Эквивалентность тепла и работы

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

В основе термодинамического метода лежат два закона, или начала, установленные в результате обобщения многовекового опыта наблюдения человечества за природой, которые позволяют с количественной стороны изучить превращение одного вида энергии в другой.

Совокупность микроскопических тел, обменивающихся энергией, как между собой, так и с другими телами, образует термодинамическую систему. Физические величины, характеризующиесостоян7ие термодинамической системы, называются термодинамические параметры. Обычно в качестве таких параметров выбирают температуру, давление и удельный объем.

Параметры состояния могут изменяться. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров в результате теплообмена и совершения работы, называется тепловым (термодинамическим) процессом. Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

Адиабатный процесс — без теплообмена с окружающей средой;

Изохорический процесс — происходящий при постоянном объёме;

Изобарический процесс — происходящий при постоянном давлении;

Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;

Круговой процесс - процесс, при котором физическая система (например, пар), претерпев ряд изменений, возвращается в исходное состояние.

Возможны два различных способа изменения энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешней средой: путем совершения работы и путем теплообмена. Соответственно, количество энергии, переданной системе в форме работы, называется работой, а количество энергии, переданной системе в форме теплоты, называется теплотой. Первый способ реализуется при силовом воздействии окружающей среды на систему, а второй – в результате теплообмена между системой и окружающей средой.

Общим в понятиях теплоты и работы является то, что они являются формами передачи одной и той же физической величины – энергии. Различие проявляется в том, что силовое воздействие на систему приводит к упорядоченному перемещению её частей (например, движения поршня в цилиндре) и может привести к изменению любого вида полной энергии системы (потенциальной, кинетической и внутренней). Передача же энергии в форме теплоты идет на увеличение энергии хаотического движения частиц системы (молекул, атомов), т.е. идет на увеличение только внутренней энергии.

Работа.

Для рассмотрения конкретных процессов найдем в общем виде внешнюю работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим, например, газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде.

Если газ, расширяясь, передвигает поршень на бесконечно малое расстояние dl, то производит над ним работу

где S — площадь поршня; Sdl — dV —изменение объема системы.

Таким образом,

Полную работу А, совершаемую газом при изменении его объема от V1 до

V2, найдем интегрированием:

Результат интегрирования определяется характером зависимости между давлением и объемом газа. Найденное для работы выражение справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел.