2.10.3. Теплообмен, теплоемкость системы

Под теплообменом (теплопередачей) понимают процесс обмена энергией между системой и внешними телами, при котором не происходит изменение объема системы, не перемещаются ее макроскопические части. Энергия, получаемая или отдаваемая системой при таком процессе, называется количеством теплоты. Если система получает теплоту, то она считается положительной, если отдает - отрицательной.

Теплообмен может происходить за счет соударений молекул системы и внешних тел на границе их раздела, за счет лучеиспускания (молекулы системы поглощают электромагнитное излучение внешних источников) и за счет конвекции - процесса переноса тепла в жидкости, газе, сыпучих средах за счет потоков вещества. Примером конвекции является перемешивание нагретых и холодных слоев воздуха в земной атмосфере.

В чистом виде теплообмен реализуется для изохорического процесса ().

Для расчета количества теплоты, получаемой или отдаваемое системой, вводится понятие теплоемкости системы

. (2.37)

Теплоемкость системы равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить системе, чтобы нагреть его на один градус.

Вводятся также удельная () и молярная () теплоемкости системы

, , (2.38)

где - масса системы, а- количество вещества.

При известных теплоемкостях системы можно рассчитать количество теплоты, которое получает или отдает система при теплообмене

. (2.39)

Все эти формулы записаны в том случае, когда в системе не происходят изменения агрегатного состояния вещества (плавление или кристаллизация, конденсация или парообразование, эти процессы происходят при постоянной температуре), в этих случаях можно записать

, , (2.40)

где используются определяемые из опыта удельная теплота плавления и парообразования:,.

2.11. Первый закон (начало) термодинамики

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии в тепловых процессах.

, . (2.41) Согласно первому закону термодинамикиколичество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой над внешними телами. Формула (2.41) записана как для элементарных процессов, так и для процесса, при котором происходит конечное изменение параметров системы.

Отметим различие между внутренней энергией системы, с одной стороны, и работой и количеством теплоты, с другой стороны. При переходе системы из одного состояния в другое она обменивается с внешними телами энергией, при этом совершается работа и передается количество теплоты. Это приводит к изменению внутренней энергии системы. В конечном состоянии внутренняя энергия принимает вполне определенное значение, а работа и теплообмен прекращаются.

Следовательно, состояние системы нельзя охарактеризовать определенными значениями работы и количеством теплоты – эти величины зависят от процесса перехода и характеризуют только сам этот процесс перехода. Так, например, нельзя сказать, что в данном состоянии количество теплоты равно 10 Дж, а работа составляет 5 Дж.

Чтобы наглядно показать различие между внутренней энергией и количеством теплоты и работой, их малые изменения для элементарных процессов записывают, как и, а для внутренней энергии как.

Различие между этими величинами наглядно проявляется в зависимости значений работы и количества теплоты от способа перехода из одного состояния в другое (рис. 2.8)

. (2.42)

Из формулы (2.42) следует, что переход различными путями из состояния 1 в состояние 2 приводит к изменению работы системы и количества теплоты, получаемой или отдаваемой системой при таком переходе, а изменение внутренней энергии при этом остается неизменным.

Зависимость количества теплоты от вида происходящего процесса приводит к аналогичной зависимости и теплоемкости системы. Поэтому вводят различные теплоемкости, описывающие протекание процессов при постоянном объеме (), давлении (), температуре () и т.д.

Для кругового процесса первый закон термодинамики запишется таким образом:

. (2.43)

Формула (2.43) позволяет сформулировать первый закон термодинамики в следующем виде: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такое периодически действующее устройство, которое совершало бы работу большую, чем подводимая извне энергия.

Формула (2.43) устанавливает эквивалентность двух форм передачи энергии - работы и теплоты. Они эквивалентны, т.к. представляют собой две формы передачи одной и той же физической величины - энергии, а также при совершении кругового и изотермического процессов работа и количество теплоты совпадают, приводят к одинаковым результатам.