Понятие теплоты и работы в термодинамике. Основное сходство и различие понятий.
Тела, участвующие в процессе, обмениваются между собой энергией. Энергия одних тел увеличивается, а других уменьшается. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами:
1)
При непосредственном контакте тел
(теплопроводность, конвекция), имеющих
различную температуру, путем обмена
между молекулами соприкасающихся тел.
Энергия передается от более нагретого
тела к менее нагретому. Энергия
кинетического движения молекул называется
тепловой, поэтому такой способ передачи
энергии называется передача
энергии в форме теплоты.
Энергия, которую приобретает или отдает тело (система) в процессе теплообмена называется количеством теплоты или просто теплотой.
2) Этот способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.
Работа – способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров системы.
С точки зрения молекулярно – кинетической теории, различие между работой и теплотой проявляется только в том, что совершение механической работы требует упорядоченного движения молекул, а передача энергии (теплоты) от более нагретого тела к менее нагретому этого не требует.
5)Аналитическое выражение первого закона термодинамики для равновесных и неравновесных процессов.
Обратимым называется такой термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и окружающей среде возникли какие-либо остаточные изменения. Другими словами, после обратимых процессов система возвращается к начальному состоянию за счет внутренних энергоресурсов только благодаря превращению энергии из одного вида в другой. Нетрудно представить себе, что в обратимых процессах нет потерь энергии.
После необратимых процессов система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) не могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и окружающей среде возникли какие-либо остаточные изменения. Другими словами, при выполнении необратимых процессов часть энергии системы обесценивается, рассеивается в окружающую среду и поэтому для возвращения системы в начальное состояние необходимо привлечение энергии извне.
Все происходящие в природе процессы являются необратимыми, следовательно, понятие обратимого процесса – это термодинамическая идеализация, тесно смыкающаяся с представлениями о равновесном процессе.
Свойство обратимости непосредственно вытекает из условия равновесности процесса, тем более, что в обратимых процессах теплообмен между рабочим телом и источником теплоты происходит при пренебрежимо малой разности температур тела и источника.
Первый закон термодинамики установлен экспериментально на основании многочисленных наблюдений и опытов. Он является законом сохранения и взаимного превращения различных видов энергии.
Каждая
термодинамическая система обладает
внутренней энергией. Эта функция
состояния возрастает на величину
сообщенного системе количества теплоты
и уменьшается
на величину совершенной системой внешней
работы
,
т.е.
или
Первый закон термодинамики читается так: сообщенная телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела и на совершение им внешней работы.
Рассмотрим частные случаи уравнения первого закона термодинамики.
-
Если
= 0, то из (1)
следует
= –
,
то есть работа совершается телом без
подвода теплоты от внешней среды за
счет уменьшения внутренней энергии
тела.
- Если = 0, то = , то есть вся подведенная от внешней среды теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии тела.
- Если = 0, то = , то есть вся подведенная от внешней среды теплота затрачивается на совершение телом работы.
Для удельных величин уравнение (2) примет вид:
Уравнение первого закона термодинамики справедливо как для обратимых, так и необратимых процессов.
Для
обратимых процессов работа расширения
(
)
и внешняя
работа равны, так как потеря работы,
затрачиваемой на трение и диссипацию
энергии (
)
равна нулю,
поэтому выражение (3) будет иметь вид:
;
(4)
Эти уравнения и составляют содержание первого закона термодинамики.
В общем случае протекания термодинамических процессов не вся подводимая теплота затрачивается на производство работы, часть ее идет на изменение внутренней и внешней энергии рабочего тела. Поэтому уравнение (3) должно быть заменено следующим выражением:
L=
;
(5) где
– изменение внутренней
и внешней энергии рабочего тела, равное
сумме изменений внутренней энергии ΔU,
кинетической энергии тела как целого
и
потенциальной энергии тела в поле сил
тяжести
.
Здесь W1 и W2 – соответственно скорости рабочего тела в начале и в конце процесса;
и
-
соответственно геометрические высоты
(координаты системы в начале и в конце
процесса), измеряемые от некоторой
плоскости отсчета;
m - масса рабочего тела;
g - ускорение свободного падения.
С учетом изложенного перепишем зависимость (5) в следующем виде:
Это уравнение является аналитическим выражением первого за- кона термодинамики для термодинамических процессов. Если разделить каждый член левой и правой частей уравнения (6) на массу m, то получится аналитическое выражение первого закона, записанное с помощью удельных величин:
где q=Q/m – удельная теплота;
l=L/m – удельная работа
Аналитическое выражение первого закона термодинамики для термодинамических процессов в дифференциальной форме:
q=du+wdw+gdy+dl;
(8)