Лекция 5 Теплота

Так же, как и работа, термин «теплота» имеет два значения. В первом значении термин «теплота» указывает на способ взаимодействия с окружающей средой, причиной которого является разность температур системы и окружающей среды. Иначе говоря, если система обменивается теплотой с окружающей средой, то это происходит под действием разности температур, и при этом система изменяет свою энтропию.

Под вторым значением термина «теплота» понимается количество энергии, которым система обменивается с окружающей средой при взаимодействии, обусловленном разностью температур системы и среды. Координатой состояния, соответствующей тепловому способу взаимодействия системы со средой, является энтропия S. Единица измерения теплоты, как и работы – джоуль. Исходя из второго определения, количество теплоты, обозначаемое Q, с учётом таблицы 1 и выражений (14) и (15) определяется выражениями

,	(30)
.	(31)

Символ «δ» в выражении (30) показывает, что бесконечно малое количество теплоты не является полным дифференциалом.

И з формулы (31) следует, что теплота положительна, если энтропия системы возрастает, т.е. , и теплота отрицательна, если система понижает энтропию, т.е. . При этом говорят, что «теплота подводится к системе», если теплота положительна (см рис. 12).

Рис. 12. Рис. 13.

Если же теплота отрицательна (см. рис. 13), то в этом случае говорят, что «теплота отводится от системы».

Теплоту удобно графически изображать в T-S системе координат. Учитывая выражение для количества теплоты(31) и, известное из курса математического анализа, графическое представление определённого интеграла как площади под линией подынтегральной функции, можно утверждать, что количество теплоты в T-S диаграмме равна площади под линией процесса (см. рис.14).

Рис. 14.

Теплота является функцией процесса, т.е. количество теплоты зависит от типа процесса, которым система переходит из одного состояния в другое.

Рис. 15.

На рисунке 15 изображены три процесса 1-а-2, 1-b-2 и 1-с-2, которые переводят систему из состояния 1 в состояние 2. Сравнивая площади фигур 1-а-2-3-4, 1-b-2-3-4 и 1-с-2-3-4, а так же учитывая, что площадь под линией процесса в T-S диаграмме равна теплоте в этом процессе, можно сделать вывод, что теплота в процессе 1-а-2 больше теплоты в процессе 1-b-2, которая, в свою очередь, больше теплоты в процессе 1-с-2 ( ).

Теплота является аддитивной величиной. Это значит, что теплота какой-либо совокупности процессов равна сумме количеств теплоты этих процессов

.

(32)

Теплота является экстенсивной величиной. Это следует из того, что энтропия системы, как координата состояния, зависит от массы вещества в системе, т.е.

.

(33)

Подставляя (33) в (31), для замкнутой системы с постоянной массой получим

.

(34)

Вводя в рассмотрение удельную теплоту

(35)

как теплоту, которой обменивается с окружающей средой 1 килограмм вещества системы (Дж/кг), можно записать, что

.

(36)

Из этого свойства теплоты, т.е. из того, что теплота пропорциональна массе системы, а так же из аддитивности массы следует, что количество теплоты, которым система обменивается с окружающей средой, равно сумме количеств теплоты всех частей системы.