Кількість теплоти. Робота в термодинаміці

Нехай внутрішня енергія системи змінилася за рахунок взаємодії із зовнішнім середовищем на величину dU. За законом збереження і перетворення енергії такою ж за абсолютною величиною повинна бути зміна енергії тих тіл навколишнього середовища, з якими взаємодіяла система. Весь досвід фізики вчить, що обмін енергією між двома будь-якими матеріальними об’єктами може відбуватися тільки в двох формах: у формі роботи і у формі теплоти. Передача енергії у формі роботи передбачає не тільки роботу звичайних сил механічної природи, але електричних, магнітних сил, сил поверхневого натягу та ін. Елементарну роботу довільної сил в загальному випадку можна представити у вигляді

(4.3.1)

де Xi – зовнішня узагальнена сила, Yi – узагальнена координата (зовнішній параметр, зміна якого обумовлює вчинення роботи). Наведемо приклади.

При механічному переміщенні елементарна робота

(4.3.2)

де F – зовнішня сила, під дією якої тіло перемістилося на dx в напрямку її дії.

При обертальному русі

(4.3.3)

де M – момент зовнішніх сил, повертаючих тіло на кут dφ .

Робота переміщення електричного заряду в електричному полі

(4.3.4)

де U – різниця потенціалів, а q – заряд.

Робота сил поверхневого натягу

(4.3.5)

де σ – коефіцієнт поверхневого натягу, dS – збільшення поверхні рідини.

Елементарна робота, необхідна для збільшення індукції на dB в одиниці об’єму магнетика,

(4.3.6)

де H – напруженість поля всередині магнетика.

Робота розширення речовини, що чиниться проти сил рівномірно розподіленого зовнішнього тиску pc навколишнього середовища

(4.3.7)

де dV – елементарне розширення об’єму речовини. Число прикладів можна збільшити.

Повна робота, якою обмінюється розглянута система з оточуючими тілами,

(4.3.8)

де n – число різнорідних впливів (механічних, електричних, магнітних і т. д.) на тіло. Елементарну роботу, чинену системою над зовнішніми тілами, умовилися вважати додатною (ΔA > 0) ; якщо робота здійснюється над системою, то їй приписується негативний знак (ΔA < 0)

Важливо підкреслити, що робота – це спосіб обміну енергією між системою і навколишнім середовищем. Якщо такого обміну немає, то ні у розглянутої системи, ні навколишнього середовища немає певної кількості роботи, тобто робота не є функцією стану.

Другий спосіб зміни внутрішньої енергії системи не супроводжується макроскопічною (видимою) роботою, тобто при цьому способі зовнішні тіла не переміщуються або не змінюються чинні на систему зовнішні поля. Цей спосіб зміни внутрішньої енергії системи називають теплообміном (теплопередачею) і полягає він у тому, що розглянута система приводиться в тепловий контакт із зовнішнім середовищем, що має температуру, відмінну від температури самої системи. Передача енергії у процесі теплообміну відбувається на мікроскопічному рівні в результаті зіткнення молекул на поверхні розділу тел: молекули тіла з більшою температурою мають велику середню кінетичну енергію і передають її молекулам іншого тіла, що має меншу температуру.

Кількість енергії, якою обмінюється система та навколишнє середовище в процесі теплообміну, називають кількістю теплоти. Елементарну кількість теплоти, отриманої системою, прийнято вважати величиною додатною (ΔQ > 0) , віддану – негативною (ΔQ < 0)

Кількість теплоти виявляється лише в процесі обміну енергією системи і навколишнього середовища. Тому безглуздо говорити, що у тіла є певна кількість теплоти. Біля тіла може бути лише певна кількість внутрішньої енергії. Тому внутрішня енергія – функція стану, а теплота, як і робота, не є функцією стану.

Всі три введені величини – внутрішня енергія, робота і теплота входять в рівняння першого закону термодинаміки.