Теплота и работа. Первое начало термодинамики
Процесс передачи внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы (без изменения объема) называется теплообменом. Количество энергии, передаваемое системе внешними телами при тепло-обмене, называют количеством теплоты Q. Сообщение системе теплоты Q не связано с макроскопическими перемещениями тел системы.Измене-ние внутренней энергии при теплообмене состоит в том, что отдельные молекулы более нагретого тела в процессе неупругих столкновений пере-
дают часть своей кинетической энергии молекулам менее нагретого тела. Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвек-
ция, излучение.
Теплопроводностью называется процесс теплообмена между те-лами при их непосредственном контакте, обусловленный хаотическим движением частиц тела.
Конвекцией называется процесс переноса энергии,которыйосуществляется перемещением слоев жидкости и газа от места с более высокой температурой к месту с более низкой температурой. Конвек-ция наблюдается только в жидкостях и газах.
Излучением называется перенос энергии от одного тела к друго-му (а также между частями одного и того же тела) путем обмена элек-тромагнитным излучением, т. е. теплообмен, обусловленный процес-сами испускания , распространения , рассеяния и поглощения электро-магнитных волн. Передача энергии излучением может осуществляться при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теп-лообмена, т. е. в вакууме.
Внутреннюю энергию можно также изменить путем совершения работы. Передача внешними телами энергии в форме работы сопрово-ждается макроскопическими перемещениями внешних тел. Например:
1) Если внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, а
следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц . При неупругих деформациях, кроме того, изменяется темпе-ратура тела, т. е. изменяется кинетическая энергия теплового движе-ния частиц. При деформации тела совершается работа, которая и яв-ляется мерой изменения внутренней энергии тела.
2) Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим телом. При неупругом соударении тел их кине-тическая энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю. Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно тео-реме о кинетической энергии, работа действующих сил.
3) Изменение внутренней энергии тела происходит под действи-ем силы трения, поскольку, как известно из опыта, трение всегда со-провождается изменением температуры трущихся тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.
| Определим в общем виде внешнюю работу, | |||||
| S | совершаемую газом при малом изменении его объ- | ||||
| h | ема. Пусть газ заключен в цилиндрический сосуд, | ||||
| закрытый плотно пригнанным легко скользящим | |||||
| поршнем (рис. 12.1.1). Если по каким-либо причи- |
p нам газ станет расширяться, он будет перемещать поршень и совершать над ним работу. Элементар-
Рис. 12.1.1 ная работа, совершаемая газом при перемещении поршня на отрезок dh, равна
| dA = Fdh, | (12.1.1) |
где F = pS − сила давления, с которым газ действует на поршень. Заменив эту силу произведением давления газа p на площадь
поршня S, получим:
| dA = pSdh = pdV. | (12.1.2) |
При конечном изменении объема работа должна вычисляться как сумма элементарных работ, т. е.
| V2 | V2 | ||
| A12=∫ dA =∫ | pdV . | (12.1.3) | |
| V1 | V1 |
Выражение (12.1.3) справедливо при любых изменениях объема твер-дых, жидких и газообразных тел.
В отличие от внутренней энергии системы, которая является функцией состояния системы, понятия теплоты и работы имеют смысл
только в связи с процессом изменения состояния системы. Теплота и работа − энергетические характеристики термодинамического процес-са, обусловливающего переход системы из одного состояния в другое.
Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механи-ческая энергия не изменяется, а изменяется лишь ее внутренняя энер-гия. Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем) обладая внутренней энергией U1 получила некоторое количество теплоты Q1 , и перейдя в новое состояние, которое харак-теризуется внутренней энергией U2 совершила работу A над внешней средой. Количество теплоты считается положительным , когда оно подводится к системе, а работа − положительной, когда система со-вершает ее против внешних сил.
В соответствии с законом сохранения энергии при любом спо-собе перехода системы из одного состояния в другое изменение U внутренней энергии будет одинаковым. Это изменение будет равно разности между количеством теплоты, полученной системой, и рабо-той, совершенной системой против внешних сил, т. е. U = Q − A или
| Q = U + A. | (12.1.4) |
Первое начало термодинамики: теплота,сообщаемая системе,
расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. В дифференциальной форме первое на-чало термодинамики имеет вид:
| δQ = dU + δA. | (12.1.5) |
Если система периодически возвращается в первоначальное со-стояние, то изменение ее внутренней энергии равно нулю ( U = 0). Тогда согласно первому началу термодинамики A = Q, т. е. невозмо-
жен вечный двигатель первого рода −периодически действующийдвигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия.