Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики.

Совершение работы и выделение энергии при термодинами­ческих процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии.

Под внутренней энергией системы U в термодинамике пони­мают сумму кинетической энергии движения всех микрочастиц системы (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия между собой. Подчеркнем, что механическая энергия (потенциальная энергия тела, поднятого под поверхно­стью Земли и кинетическая энергия его движения как целого) не входит во внутреннюю энергию.

Опыт показывает, что существуют два способа изменения внутренней энергии системы — совершение механической рабо­ты над системой и теплообмен с другими системами.

Первый способ изменения внутренней энергии — совершение механической работы А' внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А(А= —А'). При совер­шении работы внутренняя энергия системы изменяется за счет энергии внешнего источника. Так, при накачивании велоси­педного колеса система нагревается за счет работы насо­са, при помощи трения наши предки смогли получить огонь и т. д.

Второй способ изменения внутренней энергии системы (без совершения работы) называется теплообменом (теплопереда­чей). Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обознача­ется Q.

Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, кон­векция, тепловое излучение.

При теплопроводности происходит передача теплоты от бо­лее нагретого тела к менее нагретому при тепловом контакте между ними. Теплообмен может происходить и между частями тела: от более нагретой части к его менее нагретой без переноса частиц, составляющих тело.

Конвекция — перенос теплоты потоками движущихся жид­кости или газа из одних областей занимаемого ими объ­ема в другие. При нагревании чайника на плите теплопро­водность обеспечивает поступление теплоты через дно чай­ника к нижним (пограничным) слоям воды, однако нагре­вание внутренних слоев воды как раз и есть результат кон­векции, приводящей к перемешиванию нагретой и холодной воды.

Тепловое излучение — перенос теплоты посредством электро­магнитных волн. При этом отсутствует механический контакт нагревателя и получателя теплоты. Например, при поднесении руки на небольшое расстояние к лампе накаливания Вы по­чувствуете ее тепловое излучение. Земля получает энергию от Солнца также за счет теплового излучения.

Поскольку внутренняя энергия U однозначно определяется термодинамическими параметрами системы, то она является функцией состояния. Соответственно, изменение внутренней энергии U при изменении состояния системы (изменение температуры, объема, давления, переход из жидкого состояния в твер­дое и т. д.) может быть найдено по формуле

где U1 и U2 — внутренняя энергия в первом и во втором состоя­ниях. Напомним, что изменение внутренней энергии U не зависит от промежуточных состояний системы в процессе такого перехода, а определяется только начальным и конечным значе­ниями энергии.

Термин «энергия» был впервые предложен Т. Юнгом в 1807 г. Приставка "эн" означает «емкость», «содержание», а корень «эрг» происходит от слова «работа».

Количество теплоты Q — скалярная физическая величина, которая является мерой изменения внутренней энергии системы (тела) в процессе теплообмена (теплопередачи).

Силы давления газа при его расширении или сжатии совер­шают работу над окружающими телами. Так, например, в двига­теле внутреннего сгорания вследствие нагревания газ расширя­ется и толкает поршень, приво­дя тем самым автомобиль в движение.

Для вычисления механиче­ской работы, совершаемой тер­модинамическими системами, рассмотрим идеальный газ под поршнем в цилиндре (рис. 65). Пусть под действием силы

 

 

 

 

 

 

давления газа F поршень поднялся на высоту h. При этом соверше­на работа A = Fh. Сила давления, действующая со стороны газа на поршень площадью поперечного сечения S, F = pS, где р — давление газа. Таким образом, работа газа .

Здесь ΔV = Sh— изменение объема газа в цилиндре при переме­щении поршня.

Таким образом, работа газа зависит от способа перехода из начального состояния в конечное. Работа в термодинамике является функ­цией процесса и не является функцией состояния. Следователь­но, работа в термодинамике может быть определена только при указании вида процесса, в котором участвует термодинамиче­ская система: работа при изотермическом сжатии, работа при изобарном расширении газа и т. д.

Вследствие того что работа термодинамической системы является функцией процесса, она не равна нулю для замкнутого цикла. Именно благодаря этому свойству работают тепловые машины, превращающие тепло в работу.

Физики XVIII в. и первой половины XIX в. рассматривали теплоту как особое невесомое вещество, содержащееся в телах. Это вещество называлось теплородом, и считалось, что его общее количество в термодинамической системе при тепловых процессах остается неизменным. Основным понятием теории теплорода было количество теплоты, которое осталось до настоя­щего времени. Понятие «общего» количества теплоты, содержа­щегося в системе, не имеет смысла. Можно говорить лишь о количестве теплоты, которое определенным образом подво­дится к системе, так как оно зависит от «способа подведения». Поэтому количество теплоты, так же как и работа, не является функцией состояния, а является функцией процесса.

Первая единица измерения количества теплоты определя­лась как количество теплоты, необходимое для нагревания 1г дистиллированной воды на 1 °С (или на 1 К) от 19,5 °С до 20,5 °С,— это была калория (1 кал).

В начале XIX в. английский физик Джеймс Джоуль поставил ряд опытов, которые показали, что процесс передачи теплоты, так же как и процесс совершения работы,—это спосо­бы передачи энергии. Подвешенный груз заставляет вращаться турбину с лопастями, трение которых о воду приводит к повышению температуры воды, измеренному Джоулем. Такое же повышение температуры воды можно было получить при ее нагревании на плите. Джоуль обнаружил, что определенная работа всегда эквивалентна определенному количеству теплоты. Он установил, что работа А=4,186 Дж эквивалентна Q=1 кал теплоты:

1 кал = 4,186 Дж.

Это соотношение называется механическим эквивалентом теп­лоты I:

 

В СИ единицей измерения количества теплоты является 1 Дж. В настоящее время на практике также используют внесистемные единицы измерения количества теплоты 1 кал, 1 ккал.

Прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процес­се, называется калориметром. Это слово происхо­дит от латинского слова саlor — тепло и греческого «метрио» — измеряю и было предложено французскими учены­ми Антуаном Лавуазье и Пьером Лапласом в 1780 г.

Понятие «работы» как произведения силы на путь ввел в физику в качестве количественной меры работы в 1826 г. французский, ученый Жан Виктор Понселе.

Первое начало термодинамики: количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу, совершаемое системой против внешних сил .

Первое начало термодинамики запрещает существование древней мечты человечества – вечного двигателя, в частности вечного двигателя «первого рода». Вечный двигатель «первого рода» - устройство, которое может совершать работу, превышающую затраченную, т. е. имеющий коэффициент полезного действия ŋ>1.

 

 

Билет 19