Квазистатические процессы. Первое начало термодинамики. Количество теплоты и работа. Внутренняя энергия. Энтальпия.

Квазистатические или квазиравновесные процессы – идеализированные процессы, состоящие из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия. Бесконечно медленный процесс, состоящий из последовательности равновесных состояний – равновесный процесс. Квазистатические процессы в термодинамике: изохорный процесс – процесс, происходящий при постоянном объеме ; изобарный – процесс, происходящий при постоянном давлении ; изометрический – процесс, происходящий при постоянной температуре .

Термодинамическую систему можно заключить в оболочку, отделяющую ее от других тел. Изменять состояние системы в оболочке можно путем механического перемещения частей оболочки или изменением внешних параметров. Эти действия сопровождаются производством механической работы. Такая работа внешних сил называется макроскопической работой , которую производят над системой. Работа, производимая самой системой обозначается через . Оболочка, окружающая систему, называется адиабатической. Это значит, что состояние системы в такой оболочку остается неизменным при любых изменениях температуры окружающих тел, если только значения внешних параметров остаются постоянными. Система в такой оболочке – адиабатически изолированная система.

 Если система тел адиабатически изолирована, то работа внешних сил над этой системой зависит только от ее начального и конечного состояний, но совсем не зависит от способа или пути, каким осуществляется переход системы из начального состояния в конечное. Этот постулат выражает содержание первого начала термодинамики.

Внутренняя энергия системы  – функция состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемой адиабатически изолированной системой, равно работе внешних сил над системой при переходе ее из начального равновесного состояния в конечное, также равновесное состояние

 .

Еще одно определение внутренней энергии, с учетом разности энергий системы в двух различных равновесных состояниях. Внутренняя энергия системы в каком-либо (равновесном) состоянии – работа, совершаемая внешними силами, для перевода системы из нулевого состояния в рассматриваемое, любым возможным адиабатическим путем или наоборот – из рассматриваемого в нулевое. Для квазистатических процессов , тогда можно записать:

 .

Т.е. работа системы при адиабатических процессах совершается за счет убыли внутренней энергии.

Процесс обмена внутренними энергиями соприкасающихся тел, не сопровождающийся производством макроскопической работы, называется теплообменом. Энергия, переданная телу окружающей средой в результате теплообмена, называется количеством теплоты, или просто теплотой, полученной телом в таком процессе. Теплообмен – изменение внутренней энергии тела, обусловленное работой производимой молекулярными силами – микроскопической работой.

Рассмотрим систему , находящуюся в тепловом контакте с системой в тепловом контакте. Вся система  заключена в адиабатическую оболочку (граница  теплопроводящая). Граница  жесткая (неподвижная) и система  производить не может.  Система  производить работу может (приподнимать поршень) см. рисунок. Пусть система  перешла из состояния  в состояние , при этом была совершена работа  над внешними телами. Эту работу совершила система . Т.к. составная система  адиабатически изолирована, то

 ,

где  – внутренняя энергия системы , а  – системы . Преобразуем:

.

 

Убыль внутренней энергии системы  – количество теплоты полученное системой , т.е.

 .

Далее можно получить соотношение, называемое математической формулировкой начала термодинамики:

 .  

Теплота  полученная системой, идет на приращение ее внутренней энергии  и на производства внешней работы

 

.

Если объем постоянен , то работа равна нулю , т.е.

 .

Если давление постоянно , то , тогда количество теплоты:

 .

Введем величину  – она является функцией состояния. Получим:

 ,

при . Функция  – энтальпия или тепловая функция или теплосодержание – функция состояния, приращение которой при изобарическом процессе дает теплоту, полученную системой.