2.3 Енергія, теплота, робота

Енергія оточує нас усюди. Їй ми зобов’язані виникненням життя на землі. Але ми так пов’язані з нею, з її якостями й проявами, що часом забуваємо про те, що саме завдяки їй людству вдалося створити ті речі, які нас оточують. Рівень матеріальної й духовної культури людей прямо залежить від тієї кількості енергії, що перебуває в їхньому розпорядженні.

Значення енергії для сучасного суспільства наочно було продемонстровано в листопаді 1965 року, коли Нью-Йорк і найближчі до нього міста сколихнула найбільша аварія[15]. На лінії електромережі між США й Канадою виникли негаразди, в результаті яких відключилися електростанції потужністю близько 45 міл. кВт. Нью-Йорк огорнула суцільна темрява. Зупинилися всі види транспорту, завмерли всі електродвигуни й електроустановки, зупинилися ліфти, які позбавлені припливу повітря, перетворилися в душогубки. Порушилися технологічні процеси на підприємствах, що привело до аварій і пожеж. Почалися пограбування. Паніка охопила місто.

Одержавши наступного дня енергію місто стало приходити в себе. Багато виявилося загиблих, покалічених і поранених людей. Десятки тисяч тон продовольства, що зберігалося в холодильниках, зробилося непридатним.

Що ж таке “енергія”?

Уперше це поняття нібито з’явилося в роботах Аристотеля більше 2000 років тому. Ен (грец.) – означає “в”, “зміст”; ерг – “робота”, тобто здатність тіла виконувати роботу.

Поняття про енергію спочатку було застосовано в теоретичній механіці. Де розрізняли потенційну (енергія піднятого вантажу, розтягнутої пружини) і кінетичну (енергія тіла, що рухається) енергію.

Потенціальна енергія Е_пот характеризує здатність тіла з нерухомого стану перейти в рух, кінетична Е_кін – характеризує сам рух. Вони перетворюються одна в одну й для ізольованої системи

Е_пот + Е_кін = const (2.1)

Енергію вимірюють роботою, яку здатне зробити тіло. Так, кінети- чну енергію вимірюють роботою, яку тіло здатне зробити при його гальмуванні до повної зупинки. Отже, енергія – властивість тіла за певних умов виконувати роботу.

Таким чином, енергія є кількісною (кількість зробленої роботи) та якісною (характеристика стану тіла перед здійсненням роботи) мірою руху матерії, вона, як і маса речовини, не може створюватися або знищуватися, а лише перетворюється з однієї форми в іншу.

Серед різних форм енергії нас, як фахівців з холодильних установок, найбільш цікавлять механічна й теплова енергія, які називають роботою й теплотою, хоча ці два поняття визначають у всякому разі не форми енергії, а, скоріше, засоби її передачі.

Зупинимося більш докладно на визначенні роботи. Важливо вміти обчислювати кількість роботи, що може бути зроблена або яка потрібна, незалежно від того, яким засобом та якою ціною вона виконана. Для нас з вами – холодильщиків – важливо інше, обчислення роботи при стисненні пари у компресорі.

Для більшості з нас робота, у найбільш примітивному змісті цього слова, є все те, що викликає в нас утому. З досвіду ми знаємо, що ступінь утоми й, отже, кількість зробленої нами роботи залежить від того, яку м’язову силу й на якому шляху ми додаємо, коли тягнемо, штовхаємо або піднімаємо вантаж. З такого примітивного досвіду виникає кількісне визначення механічної роботи як добутку сили й відстані

А = FL, (2.2)

де А – кількість роботи, що робить сила величиною F, яка діє на шляху L. Одиниці виміру роботи пов’язані з одиницями сили й відстані. Сила у 1 ньютон на шляху 1 метр виконує роботу у 1 Н×м = 1 Дж (джоуль).

Важливо підкреслити, що, для того щоб була зроблена робота, повинні існувати як сила, так і переміщення. Якщо одна з величин, F або L, дорівнює нулю, то, відповідно до співвідношення (2.2), робота А також дорівнює нулю. З якою би завзятістю ви не штовхали стіл викладача та як би ви при цьому не втомилися, ви не зробите ніякої роботи, якщо стіл не зрушив з місця.

Таким чином, робота є кількісним заходом впливу навколишнього середовища на тіло. У механіці роботу вимірюють добутком сили, що діє на тіло в напрямку переміщення, на величину переміщення точки додатка сили. У термодинаміці механічною роботою називають роботу витрачену не тільки на зміну положення тіла, але й на зміну його форми. Якщо відомо, на яку відстань змістився поршень, то неважко обчислити роботу, зроблену над ним.

Щоб була зроблена робота, об’єм повинен змінитися. Роботу, пов’язану зі зміною об’єму системи, можна обчислити, помноживши тиск р на зміну об’єму ΔV

А = p(V_кін – V_поч) = pΔV (2.3)

Буквами ΔV скорочено позначена зміна об’єму – різниця між кінцевим V_кін і початковим V_поч об’ємами.

Поняття теплоти спочатку виникло з відчуття “тепле-холодне”. Джозеф Блек (1728-99 рр) уперше встановив розходження між температурою, як мірою нагріву тіла, і теплотою, кількість якої для даного тіла визначає ступінь нагрівання. Крім цього він встановив залежність ступеня нагріву від властивостей тіла, тобто ввів поняття про теплоємність.

Про природу теплоти були майже одночасно висловлені дві гіпотези, які набагато старші, ніж їхні автори. Боротьба між прихильниками цих гіпотез тривала більше 200 років. Коли вона закінчилася, з’ясувалося: одна гіпотеза зазнала повної поразки, інша одержала лише часткову перемогу.

Автор першої гіпотези Галілео Галілей (564-1642 рр), один з засновників точного природознавства. По Галілею, теплота – речовина, здатна проникати в усі тіла й виходити з них, подібно тому, як вода переливається з посудини в посудину. Гіпотеза про речовинну природу теплоти приводила до положення: теплота не породжується, не знищується, а тільки перерозподіляється між тілами.

Вважалося, що теплота визначається в тілі наявністю теплорода (флогістон - одна з назв цієї речовини), яким тіла обмінюються в процесі теплопередачі. Теплород міг задовільно пояснити багато явищ, окрім тертя. Звідки береться тепло при терті тіл одне об одне з однаковою температурою. Гемфрі Дэві в посудині без повітря здійснив тертя двох шматків льоду. Підсумок: лід станув, хоча теплороду явно нізвідкіля було узятися.

Другу гіпотезу висунув Френсіс Бекон (1561 – 1626 рр) на підставі того, що рух може викликати нагрівання тіла. Його висновок: теплота є рух малих часток тіла. М. Ломоносов приходе до такого ж висновку: ” ... достатня кількість теплоти полягає в русі. А зважаючи на те, що рух не може відбуватися без матерії, то необхідно, щоб достатня кількість теплоти була в русі будь якої матерії.”

По другій гіпотезі теплота не є вже речовиною, що утримується в тілі. Температура визначається не кількістю теплорода в тілі, а швидкістю руху нечутливих часток.

Таким чином, термін теплота характеризує взаємодію систем, що перебувають у контакті при різних температурах.

Блэк першим усвідомив розходження між температурою тіла і його теплоємністю. Теплоємність – це міра кількості теплоти, що потрібна для зміни температури на один градус у деякій шкалі. Теплоємність лежить в основі кількісного виміру теплоти. Блэк встановив також розходження між звичайною кількістю теплоти, що супроводжується зміною температури в процесі теплової взаємодії та є основою для виміру теплоємності, і “схованою” теплотою, пов’язаною з фазовими переходами, що мають місце при тепловій взаємодії без зміни температури Тому кількість теплоти, необхідну для випару одиниці маси якоїсть речовини, називають теплотою випару цієї речовини.

Будь-які енергетичні процеси зводяться до перетворення однієї форми енергії в іншу з чітким дотриманням закону збереження енергії. Закон збереження енергії є абсолютним законом природи: енергія не зникає й не виникає знову, а лише переходить із одного виду в іншій у різних фізичних і хімічних процесах.

Передача енергії від одного тіла до іншого відбувається двома шляхами: теплотою й роботою. За своєю сутністю ці поняття близькі, одиницею їхнього виміру є джоуль. Розходження між ними полягає в тому, що вони є різними формами передачі енергії. Передача енергії у формі теплоти здійснюється або при безпосередньому контакті тіл, що мають різну температуру, або за допомогою випромінювання. Кількість переданої енергії називається теплотою й дорівнює зменшенню внутрішньої молекулярної (теплової) енергії більш нагрітого тіла й збільшенню внутрішньої молекулярної енергії менш нагрітого тіла. Передача енергії у формі роботи являє собою процес силового впливу одного тіла на інше, що супроводжується наочним переміщенням одного тіла щодо іншого, або зміною об’єму. Кількість переданої енергії називається роботою, величина якої дорівнює збитку запасу енергії одного тіла й збільшенні його в іншого.