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.

V 2	V 2
A 12=∫ dA =∫	pdV.	(12.1.3)
V 1	V 1

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 U ₁ получила некоторое количество теплоты Q ₁, и перейдя в новое состояние, которое харак-теризуется внутренней энергией U ₂ 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:

 

δ Q = dU + δ A.

(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.