6. Первое начало термодинамики Теплота и работа

Неотъемлемым свойством материи является движение. Энергия – общая мера различных форм движения материи. Теплота и работа являются различными формами передачи энергии. Поэтому не имеет смысла говорить, что тело обладает каким-то запасом тепла или работы. Можно лишь констатировать, что телу сообщена (или от тела отнята) определенная теплота или определенная работа.

Привычное и, казалось бы, столь очевидное понятие, как теплота, оказалось на самом деле непростым. Природу теплоты объясняли бесспорным и очевидным как будто бы фактом: при нагревании системы ее температура повышается – значит, система получает «что-то». И наоборот. Это «что-то» было названо теплотой. Были высказаны две гипотезы.

1) (Г. Галилей): теплота – это вещество, т.е. теплород, который не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами. Отсюда, слово «температура» - смесь (из материи тела и теплорода). Градус темпера­туры выражал крепость этой смеси. (Понятен обычай мерить в градусах крепость вина – смесь воды и спирта).

2) (Ф. Бэкон): теплота есть внутреннее движение мельчайших частиц тела, и температура тела определяется скоростью движения частиц в нем (механическая теория теплоты) – Ломоносов (1748 г.).

Обе гипотезы позволяют говорить о количестве теплоты, содержащейся в системе. По обеим гипотезам, изменение количества теплоты в системе определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехо­да.

В XIX века наука пришла к очень важному выводу: теплота не содержится в системе и не является свойством систе­мы. Поэтому обе гипотезы неверны, хотя вторая и применима, только не к теплоте, а к тепловой энергии системы.

Количество тепловой энергии в термодинамическом процессе является мерой тепловой энергии, подведенной к системе или отведенной от системы.

Дж. К. Максвелл говорил: «Мы должны тщательно запомнить: мы знаем о теплоте только то, что случается, когда теплота переходит от одного тела к другому. Мы не должны предполагать, что теплота, когда она вошла в систему, существует в ней в виде теплоты».

Можно говорить лишь о том, сколько тело отдаст или получит теплоты в том или ином процессе. Количество тепло­ты зависит и от пути, по которому происходило изменение его состояния.

Теплота – передача беспорядочного движения посредством ударов молекул (причем контакт двух тех с различными тем­пературами необязателен).

Количество теплоты, полученное телом, принято считать положительным, а отданное телом – отрицательным. Единицей количества теплоты является джоуль.

Работа представляет собой иной механизм передачи энергии и является мерой механической энергии. В случае механической работы обязательно имеет место изменение объема тела. Работа – это передача упорядоченного движения от одного участника к другому с преодолением сопротивления. Она производится при перемещении тела в пространстве под действием механической силы. Измерение ее произведет таким образом: (работа [1 Дж]) = (сила, постоянная и действующая вдоль перемещения [1 Н ]) умноженная на (перемещение [1м]).

Но очень важно уметь вычислять работу по данным и о термодинамической системе.

В дальнейшем мы получим очень важный для термодинамики вывод: работа также не является функцией состояния, а есть функция процесса, т.е. работа не является свойством системы.

Теперь мы видим, что по своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. Можно сказать, что теплота – определенный вид работы, но особого рода работы, совершаемой, так сказать, на молекулярном уровне, т.е. молекулами больших энергий над молекулами меньших энергий.