2.2 Работа. Теплота

В термодинамике рассматриваются два способа передачи энергии: путем совершения работы и передачей некоторого количества теплоты.

Для передачи энергии первым способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, т.е. передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой  L Дж, а способ передачи энергии в форме работы.

Второй способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн.

При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому телу.

Количество энергии, переданное вторым способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты  Q Дж, а способ  передача энергии в форме теплоты.

Работа L и количество теплоты Q являются функциями процесса, т.е. их значение будет зависеть от пути перехода (термодинамического процесса).

Элементарная работа, совершаемая газом, определяется формулой вида

. (2.3)

Тогда

(2.4)

Таким образом, работа численно равна площади под кривой процесса на p- диаграмме (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Изображение работы в виде площади под кривой процесса на p- диаграмме

Элементарное количество теплоты определяется формулой вида

(2.5)

Количество теплоты можно выразить через энтропию

(2.6)

где S  энтропия термодинамической системы.

Единицей измерения работы и количества теплоты является Дж.

В термодинамике также используются удельные величины работы , Дж/кг и количества теплоты , Дж/кг, т.е. работа и количество теплоты массы системы равной 1 кг.

2.3 Теплоемкость

Теплоемкостью тела называется величина, численно равная количеству теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на 1 К.

(2.7)

Теплоемкость зависит от внешних условий или характера процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты.

Различают:

 удельную (массовую) теплоемкость теплоемкость 1 кг вещества, Дж/ (кгК);

 молярную теплоемкость  теплоемкость 1 моля вещества, Дж/ (мольК);

 объемную теплоемкость  теплоемкость 1 м³ вещества, Дж/ (м³К).

Для газа теплоемкость также зависит от процесса, при котором осуществляется теплоотдача, при этом выделяют изобарную теплоемкость и изохорную теплоемкость .

Такое разделение связано со свойством газов сильно расширяться при нагревании, тогда как жидкости и твердые тела расширяются при нагревании незначительно.

Если подводить некоторое количество теплоты к газу при постоянном объеме (изохорный процесс), то теплота будет затрачиваться только на приращение внутренней энергии газа (т.е. увеличивается только температура газа). Если подводить некоторое количество теплоты при постоянном давлении (изобарный процесс), то теплота затрачивается не только на приращение внутренней энергии газа (увеличение его температуры), но и на работу расширения (увеличение его объема).

Таким образом, для увеличения температуры газа на 1 К в изобарном процессе понадобиться большее количество теплоты, чем в изохорном.

Разница между и отражена формулой Майера:

(2.8)

Связь между и можно выразить также формулой

(2.9)

где  показатель адиабаты.

Теплоемкость с увеличением температуры увеличивается.

Для идеальных газов эта зависимость имеет вид

(2.10)

где  массовая теплоемкость газа при ;  постоянные, полученные опытным путем.

Для технических расчетов ограничиваются зависимостью

(2.11)

Массовая теплоемкость газовой смеси определяется по формуле

(2.12)

где  массовая теплоемкость компонента газовой смеси;

 массовая доля для компонента.