1954687378

Wodny roztwór C2H5OH jest od tysięcy lat ulubioną substancją wielu badaczy. Stężone roztwory, takie jak szkocka whisky, są badane głównie przez kadrę profesorską, my natomiast zajmiemy się tylko roztworami słabymi (takimi, jak na przykład piwo).

Dietrich Stauffer, H. Eugene Stanley [28].

3. Pierwsza zasada termodynamiki

Do połowy XIX wieku nauka o cieple (oparta na teorii nieistniejącego fluidu zwanego cieplikiem) i mechanika były różnymi dziedzinami fizyki, nie mającymi ze sobą wiele wspólnego. Eksperymenty wykonane przez Jamesa Joule’a (1818-1889) pokazały, że energia może być dostarczana układowi termodynamicznemu (lub przezeń oddawana) na dwa sposoby. Jednym z nich jest dostarczenie układowi energii cieplnej (lub oddanie ciepła). Drugi zaś polega na wykonaniu nad układem pracy (lub wykonaniu pracy przez układ). Zmusiło to fizyków i inżynierów do uogólnienia ówczesnego pojmowania energii w taki sposób, aby nowe znaczenie obejmowało także energię cieplną.

W tym rozdziale skupimy naszą uwagę na pojęciach energii wewnętrznej, ciepła i pracy. Sformułujemy I zasadę termodynamiki, która jest zasadą zachowania energii uogólnioną na zjawiska termodynamiczne. Przenalizujemy przemiany gazu doskonałego jako procesy, którym towarzyszy wykonywanie pracy, wymiana ciepła z otoczeniem oraz zmiany energii wewnętrznej.

Gdy w roku 1905 Einstein przedstawił równanie E = mc², początkowo całkowicie je zignorowano. Wynik ten po prostu nie pasował do niczyich badań. [... ]

W 1905 roku, gdy Einstein wyprowadził swoje równanie, był tak odizolowany od społeczności uczonych, że w jego podstawowej pracy o szczególnej teorii względności nie ma w ogóle przypisów. W nauce jest to coś niezwykłego.

David Bodanis [29]

3.1. Energia wewnętrzna układu termodynamicznego

Energia wewnętrzna układu termodynamicznego to całkowita energia układu (jego cząsteczek oraz ich wzajemnego oddziaływania), którą posiada on w warunkach równowagi termodynamicznej. Przyjmujemy, że układ termodynamiczny jest nieruchomy i nie wykonuje ruchu obrotowego. Innymi słowy, tak zdefiniowaną energię wewnętrzną mierzymy w układzie odniesienia, którego początek umieszczamy w środku masy układu termodynamicznego i o którym dodatkowo zakładamy, że nie obraca się. Do energii wewnętrznej układu nie zaliczamy jego energii potencjalnej w polu zewnętrznej siły zachowawczej.

Wkład do energii wewnętrznej wnoszą:

■    energia ruchu postępowego cząsteczek (np. ruchu cieplnego),

■    energia ruchu obrotowego cząsteczek,

■    energia ruchu drgającego cząsteczek (np. energia ruchu drgającego atomów wokół położeń równowagi w wieloatomowych cząsteczkach),

■    energia oddziaływań międzycząsteczkowych

■    energia wiązań chemicznych,

■    energia jądrowa, czyli energia wiązania protonów i neutronów w jądrach atomowych.

12