§ 2. Работа и теплота

Изменение количества энергии в теле (системе) может произойти только в том случае, если оно вступит во взаимодействие с другими телами, передавая им часть своей энергии или воспринимая от них часть их энергии. Таким образом, количество энергии в макротеле может меняться только при осуществлении процесса энергообмена с другими телами. Эта передача энергии может осуществляться двумя известными нам путями — посредством работы или теплообмена между телами. Оба способа передачи энергии не являются равноценными. Если затрачиваемая работа может пойти на увеличение любого вида энергии, то теплота без предварительного преобразования в работу пойдет только на увеличение внутренней энергии термодинамической системы.

Хотя теплота и работа имеют одну и ту же единицу измерения, как и энергия (джоуль), они не являются видами энергии, а представляют собой два способа передачи ее и, следовательно, могут проявляться только в ходе процесса передачи теплоты или работы.

Поэтому определенному состоянию системы не соответствует какое-либо значение

При механическом взаимодействии тел или системы и окружающей среды тело, находящееся под более высоким давлением, оказывает силовое воздействие на тело с более низким давлением. Это силовое воздействие внешне проявляется в виде работы одного тела над другим и представляет собой передачу части энергии первого тела второму до наступления равновесия, т. е. до выравнивания давлений.

В случае, если имеют место немеханические воздействия на систему (гравитационные, электрические, магнитные), то в рассматриваемых явлениях силовые поля вызывают эффекты механического перемещения и тогда понятие о передаче энергии в форме работы становится более общим.

Работу сил давления при изменении объема системы называют деформационной работой. Работа деформации в квазистатическом процессе определяется следующим образом.

Пусть таз находится в цилиндре с поршнем, двигающимся без трения (рис. 2.1), давление в окружающей среде а площадь поршня следовательно, сила, действующая на поршень, равна изменение давления при переходе поршня в новое положение.

Рис. 2.1

При бесконечно малом перемещении поршень продвигается на и, поскольку сила действует в направлении перемещения, элементарная работа равна

При бесконечно малом перемещении можно пренебречь величиной второго порядка малости и тогда

(2.9)

а так как представляет собой бесконечно малое увеличение объема, то

(2.10)

Для конечного квазистатического процесса

(2.11)

где пределы 1,2 представляют собой начальный V₁ и конечный V₂ объемы газа.

В уравнении (2.10) величину можно рассматривать как обобщенную силу (потенциал), разность которой у среды и системы вызывает процесс, а величину как обобщенную к о о р д и н а т у, т. е. величину, изменяющуюся под влиянием этого-потенциала.

Таким образом, работа сил давления в элементарном процессе равна произведению обобщенной силы на дифференциал обобщенной координаты.

По аналогии с таким представлением элементарная работа перемещения электрического заряда равна где — потенциал электрического поля, а — заряд; работа сил поверхностного натяжения— где - — поверхностное натяжение, —поверхность. Следовательно, в общем случае элементарная работа

(2.12)

где —обобщенная сила, а _ — обобщенная координата.

При передаче энергии в форме теплоты взаимодействие между телами (системой и окружающей средой) происходит в результате разности температур.

На основании исследований советских ученых К. А. Путилова, А. И. Бачинского и др. выявилось понятие о теплоте как части внутренней энергии, рассматриваемой в момент перехода при контакте от одного тела к другому в результате неупорядоченных соударений молекул атомов, фотонов и других частиц в месте контакта. Этот переход может иметь место лишь в случае наличия разности температур обоих объектов.

Калориметрическим путем можно определить количество теплоты, полученное (отданное) телом, тепловые эффекты химических реакций, эффекта реакций горения топлив, тепловые эффекты фазовых переходов и т. д.

Во всех этих случаях элементарное количество теплоты можно определить как произведение теплоемкости вещества на элементарную разность температур

(2.13)

где — масса, а с — теплоемкость тела.

Таким образом, теплота и работа представляют собой две единственно возможные формы передачи энергии от одного тела к другому.

Количество энергии, передаваемое от одного тела к другому в форме теплоты и работы, зависит от процесса и вследствие этого теплота и работа являются функциями процесса.

Суммарное количество теплоты и работы определяет количество энергии, переданное в процессе энергообмена от одного тела к другому.

В процессе обмена энергией количество теплоты будет соответствовать вполне определенному количеству работы.

Величину называют механическим эквивалентом теплоты,

а обратную ей А = — тепловым эквивалентом работы.

В системе СИ, когда теплота и работа выражаются в джоулях,

Из принципа эквивалентности теплоты и работы следует, что теплота и работа являются двумя эквивалентными формами передачи энергии.