Термодинамический процесс
Тепло (Q) — это энергия, которая передается от одного объекта к другому из-за разницы температур. В контексте систем и окружающей среды тепло — это энергия, перемещающаяся из системы в окружающую среду или из окружающей среды в систему из-за разницы температур. Если температура системы выше температуры окружающей среды, тепло будет перетекать из системы в окружающую среду. Если температура окружающей среды выше температуры системы, то тепло будет перетекать из окружающей среды в систему.
Тепло (Q) — это энергия, которая перемещается за счет разницы температур, тогда как работа (W) связана с передачей энергии посредством работы. Например, если система совершает работу над окружающей средой, то энергия перемещается из системы в окружающую среду. И наоборот, если окружающая среда совершает работу над системой, то энергия перемещается из окружающей среды в систему.
Внутренняя энергия и первый закон термодинамики
Внутренняя энергия (U) системы — это сумма всей кинетической энергии молекул в системе плюс количество всей потенциальной энергии, возникающей в результате взаимодействия между молекулами в системе. Если тепло поступает из окружающей среды в систему (система получает энергию), энергия в системе увеличивается. И наоборот, если система совершает работу над окружающей средой (система выделяет энергию), энергия в системе уменьшается.
Согласно закону сохранения энергии, изменение внутренней энергии в системе равно: количество тепла, добавленного к системе (система получает энергию), минус работа, совершаемая системой (система выделяет энергию).
ΔU = изменение внутренней энергии, Q = тепло, W = работа
Внутренняя энергия — это микроскопическая величина системы, поэтому её значение невозможно определить. Изменения внутренней энергии можно определить по энергии, добавленной к системе, и энергии, выделенной системой в виде тепла и работы. В отличие от этого, макроскопические величины, такие как температура (T), давление (p), объём (V) и масса (m) или количество молей (n), известны.
Тепло и работа участвуют только в процессе передачи энергии между системой и окружающей средой. Тепло и работа не являются величинами, определяющими состояние системы.
Правила обозначения теплоты (Q) и работы (W)
Правила знаков для теплоты и работы скорректированы в соответствии с уравнением первого закона термодинамики. Теплота (Q) в приведенном выше уравнении — это теплота, которая добавляется к системе (Q положительно), а работа (W) — это работа, совершаемая системой (W положительно). Если теплота покидает систему, то Q отрицательно. Если работа совершается над системой, то W отрицательно.
Пример 1:
Если к системе добавить 2000 Джоулей тепла, при этом система совершит 1000 Джоулей, насколько изменится внутренняя энергия системы?
Решение
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Джоулей.
Система поглощает 2000 Джоулей тепла (система получает энергию), а также совершает работу в 1000 Джоулей (система выделяет энергию). Изменение энергии системы = 1000 Джоулей.
Пример 2:
Из системы уходит 2000 Джоулей тепла. Система совершает работу в 1000 Джоулей. Рассчитайте изменения внутренней энергии системы.
Решение
Если система выделяет тепло, то Q отрицательно.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Джоулей.
Система выделяет 2000 джоулей тепла. Система также совершает работу в 1000 джоулей (система выделяет энергию). Таким образом, внутренняя энергия системы уменьшается на 3000 Дж.
Пример 3:
К системе добавлено 2000 Джоулей тепла, и над системой совершена работа в 1000 Джоулей. Рассчитайте изменение внутренней энергии системы.
Решение
Работа над системой была выполнена, поэтому W отрицательно.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Джоулей.
Внутренняя энергия системы увеличивается на 3000 Джоулей.
