Введение
Внутренняя энергия термодинамической системы – это энергия, содержащаяся в ней, измеряемая как количество энергии, необходимое для перехода системы из её стандартного внутреннего состояния в текущее внутреннее состояние, с учётом притока и потерь энергии вследствие изменений её внутреннего состояния, включая такие величины, как магнетизация. Она не включает кинетическую энергию движения системы в целом и потенциальную энергию её положения относительно окружающей среды и внешних силовых полей. Она включает в себя тепловую энергию, то есть кинетические энергии движения составляющих частиц относительно движения системы в целом. Внутренняя энергия изолированной системы не может изменяться, что выражается в законе сохранения энергии – фундаментальном принципе первого закона термодинамики. Внутреннюю энергию нельзя измерить абсолютно. Термодинамика изучает изменения внутренней энергии, а не её абсолютное значение. Процессы, изменяющие внутреннюю энергию, представляют собой передачу в систему или из неё вещества или энергии в виде тепла или термодинамической работы. Эти процессы оцениваются по изменениям свойств системы, таких как температура, энтропия, объём, электрическая поляризация и молярный состав. Внутренняя энергия зависит только от внутреннего состояния системы и не зависит от конкретного выбора из множества возможных процессов, посредством которых энергия может поступать в систему или покидать её. Это функция состояния, термодинамический потенциал и экстенсивное свойство. Термодинамика определяет внутреннюю энергию макроскопически, для тела в целом. В статистической механике внутреннюю энергию тела можно проанализировать микроскопически с точки зрения кинетических энергий микроскопического движения частиц системы – поступательного, вращательного и колебательного, а также потенциальных энергий, связанных с микроскопическими силами, включая химические связи. Единицей энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж). Внутренняя энергия, отнесённая к массе в единицах Дж/кг, называется удельной внутренней энергией. Соответствующая величина, отнесённая к количеству вещества в единицах Дж/моль, называется молярной внутренней энергией.
The internal energy of a thermodynamic system is the energy contained within it, measured as the quantity of energy necessary to bring the system from its standard internal state to its present internal state of interest, accounting for the gains and losses of energy due to changes in its internal state, including such quantities as magnetization. It excludes the kinetic energy of motion of the system as a whole and the potential energy of position of the system as a whole, with respect to its surroundings and external force fields. It includes the thermal energy, i. e., the constituent particles' kinetic energies of motion relative to the motion of the system as a whole. The internal energy of an isolated system cannot change, as expressed in the law of conservation of energy, a foundation of the first law of thermodynamics. The internal energy cannot be measured absolutely. Thermodynamics concerns changes in the internal energy, not its absolute value. The processes that change the internal energy are transfers, into or out of the system, of matter, or of energy, as heat, or by thermodynamic work. These processes are measured by changes in the system's properties, such as temperature, entropy, volume, electric polarization, and molar constitution. The internal energy depends only on the internal state of the system and not on the particular choice from many possible processes by which energy may pass into or out of the system. It is a state variable, a thermodynamic potential, and an extensive property. Thermodynamics defines internal energy macroscopically, for the body as a whole. In statistical mechanics, the internal energy of a body can be analyzed microscopically in terms of the kinetic energies of microscopic motion of the system's particles from translations, rotations, and vibrations, and of the potential energies associated with microscopic forces, including chemical bonds. The unit of energy in the International System of Units (SI) is the joule (J). The internal energy relative to the mass with unit J/kg is the specific internal energy. The corresponding quantity relative to the amount of substance with unit J/mol is the molar internal energy.
Кардинальные функции
Внутренняя энергия системы зависит от её энтропии S, её объема V и числа массивных частиц: U(S,V,{Nj}). Она выражает термодинамику системы в энергетическом представлении. Как функция состояния, её аргументы являются исключительно экстенсивными переменными состояния. Наряду с внутренней энергией, другой кардинальной функцией состояния термодинамической системы является её энтропия, как функция S(U,V,{Nj}) того же набора экстенсивных переменных состояния, за исключением того, что в этом наборе энтропия S заменена внутренней энергией U. Это выражает энтропийное представление. Каждая кардинальная функция является монотонной функцией каждой из её естественных или канонических переменных. Каждая из них предоставляет своё характерное или фундаментальное уравнение, например, которое само по себе содержит всю термодинамическую информацию о системе. Фундаментальные уравнения для двух кардинальных функций в принципе могут быть преобразованы друг в друга путём решения, например, относительно S, чтобы получить. В отличие от этого, преобразования Лежандра необходимы для вывода фундаментальных уравнений для других термодинамических потенциалов и функций Масье. Энтропия как функция только экстенсивных переменных состояния является единственной кардинальной функцией состояния для генерации функций Масье. Сама по себе она обычно не называется «функцией Масье», хотя рационально её можно рассматривать как таковую, аналогично термину «термодинамический потенциал», который включает внутреннюю энергию. Для реальных и практических систем явные выражения фундаментальных уравнений почти всегда недоступны, но функциональные зависимости существуют в принципе. Формальные, в принципе, манипуляции с ними полезны для понимания термодинамики.
In contrast, Legendre transformations are necessary to derive fundamental equations for other thermodynamic potentials and Massieu functions. The entropy as a function only of extensive state variables is the one and only cardinal function of state for the generation of Massieu functions. It is not itself customarily designated a 'Massieu function', though rationally it might be thought of as such, corresponding to the term 'thermodynamic potential', which includes the internal energy. For real and practical systems, explicit expressions of the fundamental equations are almost always unavailable, but the functional relations exist in principle. Formal, in principle, manipulations of them are valuable for the understanding of thermodynamics.
История
Джеймс Джоуль изучал взаимосвязь между теплом, работой и температурой. Он заметил, что трение в жидкости, например, возникающее при её перемешивании с помощью гребного колеса, приводит к повышению её температуры, что он описал как выработку определенного количества тепла. В современных единицах он установил, что для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия требуется приблизительно 4186 джоулей энергии.
Библиография цитируемых ссылок
Адкинс, К. Дж. (1968/1975). Термодинамика равновесия, второе издание, McGraw-Hill, Лондон, Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики, American Institute of Physics Press, Нью-Йорк, Борн, М. (1949). Естественная философия причины и случая, Oxford University Press, Лондон. Каллен, Х. Б. (1960/1985), Термодинамика и введение в термостатистику, (первое издание 1960), второе издание 1985, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, Кроуфорд, Ф. Х. (1963). Теплота, термодинамика и статистическая физика, Rupert Hart-Davis, Лондон, Harcourt, Brace & World, Inc. Хаазе, Р. (1971). Обзор фундаментальных законов, глава 1 Термодинамики, страницы 1–97 тома 1, под ред. В. Йоста, из Физической химии. Продвинутый трактат, под ред. Х. Айринга, Д. Хендерсона, В. Йоста, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081. Мюнстер, А. (1970), Классическая термодинамика, перевод Э. С. Халберштадта, Wiley–Interscience, Лондон, Планк, М. (1923/1927). Трактат о термодинамике, перевод А. Огга, третье английское издание, Longmans, Green and Co., Лондон. Цшоэгль, Н. В. (2000). Основы термодинамики равновесия и стационарных состояний, Elsevier, Амстердам.
Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081. Münster, A. (1970), Classical Thermodynamics, translated by E. S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, Planck, M., (1923/1927). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, third English edition, Longmans, Green and Co., London. Tschoegl, N. W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady State Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, .