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, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.