Теплота и работа

Обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами происходит двумя путями: либо при совершении работы, либо с помощью теплообмена. Количество энергии, переданной системе внешними телами при силовом взаимодействии между ними, называется работой, совершенной над системой. Количество энергии, переданной системе внешними телами путем теплообмена, называется количеством теплоты, сообщенной системе.

Если термодинамическая система неподвижна, то для совершения работы необходимо перемещение взаимодействующих с ней внешних тел, т. е. необходимо изменение внешних параметров состояния системы. В отсутствие внешних силовых полей обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой с помощью совершения работы может происходить лишь при изменении объема и формы системы. В равновесном процессе работа А', совершаемая над системой внешними силами, численно равна и противоположна по знаку работе А, которую сама система совершает над внешней средой, т. е. против внешних сил: А' = - А.

Работой расширения называется работа, которую система производит против внешнего давления. Элементарная работа расширения: δА = p_внешнdV, где р_внешн – равномерно распределенное внешнее давление, dV – элементарное изменение объема системы. Если процесс расширения является равновесным (квазистатическим), то р_внешн = р, где р – давление в системе. Тогда δА = рdV.

Теплообмен происходит между телами (или частями од­ного тела), нагретыми до различной температуры. Существуют три вида теплообмена: конвективный теплообмен, теплопровод­ность и теплообмен излучением («лучистый» теплообмен).

Конвективным теплообменом называется передача теплоты между движущимися неравномерно нагретыми частями газов, жидкостей или газами, жидкостями и твердыми телами. Конвективный теплообмен в жидкостях осуществляется при движении частей жидкости друг относительно друга или по отношению к твердым телам. Например, в батареях водяного отопления энергия от горячей воды, протекающей в батарее, передается конвективным теплообменом к менее нагретым стенкам батареи.

Явление теплопроводности состоит в передаче теплоты от одной части неравномерно нагретого тела к другой. Так, например, происходит передача энергии через стенки батареи водяного отопления от более нагретых внутренних поверхностей к менее нагретым наружным. Теплообмен излучением происходит без непосредственного контакта тел, обменивающихся энергией, и заключается в испускании и поглощении телами энергии электромагнитного поля. Лучистым теплообменом от Солнца к поверхности Земли доставляется колоссальная энергия.

Работа и теплота являются энергетическими характеристиками процессов изменения состояния термодинамических систем и имеют смысл только в связи с такими процессами. В зависимости от вида процессов, переводящих систему из состояния 1 в состояние 2, необходимо совершение различной работы и сообщение системе различных количеств теплоты. Работа и теплота не являются видами энергии, и поэтому нельзя говорить о «запасе работы» или «запасе теплоты» в теле. По этим же причинам элементарное количество теплоты δQ и элементарная работа δА не являются полными дифференциалами.

Совершение работы над системой может изменить любой вид энергии системы. Например, при быстром сжатии газа в сосуде с подвижным поршнем работа, совершаемая над газом внешними силами, увеличивает внутреннюю энергию газа. При неупругом соударении двух тел часть совершенной работы идет на изменение кинетической энергии тел, а часть работы идет на изменение внутренней энергии тел.

При любом виде теплообмена происходит обмен энергией непосредственно между хаотически движущимися частицами тел. При этом изменяются их внутренние энергии. Например, в процессе теплопроводности в неодинаково нагретом твердом теле частицы тела, находящиеся в более нагретых участках его, передают часть своей энергии частицам, расположенным в менее нагретых участках тела. В итоге происходит выравнивание температур различных участков тела и прекращение процесса теплопроводности.

Из предыдущего следует качественное различие и неравноценность работы и теплоты как форм передачи энергии. Часто две эти формы передачи энергии существуют одновременно. Например, при нагревании газа в сосуде с подвижным поршнем одновременно происходит увеличение объема газа и совершается работа против внешнего давления.

Термодинамическая система называется адиабатной (система изолированная в тепловом отношении), если не происходит теплообмена между системой и внешней средой. Такая система может совершать работу над внешними телами. Вместе с тем внешние силы могут совершать работу над системой. Примером может служить цилиндр с подвижным поршнем, наполненный газом и со всех сторон окруженный плотным слоем теплонепроницаемого войлока. Отсутствие теплообмена с внешней средой не исключает возможности газу совершать работу расширения и совершения над ним работы сжатия силами внешнего давления (рис. 1).

Рис. 1. Работа газа, заключенного в сосуде с невесомым подвижным поршнем.

Система приближается по свойствам к адиабатной, если происходит столь быстрое изменение ее состояния, что за время процесса не успевает произойти теплообмен системы с внешней средой. Например, быстрое расширение газа, заключенного в баллоне, при кратковременном открытии крана.

«Энциклопедический словарь физика», 1991:

<….>

Броуновское движение. Молекулы в твердом теле не движутся из одного конца в другой, а вибрируют вокруг равновесного положения. Таким образом, они обладают кинетической энергией. И в твердых телах, и в жидкостях каждая молекула обладает также и потенциальной энергией, потому что она связана с окружающими молекулами силами притяжения. Для увеличения расстояния между двумя молекулами должна быть проделана работа по преодолению сил притяжения между ними, и как следствие происходит увеличение потенциальной энергии этих молекул. Итак, энергия в твердых телах – это сочетание потенциальной энергии и кинетической энергии колебательного движения. Картина усложняется наличием кинетической энергии электронов, которые могут передвигаться по всему объему. Когда твердому телу передается энергия, то можно записать:

поглощенная энергия = увеличение внутренней кинетической энергии + увеличение внутренней потенциальной энергии.

Результатом этого является увеличение температуры твердого тела.

Теплота, принятая телом, является мерой изменения внутренней энергии тела.

Внутренняя энергия жидкости является сочетанием кинетической энергии движущихся молекул и потенциальной энергии взаимодействия между молекулами. Внутренняя энергия в газах преимущественно кинетическая, поскольку молекулы газа находятся в быстром движении и при нормальной температуре и давлении могут далеко отдаляться друг от друга, поэтому силы взаимодействия между этими молекулами малы.