Akademik

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ: энергия физ. системы, зависящая от её внутр. состояния. В. э. включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т. д.) и энергию вз-ствия этих ч-ц. Кинетич. энергия движения системы как целого и её потенц. энергия во внеш. силовых полях в В. э. не входят. В термодинамике и её приложениях представляет интерес не само значение В. э. системы, а её изменение при изменении состояния системы. Поэтому обычно принимают во внимание только те составляющие В. э., к-рые изменяются в рассматриваемых процессах изменения состояния в-ва. , Понятие «В. э.» ввёл в 1851 англ. учёный У. Томсон (лорд Кельвин), определив изменение В. э. (DU) физ. системы в к.-н. процессе как алгебр. сумму количеств теплоты Q, к-рыми система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершённой системой или произведённой над ней:

DU=Q+A. (*)

Принято считать работу положительной, если она производится системой над внеш. телами, а кол-во теплоты положительным, если оно передаётся системе. Ур-ние (*) выражает первое начало термодинамики — закон сохранения энергии в применении к процессам, в к-рых происходит передача теплоты. Согласно закону сохранения энергии, В. э. явл. однозначной ф-цией состояния физ. системы, т. е. однозначной ф-цией независимых переменных, определяющих это состояние, напр. темп-ры Т и объёма V (или давления р). Однозначность В. э. приводит к тому, что, хотя каждая из величин Q и А зависит от хар-ра процесса, переводящего систему из состояния с В. э. U1 в состояние с энергией U2, изменение DU определяется лишь значениями В. э. в нач. и кон. состояниях: DU=U2-U1. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первонач. состояние (U2=U1), изменение В. э. равно нулю и Q=A (см. КРУГОВОЙ ПРОЦЕСС). Изменение В. э. системы в адиабатическом процессе (т. е. при Q=0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой: DU=A ад. В случае простейшей физ. системы с малым межмол. вз-ствием — идеального газа — изменение В. э. сводится к изменению кинетич. энергии молекул:

DU=МсVDТ,

где М — масса газа, cV — уд. теплоёмкость при пост. объёме. . Поэтому DU для идеального газа определяется только изменением темп-ры Т (закон Джоуля). В физ. системах, ч-цы к-рых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, тв. тела), В. э. включает также энергию межмол. и внутримол. вз-ствий. В. э. таких систем зависит как от темп-ры, так и от давления (объёма).

Экспериментально может быть измерено только изменение В. э. в к.-л. физ. процессе, то есть В. э. определяется с точностью до пост, слагаемого. Методы статистической физики позволяют в принципе теоретически рассчитать В. э. физ. системы, но также лишь с точностью до пост. слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.

В области низких темп-р при Т->0 В. э. конденсированных систем (жидких и тв. тел) приближается к определ. пост. значению U0 (см. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ). Значение U0 может быть принято за начало отсчёта В. э.

В. э. явл. термодинамич. потенциалом (как ф-ция энтропии S и объёма V), дифференцированием U по S и V можно определить ряд других параметров системы.