Работа и теплота

Выражение для работы, совершаемой газом при изменении его объема, проще получить на примере расширения или сжатия газа, заключенного в цилиндр с подвижным невесомым поршнем площадью S (рис. 8.4), скользящим без трения.

Чтобы совершить работу против силы внеш­него давления, газ должен действовать на поршень с силой F, равной произведению давления газа на площадь поршня:

F = р S. (8.7)

Элементарная работа, совершаемая газом при перемещении поршня на отрезок d h,

, (8.8)

где d V=S d h – изменение объема газа. Работа, совершаемая при конечном изменении объема газа от V ₁ до V ₂,

. (8.9)

Приращение объема системы может быть как положительным, так и отрицательным. Если d V > 0, то d A > 0: система совершает работу над внешними телами – отдает им часть своей энергии. Если d V < 0, то d A < 0: внешние тела совершают над системой работу – система получает энергию извне.

Графически работа изображается в координатах p и V площадью, ограниченной кривой P = f (V) и двумя ординатами, соответствующими на­чаль­но­му V ₁ и конечному V ₂ объемам (рис. 8.5). Элементарная работа системы d A численно равна площади узкой заштрихованной полоски, полная работа A – площади криволинейной трапеции.

Процесс, при котором система, пройдя некоторую последовательность состояний, снова возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом (циклом). Вместе с тем, численное значение работы зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Так, если система переходит из состояния 1 в состояние 2 один раз по пути (а), а другой раз по пути (b) (рис. 8.6), то A _{1 а 2} A _{1 b 2}. Следовательно, работа, совершаемая при круговом процессе, отлична от нуля. Это означает, что силы давления – некон­сер­ва­тив­ные силы.

Графически работа при круговом процессе изображается площадью, заключенной внутри кривой процесса (заштрихованная область на рис. 8.6). Работа за цикл положительна (система отдает энергию внешним телам), если цикл обходится по часовой стрелке, и отрицательна (система получает энергию извне), если цикл проходится против часовой стрелки. Действительно, работа, совершаемая системой за цикл 1 a 2 c 1, равна сумме работ, совершаемых на участках 1 a 2 и 2 c 1:

А = А _{1 а 2} + А _{2 с 1}.

Работа на участке 1 а 2 положительна (система расширяется) и по абсолютной величине равна площади криволинейной трапеции V ₁ аV ₂. Работа на участке 2 c 1 отрицательна (объем системы уменьшается) и по абсолютной величине равна площади криволинейной трапеции V ₁ сV ₂, которая меньше площади V ₁ aV ₂. Следовательно,

А = А _{1 а2} + А _{2 с 1}>0.

Пользуясь общим выражением работы в термодинамике (8.9), найдем работу в изопроцессах.

Изохорический процесс осуществляется при нагревании или охлажде­нии газа при постоянном объеме сосуда. В этом процессе d V = 0 и газ не совершает работы:

d A = p d V = 0.

Изобарический процесс осуществляется при нагревании или охлаж­де­нии газа, находящегося в цилиндре с подвижным поршнем. В изобарическом процессе

. (8.10)

Графически работа А в изобарическом процессе изображается заштри­хо­ван­ной площадью прямоугольника, приведенного на рис. 8.7.

Изотермический процесс должен осуществляться настолько медленно, чтобы теплообмен между газом и окружающей средой не вызвал изменение температуры газа. Совершаемая газом в изотермическом процессе работа

, (8.11)

где р находится из уравнения Менделеева – Клапейрона. Эта работа измеряется площадью, заштрихованной на рис. 8.8.

Передача тепловой энергии (теплоты) – энергии хаотического движения мо­ле­кул – зависит от физических свойств системы, характера термоди­нами­чес­ко­го процесса и выражается изменением температуры тела. Для харак­те­рис­тики способности тел повышать свою температуру за счет полученного извне тепла вводится понятие теплоемкость.

Теплоемкость С – скалярная физическая величина, характе­ризую­щая связь между количеством сообщенного системе тепла и изменением ее температуры. Различают полную, молярную и удельную теплоемкости.

Полная теплоемкость С _пол численно равна количеству тепла, которое необходимо сообщить системе, чтобы повысить ее температуру на один градус

С _пол = . (8.12)

Молярная теплоемкость С _m численно равна количеству тепла, которую нужно сообщить одному киломолю вещества, чтобы повысить его температуру на один градус:

, (8.13)

где - число молей.

Удельная теплоемкость (с) численно равна количеству тепла, которую нужно сообщить единице массы вещества, чтобы повысить ее температуру на один градус:

, (8.14)

где M – масса вещества.

Из сопоставления формул (8.13) и (8.14) следует, что

С _m = m с. (8.15)

В зависимости от характера процесса различают теплоемкости при постоянном объеме С_V и при постоянном давлении С_р.