ГЛАВА 20. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ГАЗА. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Внутренняя энергия жидкостей и твердых тел определяется суммой кинетических энергий молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Из-за огромного количества молекул, неизвестных законов их взаимодействия и их распределения по расстояниям друг от друга последнюю величину вычислить невозможно. Поэтому простого выражения для внутренней энергии жидкостей и твердых тел не существует.

Если каждая молекула газа состоит из двух, трех, ... атомов (двух-, трех-, ...атомный газ), то с вращением молекулы вокруг своей оси и с колебаниями атомов в молекуле друг относительно друга связана определенная энергия. Поэтому внутренняя энергия двух-, трех-, ...атомного газа определяется суммой энергии поступательного движения (выражение (20.2)), энергии вращения и энергии колебаний. Как показывает опыт вклады этих слагаемых в полную внутреннюю энергию газа является различным при разных температурах. При температурах ниже 100 К внутренняя энергия двухатомного идеального газа (если, конечно, газ при этих условиях остается газом) определяется формулой (20.2), при комнатных – формулой, аналогичной (20.2), но с числовым коэффициентом 5/2, при температурах 1500 К (если молекулы газа не диссоциируют при этой температуре на атомы) - формулой, аналогичной (20.2), но с числовым коэффициентом 7/2. При решении задач для внутренней энергии двухатомного газа, как правило, используют формулу (20.2) с коэффициентом 5/2.

Чтобы изменить внутреннюю энергию идеального газа нужно изменить его температуру. При этом существуют два механизма такого изменения. Во-первых, можно привести газ в тепловой контакт с более горячим телом. Тогда при столкновениях медленных молекул газа с более быстрыми молекулами горячего тела первым в каждом акте столкновений передается некоторая энергия. В результате внутренняя энергия газа увеличивается, тела — уменьшается. Количество энергии, переданной газу в процессе хаотических столкновений молекул, называется количеством теплоты Q, переданной газу. В результате передачи теплоты имеем

(20.3)

где U — изменение или приращение внутренней энергии газа, равное разности его конечной и начальной внутренних энергий.