2.3 Измерения внутренней энергии

Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, то, казалось бы, измерения внутренней энергии тела должны сводиться к измерению температуры и других параметров состояния. Однако это возможно было бы только при предварительной градуировке тела  сопоставлению значения внутренней энергии любому набору параметров состояния. Такая процедура возможна в силу закона сохранения энергии.

При проведении работы над системой в адиабатической оболочке в силу справедливости уравнения (7) контролируемо изменяется внутренняя энергия. Таким образом, если выбрать какое-либо состояние в качестве опорного и положить значение внутренней энергии в этом состоянии равным нулю, то любое другое заданное значение внутренней энергии можно получить, совершив над системой заданную работу. При этом внутренняя энергия определится с точностью до произвольной постоянной.

3. Теплота

3.1 Явление теплообмена

Примером теплообмена является известное явление нагревания тела при его контакте с другим, более горячим, телом. При этом внутренняя энергия тела увеличивается без совершения работы. Теплообмен возможен и без прямого контакта.

Опыт 2. Если к резервуару с зачерненной поверхностью поднести нагретое тело без приведения в непосредственный контакт, то воздух в резервуаре нагревается, что проявляется в повышении его давления.

Коротко рассмотрим механизм передачи энергии через теплообмен. При теплообмене через прямой контакт горячее и холодное тела составляют единую термодинамическую систему. При тепловом контакте газов молекулярные столкновения в области контакта происходят так, что чаще молекулы с большей кинетической энергией передают энергию молекулам с меньшей кинетической энергией (иногда происходит, конечно, и обратный процесс). Понятно, что скорость теплопередачи в газах должна быть близкой скорости самодиффузии. Если в теплообмене участвуют твердые тела, то молекулярное тепловое движение в них представляет собой набор звуковых волн самой разной частоты. Различие температур выражается в различии апмлитуд волн. Больше температура  большие амплитуды. При механическом контакте звуковые волны с большей амплитудой из первого тела проходят во второе тело, в котором звуковые волны имеют меньшую амплитуду. Внутренняя энергия второго тела увеличивается. Проведенное объяснение не является полным. Из него остается не выясненным вопрос: почему скорость теплопередачи в твердых телах гораздо меньше скорости звука. В данной лекции мы не будем касаться этой проблемы.

3.2 Теплота

Количество энергии, полученное без совершения работы, называется теплотой Q. При сообщении телу теплоты dQ выполняется соотношение

dU=dQ (15)

Количество теплоты Q, как и внутренняя энергия, измеряется в джоулях (Дж). Но, до сих пор используется и внесистемная единица  калория (кал), которая была введена в физику, когда еще думали, что теплота является особо тонкой материей  теплородом, или флогистоном. 1 кал=4,27 Дж. Если при совершении работы внутренняя энергия пополняется за счет упорядоченной формы энергии (например, механической), то при теплопередаче увеличение внутренней энергии происходит за счет передачи энергии в хаотической форме (движение молекул хаотическое).

Экспериментально установлено, что

J₁₂=(T₁T₂). (16)

Здесь J₁₂ - поток энергии от тела с температурой T₁ к телу с температурой T₂, –- коэффициент теплопередачи.

Переданное или полученное количество теплоты измеряют в калориметрических опытах. Тепло определяется по изменению температуры (внутренней энергии) калориметрического тела (часто в качестве калориметрического тела используется жидкость).

Пример. Воздух в двадцатилитровом баллоне при начальном давлении 10⁶ Па и начальной температуре 20С нагрели до температуры 50С. Какое количество теплоты было передано воздуху?

В рассматриваемом примере калориметрическим телом является воздух. Из данных примера определим число молей воздуха. Из уравнения состояния:

PV=RT  . (17)

Воздух является смесью азота, кислорода и небольшого количества других газов, поэтому его можно считать двухатомным газом. Для него:

(18)