Теплота

Помимо макрофизической формы передачи энергии – работы существуют также микрофизическая, т.е. осуществляемая на молекулярном уровне форма обмена энергией между системой и окружающей средой. В этом случае энергия может быть передана системе без совершения работы. Мерой количества энергии, переданной микрофизическим путем, служит теплота.

Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводностью, конвекцией), либо на расстоянии (излучением), причем во всех случаях этот процесс возможет только при наличии разности температур между телами.

Внутренняя энергия – это свойство самой системы, она характеризует состояние системы. Теплота и работа – это энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействия системы с окружающей средой. Они характеризуют те количества энергии, которые переданы системы или отданы ею через ее границы в определенном процессе.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики

Пусть некоторому рабочему телу с объемом V и массой М, имеющему температуру Т и давление р, сообщается извне бесконечно малое количество теплоты δQ. В результате подвода теплоты тепло нагревается на dT и увеличивается в объеме на dV.

Повышение температуры тела свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц. Увеличение объема тела приводит к изменению потенциальной энергии частиц. В результате внутренняя энергия тела увеличивается на dU. Поскольку рабочее тело окружено средой, которая оказывает на него давление, то при расширении оно производит механическую работу δА против сил внешнего давления. Так как никаких других изменений в системе не происходит, то по закону сохранения энергии

δQ = dU + δA,

т.е теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.

Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Каждый из трех членов этого соотношения может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

Рассмотрим некоторые частные случаи.

1. δQ = 0 – теплообмен системы с окружающей средой отсутствует, т.е. теплота в системе не подводится и от нее не отводится. Процесс без теплообмена называется адиабатным. Для него уравнение принимает вид:

δА = – dU

Следовательно, работа расширения, совершаемая системой в адиабатном процессе, равна уменьшению внутренней энергии данной системы. При адиабатном сжатии рабочего тела затрачиваемая извне работа целиком идет на увеличение внутренней энергии системы.

2. δА = 0 – при этом объем тела не изменяется, dV = 0. Такой процесс называется изохорным, для него

δQ = dU,

т.е. количество теплоты, подведенное к системе при постоянном объеме, равно увеличению внутренней энергии данной системы.

3. dU = 0 – внутренняя энергия системы не изменяется и

δQ = δA,

т.е. сообщаемая системе теплота превращается в эквивалентную ей внешнюю работу.

Для системы, содержащей 1 кг рабочего тела

δq = du + δa

Проинтегрировав уравнения для некоторого процесса, получим выражение первого закона термодинамики в интегральной форме:

Q = ΔU + A; q = Δu + a,

где ΔU = U₂ – U₁, Δu = u₂ – u₁