3.4. Работа и теплота.

Обмен энергией между закрытой термодинамической системой и внешними телами может осуществляться двумя качественно различными способами: путем совершения работы и путем теплообмена (конвективного теплообмена, теплопроводности, теплообмена излучением).

Первый способ осуществляется при силовом взаимодействии между телами.

Энергия, передаваемая при этом рассматриваемой термодинамической системе внешними телами, называется работой, совершаемой над системой ( ).

Энергия, передаваемая системе внешними телами, путем теплообмена, называется теплотой, получаемой системой от внешней среды.

В термодинамике процесс изменения энергии макроскопической системы при изменении внешних параметров называется работой.

Работу над системой производят внешние силы. Для совершения работы над макроскопической неподвижной системой нужно, чтобы перемещались взаимодействующие с ней внешние тела, т.е. чтобы изменялись внешние параметры системы.

В отсутствии внешних силовых полей обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой может осуществляться путем совершения работы лишь в процессе изменения объема и формы системы (например, так ведет себя поршень в цилиндре с газом).

Работа , совершаемая внешними телами над системой численно равна и противоположна по знаку А работе, совершаемой самой системой над внешней средой, т.е. против внешних сил.

(9)

В отличие от внутренней энергии системы, которая является однозначной функцией состояния этой системы, понятие теплоты и работы имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы. Они являются энергетическими характеристиками этого процесса.

Работа и теплота - характеристики процесса изменения энергии, для их определения надо знать не только переходные и конечные состояния системы, но и все промежуточные состояния процесса, поэтому они не являются функциями состояния.

3.5. Полное изменение энергии равновесной системы. Первое начало термодинамики.

Существование двух способов передачи энергии термодинамической системе позволяет проанализировать с энергетической точки зрения равновесный процесс перехода из какого-либо начального состояния 1 в другое состояние 2.

Изменение внутренней энергии системы в таком процессе равно сумме:

- работы , совершаемой над системой внешними силами ,

- и теплоты , сообщенной системе:

(10)

Работа численно равна и противоположна по знаку работе , совершаемой самой системой против внешних сил в том же процессе перехода:

Поэтому выражение (10) можно переписать

(11)

Выражение (11) представляет собой закон сохранения энергии, который впервые был получен в термодинамике и является математической записью первого закона (первого начала) термодинамики: количество теплоты, сообщенной системе, идет на приращение (изменение) внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними телами.

При вычислении совершенной системой работы или полученного системой тепла обычно приходится разбивать рассматриваемы процесс на ряд элементарных процессов, каждый из которых соответствует весьма малому (в пределе – бесконечно малому) изменению параметров системы.

Первый закон термодинамики обычно записывают для изменения состояния системы, вызванного

сообщением ей малой теплоты ,

совершаемой системой элементарной (малой) работы

и приводящего к малому изменению внутренней энергии:

(12)

Отличия в записи ( , , ) малых величин теплоты, работы и изменения внутренней энергии выражают глубокие физические различия этих величин:

- При совершении системой произвольного процесса , в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние , полное изменение внутренней энергии системы равно нулю. Математической записью этого вывода является тождество: , которое является необходимым и достаточным условием того, чтобы выражение представляло полный дифференциал.

- Ни теплота , ни работа не являются функциями состояния и поэтому не являются полными дифференциалами

Все входящие в формулу (12) величины являются алгебраическими.

Знаки в уравнении (12) определим следующим образом.

1. количество теплоты

• Если > 0 - система получила теплоту (эндотермический процесс).

Если < 0 - система отдает теплоту (экзотермический процесс).

Общее количество теплоты , сообщаемое системе в процессе 1 – 2 равно алгебраической сумме теплот , сообщаемых на всех участках этого процесса 1 – 2 :

2. работа .

• Если > 0- система совершает работу над внешними телами;

• Если < 0- над системой внешние силы совершают работу.

Работа , совершаемая системой в конечном процессе 1 – 2, равна алгебраической сумме работ , совершаемых на всех участках этого процесса 1 – 2 :

Выражение (12) определяет полное изменение энергии , которое может проходить только за счет

• тепловых воздействий, когда внешние параметры системы А зафиксированы,

или

• за счет работы, когда внешние параметры изменяются под действием обобщенных сил самой различной природы (механические, электрические и т.д.).

Внутренней энергией системы называют кинетическую энергию хаотического движения частиц и потенциальную энергию их взаимодействия.

Таким образом, внутренняя энергия - это полная энергия системы за вычетом кинетической энергии системы как целого и потенциальной энергии её в поле внешних сил.

Справедливость постулированного первого начала термодинамики доказывается не только прямыми опытами. Первое начало позволяет, не вдаваясь в детали механизма процессов, получить многочисленные следствия и количественные соотношения. В этом его громадное познавательное значение. Подтверждаемые опытом такие следствия и соотношения дают несравненно более точное и надежное доказа­тельство самого первого начала, нежели прямые опыты.