1.2.2. Теплота. Робота. Теплоємність

При взаємодії термодинамічної системи з зовнішніми тілами, є два способи зміни енергії цієї системи:

1. здійснення якоїсь роботи;

2. здійснення теплообміну.

Тому кажуть, що обмін енергією між системою і зовнішніми тілами відбувається у вигляді роботи, або у вигляді теплоти.

Робота А – кількісна міра енергії, яка витрачається системою для обміну із зовнішніми тілами в результаті механічної взаємодії з ними.

За визначенням робота А дорівнює добутку сили на шлях:

.

Виконання роботи над макроскопічною нерухомою системою означає, що повинні рухатись зовнішні тіла, що діють на систему, тобто повинні змінюватись форма і об’єм системи.

Рис. 1

Наприклад, якщо взяти газ у деякому циліндрі з поршнем в положенні 1, що переміщується в положення 2, при переміщенні поршня на dx буде виконана робота dA:

. (3)

При переміщенні поршня з положення 1 в положення 2 буде виконуватись робота:

. (4)

Рис. 2

При переході системи з стану 1 в стан 2, робота залежить від способу переходу. Робота процесу переходу з 1 в 2 через різні стани (а) і (б) не буде однаковою, а результуюча робота повного процесу 1(а)2(б)1 не дорівнює нулю, а буде пропорційна заштрихованій фігурі (заштрихованій площі) і можна записати :

. (5)

Із сказаного слідує, що елементарна робота не є повним диференціалом, а сама робота А не є функцією стану системи.

Теплота – міра енергії, якою система обмінюється з зовнішніми тілами шляхом теплопередачі без механічної роботи. Передача енергії у вимірюванні теплоти може відбуватися слідуючими способами:

1. конвекційним;

2. теплопровідністю (як теплообмін при контакті тіл);

3. теплообмінним випромінюванням (потік сонячної енергії).

Якщо система виходить з початкового стану, а потім повертається в нього, то повна зміна теплоти не завжди дорівнює нулю:

. (6)

Кількість теплоти не є повним диференціалом, а робота не є функцією стану системи, таким чином на відміну від внутрішньої енергії, яка є однозначною функцією стану системи, поняття теплоти і роботи мають зміст лише у зв’язку з процесом переходу. Вони є енергетичними характеристиками цього процесу. Теплоту і роботу можна розглядати як способи обміну енергії між тілами, а не як різні форми енергії. Обидва ці способи обміну енергією нерівноцінні, але в реальних умовах завжди супроводжують один одного.

Здійснення роботи над системами може призвести до зміни будь-якого виду енергії, в тому числі кінетичної енергії поступального руху мікроскопічної системи, а значить і до зміни температури системи.

При нагріванні тіла розширюються, а це значить, що робота, яка здійснюється направлена проти зовнішніх сил.

Для характеристики теплових характеристик тіл використовуються поняття теплоємність. Теплоємність – відношення кількості теплоти, яка отримана тілом при нескінченно малій зміні його температури до цієї зміни:

. (7)

Теплоємність тіла залежить від його хімічного складу, маси, термодинамічного стану і від виду процесу зміни стану тіла при наданні йому кількості теплоти Q.

Для однорідних тіл краще користуватися поняттям питомої та мольної теплоємності.

Під питомою теплоємністю розуміють теплоємність одиниці маси речовини:

. (8)

Молярна – теплоємність 1 моля речовини:

. (9)

На основі рівнянь (1.2.7) і (1.2.9), кількість теплоти, яка надана тілу при зміні його температури на величину dT:

. (10)

Залежність теплоємності від виду процесу зміни стану в системі детальніше розглянемо при вивченні ізопроцесів ідеального газу.