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Keywords:

  • thermodynamics;
  • first law;
  • fields;
  • energy partition

Abstract

The first law of thermodynamics in the presence of fields is considered. The presence of fields gives rise to partition of the internal energy between field and nonfield energy forms, that are characterized as state functions. Field-dependent components of work and heat are defined with respect to their being delivered at the boundaries, or directly, by action at a distance, to the contents of the system. Interaction energy, that accounts for effects of changes in the sources of the fields is defined. The first law of thermodynamics in the presence of fields states that the change in the sum of the field and nonfield components, of the internal energy, is equal to the change in the sum of the field and nonfield components of heat and work, delivered to the system, and the interaction energy, due to changes in the sources of the field. The equivalence between potential energy and work in conjugate frames of reference facilitates the incorporation of the interaction energy as part of the field-dependent internal energy. In this context, the significance of the degree of coupling between the field and the contents of the system, in conjunction with their thermodynamic variables, is discussed. Intensive field-dependent variables that maintain uniformity, at equilibrium, in the absence as well as in the presence of fields, are defined. In contrast, nonfield and field components of these intensive variables can be nonuniform, and discontinuous across interfaces, at equilibrium. The implication of the theory is illustrated by specific cases that involve electromagnetic and acceleration fields. Energy partition in acceleration fields is shown to depend on mass distribution within the system. A change in position, or in the source of the field produce changes in mass distribution and energy partition. Partition of magnetic and nonmagnetic energy forms, and field-induced heat flow and energy storage are considered. It is shown that for linear matter, the energy per unit volume stored in the field is invariable with respect to the process and work that produce the field vectors, the balance being stored in other nonfield energy forms. Finally, expressions for field-induced temperature and energy changes in an ideal magnetizable gas are derived. It is shown that isothermal magnetization produces a shift in the partition between the field and nonfield parts of the internal energy.

La première loi de la thermodynamique en présence des champs est considérée ici. La présence des champs entraîne la séparation de l'énergie interne entre les formes d'énergie de champ et de non-champ, qui sont caractérisées comme des fonctions d'état. Les composantes de travail et de chaleur dépendant des champs sont définies en fonction du fait qu'elles sont transmises aux frontières, ou directement, par action à une certaine distance, au contenu du système. L'énergie d'interaction, qui tient compte des effets des changements dans les sources des champs, est définie. La première loi de la thermodynamique en présence des champs établit que le changement dans la somme des composantes de champ et de non-champ, de l'énergie interne, est égal au changement dans la somme des composantes de chaleur et de travail de champ et de non champ, transmises au système, et l'énergie d'interaction, en raison des changements dans les sources du champ. L'équivalence entre l'énergie potentielle et le travail dans les référenciels conjugués, facilite l'introduction de l'énergie d'interaction comme partie de l'énergie interne dépendant du champ. Dans ce contexte, l'importance du degré de couplage entre le champ et le contenu du système, conjointement à leurs variables thermodynamiques, est analysée. Les variables intensives dépendant du champ qui maintiennent l'uniformité, à l'équilibre, aussi bien en l'absence qu'en présence des champs, sont définies. Inversement, les composantes de champ et de non-champ de ces variables intensives peuvent être non uniformes, et discontinues dans les interfaces, à l'équilibre. L'implication de la théorie est illustrée par des cas spécifiques faisant intervenir des champs électromagnétiques et d'accélération. On montre que la séparation d'énergie dans les champs d'accélération dépend de la distribution de masse dans le système. Un changement dans la position ou la source du champ entraîne des changements dans la distribution de masse et la séparation d'énergie. La séparation des formes d'énergie magnétiques et non magnétiques, ainsi que le transfert de chaleur induit par le champ et le stockage d'énergie, sont considérés. On montre que pour de la matière linéaire, l'énergie par unité de volume emmagasinée dans le champ est invariable par rapport au processus et autravail produisant les vecteurs de champ, l'éq uilibre étant emmagasiné sous d'autres formes d'énergie de non-champ. Enfin, des expressions pour des changements de température et d'énergie induits dans les champs dans un gaz magnétisable, sont estimées. On montre que la magnétisation isotherme produit un changement dans la séparation entre les parties de champ et de non-champ de l'énergie interne.