Внутрішня енергія газу
Як відомо, будь-яке тіло володіє своє власної неповторної структурою, яка визначається його хімічним складом і будовою. При цьому, частинки, що становлять цю структуру, рухливі, вони взаємодіють між собою, а, отже, мають деякою кількістю внутрішньої енергії. У твердих речовинах зв'язку частинок, які складають структуру тіла, сильні, тому їх взаємодію з частинками, складовими структуру інших тіл, ускладнені.
Зовсім по-іншому це виглядає в рідинах або газах, де молекулярні зв'язки слабкі, а тому молекули можуть досить вільно переміщатися і взаємодіяти з частками інших речовин. У цьому, наприклад, виявляється властивість розчинності.
Значить, внутрішня енергія газу являє собою параметр, який визначає стан самого газу, тобто енергію теплового руху його мікрочастинок, якими виступають молекули, атоми, ядра і т. д. Крім того, дане поняття характеризує і енергію їх взаємодії.
При переході молекули з одного стану в інший внутрішня енергія газу, формула якої - WU = dQ - dA - показує тільки процес зміни цієї внутрішньої енергії. Саме тому, що власне і видно з формули, вона завжди характеризується різницею між своїми значеннями на початку і наприкінці переходу молекули з одного стану в інший. Шлях самого переходу при цьому, тобто його величина, ніякої ролі не грає. З цього міркування випливає саме основне висновок, який характеризує дане явище - внутрішня енергія газу визначається виключно показником температури газу і абсолютно не залежить від значення величини його обсягу. Для математичного аналізу цей висновок важливий у тому сенсі, що виміряти безпосередньо величину внутрішньої енергії не представляється можливим, можна визначити і представити математичними засобами тільки її зміна (це підкреслюється наявністю у формулі символу - W).
Для фізичних тіл їх внутрішня енергія схильна динаміці (зміни) тільки за умови наявності взаємодії цих тіл з іншими тілами. При цьому, існує два основних способи цієї зміни: робота (чинена при терті, ударі, стиску і т.п.) і теплопередача. Останній спосіб - теплопередача -відображати динаміку зміни внутрішньої енергії в тих випадках, коли робота не здійснюється, а енергія передається, наприклад, від тіл з більшою температурою тілам з меншим її значенням.
У цьому випадку розрізняють такі види тепловіддачі як:
- теплопровідність (прямий обмін енергією частинками, які здійснюють хаотичний рух) ;
- конвекція (внутрішня енергія газу переноситься їх потоками) ;
- випромінювання (енергія переноситься за допомогою електромагнітних хвиль).
Всі ці процеси відбиваються законом збереження енергії. Якщо цей закон розглядати стосовно до термодинамічних процесів, що відбуваються в газах, то його можна сформулювати так: внутрішня енергія реального газу, а точніше - її зміну, являє собою сукупну кількість теплоти, яке було передано йому від зовнішніх джерел, і від роботи, яка була здійснена над цим газом.
Якщо розглянути дію цього закону (першого закону термодинаміки) стосовно ідеального газу, то можна побачити наступні закономірності. В рамках процесу, температура якого залишається незмінною (ізотермічний процес), внутрішня енергія також буде завжди величиною постійною.
В рамках ізобарного процесу, якому характерна зміна температури газу, її збільшення або зменшення, призводить, відповідно, до збільшення або зменшення внутрішньої енергії і що здійснюється газом роботи. Це явище, наприклад, наочно демонструє розширення газу при нагріванні і здатність такого газу приводити в рух парові агрегати.
При розгляді ізохоричного процесу, при якому параметр його обсягу залишається незмінним, внутрішня енергія газу змінюється тільки під впливом кількості переданої теплоти.
Існує й Адіабатний процес, якому властива відсутність теплообміну газу із зовнішніми джерелами. У цьому випадку значення його внутрішньої енергії зменшується, отже - газ остигає.