Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

работе (взятой со знаком минус), произведенной теми или иными си­ лами при изменении положения данного тела или его конфигурации. Так, при падении какого-либо тела работа производится силами гра­ витации, при этом происходит уменьшение потенциальной энергии. Например, тело весом 10 кг падает с высоты 10 см под действием силы тяжести. При этом изменение (в данном случае уменьшение) его потенциальной энергии равно:

—10 000 г - 980,7 см-сек~2- 10 см = —98,07- 10я эрг.

Чтобы вновь поднять данное тело на высоту в 10 см, необходимо за­ тратить работу, равную 98,07 ■ 10° эрг. •

Потенциальная энергия любого тела, находясь в скрытой форме, может оставаться неопределенно долгое время без всякого изменения.

Оба вида энергии — кинетическая и потенциальная — могут вза­ имно переходить друг в друга. Так, если какое-то тело (или частица его) поднимается вверх, то оно теряет кинетическую энергию и приоб­ ретает потенциальную. При этом кинетическая энергия переходит в потенциальную по мере того, как производится работа против сил тя­ готения.

Любая термодинамическая система обладает определенным запасом энергии, которая в термодинамике носит название внутренней энергии. Эта энергия складывается из кинетической и потенциальной энергии составляющих вещество молекул, атомов и субатомных частиц (ядер

иэлектронов). Внутренняя энергия тела (системы) включает также энергию поступательного, вращательного и колебательного движения,

атакже потенциальную энергию, обусловленную силами притяжения

иотталкивания, действующими между атомами, молекулами и суб­ атомными частицами. Обозначается внутренняя энергия буквой U. Она зависит от физического состояния вещества и не зависит от того, каким способом оно приведено в это состояние. Внутренняя энергия вещества является экстенсивным свойством, т. е. зависит от количества рассматриваемого вещества.

Полную внутреннюю энергию системы определить невозможно, наука в настоящее время не располагает такими методами. Однако можно экспериментально определить изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое. Если обозначить через Uу внутреннюю энергию системы в состоянии \, U2— ее внутрен­ нюю энергию в состоянии 2, то изменение энергии в процессе перехода этой системы из состояния 1 в состояние 2 будет равно:

Здесь символ Д употребляется для обозначения разности, причем все­ гда из величины, относящейся к конечному состоянию системы, вычи­ тается величина, относящаяся к начальному ее состоянию.

Согласно закону сохранения энергии (см. стр. 70) алгебраическая сумма изменений количеств всех видов энергии в любой изолированной системе равна нулю, т. е.

&U= 0.

— 69 —

В изолированной системе сумма всех видов энергии является вели­ чиной постоянной, так как она не изменяется в результате взаимодей­ ствия частей, составляющих данную систему, т. е.

Здесь 2 — знак суммирования, распространяющийся на все виды энергии, которая заключается в данной изолированной системе.

§ 20. Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии имеет абсолютный характер и яв­ ляется одним из наиболее общих законов природы. Он лежит в основе современного естествознания и представляет собой естественнонауч­ ное выражение неуничтожимости, несотворимости движения и способности взаимного преобразования одного вида движения в дру­ гой. Закон сохранения энергии является одним из фундаментальных положений диалектического материализма.

В основных чертах этот всеобщий закон природы впервые четко сформулирован в 1748 г. М. В. Ломоносовым в его письме к Л. Эйле­ ру. В 1756 г. Ломоносов обосновал законы сохранения материи и энер­ гии экспериментально. Дальнейшее экспериментальное обоснование и конкретизацию этот закон получил в середине XIX в. в работах выдающихся ученых разных стран: Лавуазье, Гесса, Карно, Майера, Джоуля, Гельмгольца.

Результаты, полученные учеными при изучении взаимных превра­ щений тепловой и механической форм энергии, были в дальнейшем распространены на все виды энергии. Исследователи установили, что превращение одного вида энергии в другой имеет строго эквивалент­ ный характер. При исчезновении известного количества одной формы энергии появляется строго определенное количество другой. Экви­

Закон сохранения энергии может быть сформулирован следующим образом:

Во всех явлениях природы анергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия может только превращаться из одной формы в другую, притом лишь в строго эквивалентных соотношениях.

— 70

§ 21. Первое начало термодинамики

Первое начало (или первый закон) термодинамики и есть закон сохранения энергии. Этот закон выполняется во всех явлениях при­ роды и подтверждается всем опытом человечества. Ни одно из его след­ ствий не находится в противоречии с опытом. Закон сохранения энер­ гии подтверждает положение диалектического материализма о вечности и неуничтожаемое™ движения, поскольку энергия, по определению Энгельса, есть мера движения при его превращениях из одной формы в другую.

Термодинамика рассматривает преимущественно две формы, в виде которых совершается превращение энергии — теплоту и работу. По­ этому первое начало термодинамики и устанавливает соотношение между тепловой энергией (Q) и работой (Л) при изменении общей энергии системы (AU). Изменение общей энергии системы выражается уравнением (II, 4).

Из постоянства запаса внутренней энергии изолированной системы непосредственно вытекает: в любом процессе изменение внутренней энергии какой-нибудь системы равно разности между количеством сообщенной системе теплоты и количеством работы, совершенной си­ стемой:

Это уравнение является математическим выражением первого начала термодинамики, которое в данном случае имеет следующую формули­ ровку: подведенное к системе тепло Q идет на увеличение внутренней энергии системы AU и на совершение внешней работы А.

Если изменение, претерпеваемое системой, бесконечно мало, то урав­ нение (11,7) первого начала термодинамики можно записать в следую­ щем виде:

гдебф — бесконечно малое количество теплоты (элементарная теплота), поглощаемое системой, dU — бесконечно малое приращение внутрен­

были выражены в одних и тех же единицах энергии; чаще всего их вы­ ражают в калориях.

Рассмотрим высказанные выше положения на конкретном примере.

П р и м е р . Найти изменение внутренней энергии при испарении 20 г воды при 20° С, приняв, что водяной пар подчиняется законам идеальных газов и что

-71 —