Работа и теплота. Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия газа (и другой термодинамической системы) может изменяться в основном за счет двух процессов: совершения над газом работы и сообщением ему количества тепла Q. Так как состояние газа может одинаково изменяться от совершенной над ним работы и сообщенного ему количества тепла Q, то работа и теплота являются эквивалентными формами передачи энергии. Теплота - это форма передачи энергии на уровне микроскопических процессов, когда, например, молекулы газа, соударяясь с разогретыми стенками (молекулами) сосуда, получают от них дополнительную кинетическую энергию. Работа над газом - это передача энергии в форме макропроцессов. Когда поршень, перемещаясь в некотором цилиндре, сжимает газ, то молекулам газа за счет движения поршня передается дополнительная энергия и газ нагревается.

Исторически развитие термодинамики было связано с необходимостью теоретического объяснения работы теплового двигателя. При сжигании топлива выделялось определенное количество тепла, и некоторая часть его DQ (рис.10.2) передавалась рабочему телу (обычно газу). Газ нагревался, и его внутренняя энергия увеличивалась на величину DU. Расширяясь, газ совершал работу DA. Отсюда принято считать DQ > 0, когда термодинамическая система получает тепло, и DA > 0, когда эта система совершает работу. Огромная совокупность опытных фактов с учетом законов сохранения показывала, что в термодинамической системе, в которой протекают тепловые и механические процессы, всегда должно выполняться равенство

DQ = DU + DA. (10.3)

Уравнение (10.3) представляет собой содержание первого начала (закона) термодинамики. Словами его можно выразить следующим образом: количество тепла DQ, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы DU и на совершение системой работы DA над внешними телами.

Следует отметить, что в равенстве (10.3) величина U является функцией состояния и однозначно определяется термодинамическими параметрами состояния. Величины Q и A не есть функции состояния. Они зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от пути изменения ее состояния.

Из равенства (10.3) следует, что единицей измерения тепла служит джоуль.