи над зовнішніми тілами. Отже, Q = A.

В ізохорному процесі об’єм газу не змінюється, отже, A = 0. Тоді згідно з першим законом термодинаміки Q = ΔU — уся підведена до газу кількість теплоти витрачається на збільшення його внутрішньої енергії.

В ізобарному процесі кількість теплоти Q, передана газу за сталого тиску, витрачається на зміну його внутрішньої енергії та на виконання ним роботи над зовнішніми тілами. Формула зберігає свій загальний вигляд Q = ΔU + A.

З першого закону термодинаміки випливає можливість процесу, у якому Q = 0. Цей процес має важливе практичне значення й називається адіабатним процесом.

Адіабатний процес — це процес, що відбувається в теплоізольованій системі (без теплообміну із зовнішніми тілами).

Перший закон термодинаміки для адіабатного процесу має вигляд ΔU = A', оскільки Q = 0, то змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи, а ΔU = -A, тобто в адіабатному процесі система може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії.

Форми енергії і її зміни

Опис

Дізнайтеся, як при нагріванні та охолодженні заліза, цегли і води додається або зменшується енергія. Подивіться, як енергія передається між тілами. Побудуйте свою власну систему з джерелами енергії, змінами і користувачами. Відстежте й уявіть собі, як енергія переходить і змінюється в вашій системі.

Навчальні цілі

• Передбачте, як буде переходити енергія, коли тіла нагріваються або охолоджуються, або контактують тіла з різними температурами.

• Опишіть різні види енергії і наведіть приклади з повсякденного життя.

• Опишіть, як енергія може переходити з однієї форми в іншу.

• Поясніть збереження енергії в реальних системах.

• Розробіть систему з джерелами енергії, змінами, користувачами й опишіть, як відбуваються зміни енергетичних потоків і як відбуваються зміни одного виду енергії в іншій.

• Розкажіть про зміни енергії для реальних систем.