Форма обмена энергии с окружающей средой

При протекании термодинамических процессов внутренняя энергия системы может увеличиваться или уменьшаться. В первом случае говорят, что система поглотила часть энергии из внешней среды, во втором случае, наоборот – передала часть своей энергии в окружающую среду. Существуют две основные формы (способа) обмена энергией между системой и внешней средой: теплота и работа .

Теплота – это процесс обмена энергией через неупорядоченное хаотическое движение структурных единиц вещества: молекул, ионов.

Из данных частиц состоит как сама система, так и ее граница раздела (стенки системы), а также окружающий систему внешний мир. В результате столкновения частиц системы и внешнего мира с частицами, образующими стенки, энергия одного коллектива частиц (например, частиц системы), может возрасти, а другого коллектива (расположенного во внешнем мире), соответственно, уменьшиться. Микроскопический механизм этого процесса состоит в обмене энергией при каждом единичном столкновении частиц. Пользуясь макроскопическими понятиями, говорят, что какая-то порция энергии перешла в систему из окружающей среды в форме теплоты.

Система может обмениваться энергией с окружающей средой в форме теплоты и без столкновения молекул, путем поглощения или излучения лучистой энергии. В этом случае излучение или поглощение единичного кванта есть аналог единичного столкновения частиц. Обмен макроскопическими порциями энергии есть результат излучения либо поглощения огромного числа квантов.

Под термином «теплота» часто понимают не сам процесс, а количество передаваемой таким способом энергии (Q).

Если система получает из внешнего мира некоторое количество энергии в форме теплоты, то Q считают положительной величиной. При переходе энергии в противоположном направлении величину Q считают отрицательной (рис. 6).

Работа – это процесс обмена энергией в результате организованного макроскопического перемещения частей системы друг относительно друга или макроскопического изменения свойств системы либо ее частей. Работа может быть механической, электрической, химической.

Примером механической работы является расширение или сжатие системы, примером электрической работы является перенос заряда в электрическом поле.

Мерой количества механической работы служит произведение действующей силы (точнее, проекции силы на направление движения) на величину перемещения (l). Если действующая сила (F) при этом перемещении остается постоянной, то работа (А) определяется следующим образом:

А = F · l

Работа может совершаться внутренними силами системы против внешних сил, т.е. над окружающей средой (расширение системы) или, наоборот, внешними силами против внутренних (сжатие системы).

В первом случае она считается положительной величиной (при этом энергия переходит из системы во внешнюю среду). Во втором – отрицательной (энергия переходит из внешней среды в систему) (рис. 6).

Рис. 6. Соглашение о знаках работы и теплоты

Следует учитывать, что энергия открытых систем может изменяться не только за счет совершения работы или передачи теплоты, но еще и третьим способом – за счет перехода в систему из окружающей среды (или наоборот) некоторого количества вещества. В результате этого число молекул того или иного вида в системе изменяется, а, следовательно, изменяется сумма кинетической и потенциальной энергии частиц, т.е. изменяется общий запас энергии в системе.

Процесс обмена энергией системы и окружающей среды только в форме теплоты, т.е. через хаотическое движение частиц вполне реален. Для этого достаточно окружить систему, заключенную в жесткую (непроницаемую для вещества) оболочку, средой с более высокой или более низкой температурой.

В то же время, невозможно реализовать ни один процесс, в котором обмен энергией совершался бы только в форме работы. Тепловое движение частиц в любой системе существует, и поэтому неизбежен обмен энергией также и в форме теплоты. Кроме того, всякое механическое перемещение частей системы обязательно сопровождается трением, а это тоже означает участие тепловой формы обмена энергией при механических процессах.

В термодинамике часто вводится представление о том, что система может быть окружена идеально нетеплопроводными стенками, непрозрачными также и для лучистой энергии. В этом случае обмен энергией с окружающей средой в форме теплоты невозможен, но совершение работы над системой возможно. Такие системы называются адиабатными системами, а процесс их перехода из одного состояния в другое называют адиабатным процессом .

В отличие от внутренней энергии, теплота и работа зависят от пути или способа совершения процесса и поэтому функциями состояния не являются. В связи с этим определяют абсолютные значения Q и А, а не их изменения.

Первое начало термодинамики.
Тепловые эффекты химических реакций

Одним из важнейших законов природы является закон сохранения энергии, который в общем виде был сформулирован в середине ХVIII в. М. В. Ломоносовым, а впоследствии был экспериментально доказан Ю.Р. Майером, Дж.П. Джоулем и Г.Л. Гельмгольцем.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765)

Ломоносов впервые определил химию как науку «об изменениях, происходящих в смешанном теле». Эту науку Ломоносов представлял себе как химические факты, объединенные математическим способом изложения и приведенные в систему на основе представлений о строении вещества. Точные опыты с чистыми веществами, с применением «меры и весов», должны сопровождаться теоретическим анализом результатов. Опередив на десятилетия своих современников, Ломоносов разработал корпускулярную теорию строения вещества, предвосхитившую современное атомно-молекулярное ученые.

Ломоносов считал своей «главной профессией» химию, но он был в то же время и первым замечательным русским физиком. Ясно представляя необходимость тесной связи между химией и физикой, он считал, что химию следует изучать при помощи физики и что химические анализы могут получить правильное истолкование только на основе физических законов. Применяя физику для объяснения химических явлений, Ломоносов заложил основы новой науки – физической химии.

По этому закону во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть из ничего. Энергия может только превращаться из одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях. Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом человечества.

Частным случаем закона сохранения энергии в применении к процессам, сопровождающимся тепловыми явлениями, выступает первое начало (или первый закон) термодинамики, который можно сформулировать следующим образом: подведенное к системе тепло Q идет на увеличение ее внутренней энергии ΔU и на совершение системой работы А против внешних сил:

Q = Δ U + А

Система может переходить из одного состояния в другое различными путями. Но в соответствии с законом сохранения энергии изменение внутренней энергии ΔU системы не зависит от пути перехода: оно одинаково во всех случаях, если одинаковы начальное и конечное состояния системы. Количество же теплоты и количество работы зависят от этого пути. Однако, как бы не менялись значения Q и А при разных путях перехода системы из одного состояния в другое, их алгебраическая сумма будет всегда одинаковой, если только одинаковы начальное и конечное состояния системы.

На основании первого начала термодинамики можно сделать несколько важных выводов.