Теплота и работа. Первый закон термодинамики

Изменение внутренней энергии системы является результатом обмена энергией между термодинамической системой и окружающей средой. Этот обмен совершается за счет двух различных форм передачи энергии.

Первая форма передачи сводится к тому, что энергия движения одного тела переходит в энергию упорядоченного движения другого тела или его частей. Эта форма передачи энергии называется работой. Рассмотрим газ, заключенный в цилиндр с легко скользящим (без трения) поршнем (рис. 9). При расширении газа элементарная работа, которую он совершает при перемещении поршня на бесконечно малое расстояние , равна , где сила, действующая со стороны газа на поршень.

Если выразить силу через давление и площадь поршня, то

, в котором изменение объема газа.

Т.о. , (44)

Когда газ расширяется, то и работа газа положительна. При сжатии газа и работа отрицательна, в этом случае работу совершают окружающие тела, в частности поршень.

Уравнение Клапейрона–Менделеева позволяет выражать температуру через два независимых параметра (давление и объем), ибо . Это позволяет наглядно изображать с помощью графиков состояния газа.

Рис. 10

Изобразим процесс изменения объема газа от до графически (рис. 10). При этом давление газа в общем случае не остается постоянным и изменяется в соответствии с изображенной кривой 1-2. Элементарная работа , соответствующая некоторому давлению p, изобразится графически в виде площади узкой заштрихованной полоски. Вся работа графически представляет площадь фигуры 1-2- - . Величина этой площади зависит не только от начального и конечного объема газа, но и от формы кривой 1-2.

Это свидетельствует о том, что в отличие от внутренней энергии газа, совершаемая им работа зависит от пути перехода из начального состояния в конечное.

Поскольку работа, совершаемая системой, существенно зависит от пути перехода из одного состояния в другое, то элементарная работа не является полным дифференциалом (ибо в высшей математике есть теорема, что если для функции есть полный дифференциал, то криволинейный интеграл по замкнутому пути равен нулю). Следовательно работу, совершаемую при переходе из одного газового состояния в другое, нельзя рассматривать как функцию состояния системы и поэтому бессмысленно говорить о работе, которой обладает система в том или ином состоянии.

Второй формой передачи энергии является теплота. Сообщение телу теплоты не связано с перемещением внешних тел и поэтому не связано с совершением телом макроскопической работы. Механизм обмена энергией в этом случае состоит в том, что частицы взаимодействующих тел при взаимных столкновениях обмениваются энергией. Иначе говоря, при сообщении телу энергии в форме теплоты имеет место совокупность микропроцессов, приводящих к передаче энергии хаотически движущихся частиц одного тела частицам другого тела. Такой обмен может происходить и без непосредственного контакта между телами (скажем твердыми), но и тогда, когда они разделены прозрачной средой или даже вакуумом. В первом случае обмен энергиями осуществляется в процессе теплопроводности, а во втором–излучением.

Количество теплоты Q есть мера изменения той части внутренней энергии тела (системы), которая обусловлена хаотическим движением частиц, образующих тело (систему). Количество теплоты, получаемое или отдаваемое системой, зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Так же как и работа, количество передаваемой теплоты не является полным дифференциалом функции параметров системы.

Работа и теплота– взаимно превращаемые меры передачи энергии и в реальных условиях сопутствуют друг другу. Количественный переход теплоты в работу и работы в теплоту в системе СИ одинаков, ибо и теплота и работа измеряются в джоулях. Однако в некоторых технических дисциплинах и в медицине продолжается использование другой единицы теплоты– это калория и килокалория. В соответствии с этим необходим переход между этими единицами: механический эквивалент работы, равный 4,18 Дж/кал и тепловой эквивалент работы, равный 0,24 кал/Дж.

Взаимосвязь этих двух форм передачи энергии отражаются в первом законе термодинамики, который был установлен тогда, когда была доказана экспериментально взаимопревращаемость работы и теплоты в эквивалентных количествах.

В отличие от закона сохранения и превращения механической энергии в первом законе термодинамики рассматривается изменение энергии системы не только за счет совершения работы, но и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики утверждает, что количество теплоты, сообщаемое системе, равно сумме приращения ее внутренней энергии и

работе, производимой системой против внешних сил:

Q=U₂-U₁+А, (45)

При бесконечно малом изменении состояния системы уравнение принимает вид:

dQ=dU+dА, (46)

Отметим, dQ считается положительным, если теплота передается системе, и отрицательным, ели система отдает теплоту окружающей среде.

В установлении первого закона термодинамики большую роль сыграли многочисленные неудачные попытки изобрести вечный двигатель первого рода, т.е. такую машину, которая способна была бы работать, не затрачивая при этом никакой энергии и не получая тепла извне. Первый закон термодинамики иногда формулируют как постулат о невозможности построения такой машины.

Дата добавления: 2015-07-16