Как известно, любое тело обладает свое собственной неповторимой структурой, которая определяется его химическим составом и строением. При этом, частицы, составляющие эту структуру, подвижны, они взаимодействуют между собой, а, следовательно, обладают неким количеством внутренней энергии. В твердых веществах связи частиц, которые составляют структуру тела, сильны, поэтому их взаимодействие с частицами, составляющими структуру других тел, затруднены.
Совсем по-другому это выглядит в жидкостях или газах, где молекулярные связи слабые, а потому молекулы могут достаточно свободно перемещаться и взаимодействовать с частицами других веществ. В этом, к примеру, проявляется свойство растворимости.
Значит, внутренняя энергия газа представляет собой параметр, который определяет состояние самого газа, то есть энергию теплового движения его микрочастиц, которыми выступают молекулы, атомы, ядра и т. д. Кроме того, данное понятие характеризует и энергию их взаимодействия.
При переходе молекулы из одного состояния в другое внутренняя энергия газа, формула которой - WU = dQ - dA - показывает только процесс изменения этой внутренней энергии. Именно потому, что собственно и видно из формулы, она всегда характеризуется разностью между своими значениями в начале и конце перехода молекулы из одного состояния в другое. Путь самого перехода при этом, то есть его величина, никакой роли не играет. Из этого рассуждения вытекает самое основное заключение, которое характеризует данное явление - внутренняя энергия газа определяется исключительно показателем температуры газа и совершенно не зависит от значения величины его объема. Для математического анализа этот вывод важен в том смысле, что измерить напрямую величину внутренней энергии не представляется возможным, можно определить и представить математическими средствами только ее изменение (это подчеркивается наличием в формуле символа - W).
Для физических тел их внутренняя энергия подвержена динамике (изменению) только при условии наличия взаимодействия этих тел с другими телами. При этом, существует два основных способа этого изменения: работа (совершаемая при трении, ударе, сжатии и т.п.) и теплопередача. Последний способ - теплопередача —отражает динамику изменения внутренней энергии в тех случаях, когда работа не совершается, а энергия передается, например, от тел с большей температурой телам с меньшим ее значением.
В этом случае различают такие виды теплоотдачи как:
- теплопроводность (прямой обмен энергией частицами, совершающими хаотическое движение);
- конвекция (внутренняя энергия газа переносится их потоками);
- излучение (энергия переносится при помощи электромагнитных волн).
Все эти процессы отражаются законом сохранения энергии. Если этот закон рассматривать применительно к термодинамическим процессам, происходящим в газах, то его можно сформулировать так: внутренняя энергия реального газа, а точнее – ее изменение, представляет собой совокупное количество теплоты, которое было передано ему от внешних источников, и от работы, которая была совершена над этим газом.
Если рассмотреть действие данного закона (первого закона термодинамики) применительно к идеальному газу, то можно увидеть следующие закономерности. В рамках процесса, температура которого остается неизменной (изотермический процесс), внутренняя энергия также будет всегда величиной постоянной.
В рамках изобарного процесса, которому характерно изменение температуры газа, ее увеличение или уменьшение, приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению внутренней энергии и совершаемой газом работы. Это явление, например, наглядно демонстрирует расширение газа при нагревании и способность такого газа приводить в движение паровые агрегаты.
При рассмотрении изохорного процесса, при котором параметр его объема остается неизменным, внутренняя энергия газа изменяется только под влиянием количества переданной теплоты.
Существует и адиабатный процесс, которому свойственно отсутствие теплообмена газа с внешними источниками. В этом случае значение его внутренней энергии уменьшается, следовательно – газ остывает.
