Внутренняя энергия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Внутренняя энергия - функция термодинамич. параметров системы (напр., объёма V и температуры T), изменение к-рой определяется работой, совершаемой над однородной системой при условии её адиабатич. изоляции. Существование такой функции

есть следствие первого начала термодинамики, согласно к-рому полный дифференциал внутренней энергии равен

, где dQ - кол-во теплоты, сообщаемое системе, P - давление,

- работа, совершаемая системой (dQ и PdV не являются полными дифференциалами).

Внутренняя энергия равна (с точностью до аддитивной постоянной, работе, совершаемой адиабатически изолированной (dQ=0) системой:

При переходе адиабатически изолир. системы из состояния (1) в состояние (2) изменение В. э. равно работе, совершаемой системой

при бесконечно медленном, квазистатическом процессе. Для кругового процесса полное изменение В. э. равно нулю

В общем случае внутренняя энергия есть функция внеш. и внутр. термодинамич. параметров а_i, включая температуру. Тогда

, где А_i - обобщённые силы. Вместо температуры можно выбрать в качестве термодинамич. параметра энтропию S. Для этого нужно привлечь второе начало термодинамики ,согласно к-рому dQ=TdS, тогда dU=TdS-PdV. В. э. как функция энтропии и объёма U(S,V)является одним из термодинамических потенциалов (характеристической функцией), т. к. определяет все термодинамич. свойства системы. Если система состоит из п компонентов, то U зависит кроме S и V от числа частиц N_i в компонентах, i=1, 2,. . . п. В этом случае полный дифференциал внутренней энергии равен где

- хим. потенциал i-го компонента. Минимум U при пост. энтропии, объёме и массах компонентов определяет устойчивое равновесие многофазных и многокомпонентных систем.

Внутренняя энергия имеет смысл ср. механич. энергии (кинетич. энергии и энергии взаимодействия) всех частиц, к-рые можно рассматривать как компоненты или фазы термодинамич. системы. Если в термодинамич. систему входит эл--магн. поле, то его энергию включают во В. э. Кинетич. энергия движения тела как целого не входит в В. э.

В статистич. физике, в классич. случае, В. э. определяется как ср. значение функции Гамильтона системы Н(р,q)по каноническому (или большому каноническому) распределению Гиббса

(р,q):

где р, q - совокупность импульсов и координат всех частиц системы,

- элемент фазового объёма. В квантовом случае

, где H - гамильтониан системы,

- статистич. оператор, Tr означает след оператора. В. э. удобно выразить через Гельмгольца энергию, т. е. свободную энергию F с помощью Гиббса - Гельмгольца уравнения , т. к. F более непосредственно связана со статистикой и определяется статистич. интегралом или статистич. суммой.

Для идеального газа, подчиняющегося классич. статистике, В. э. зависит только от температуры

, где C_V - теплоёмкость при пост. объёме. Для неидеального газа и жидкости В. э. зависит также от уд. объёма

, отнесённого к одной молекуле. Напр., для газа, подчиняющегося Ван-дер-Ваалъса уравнению, В. э. имеет вид

, где а - константа.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.