1.3. Виды и формы обмена энергией.

Формы движения материи и виды энергии. Первой формой, изученной наукой качественно и количественно, была механическая форма движения, состоящая в изменении пространственного расположения макроскопических тел. К середине XIX в. были изучены тепловая, электрическая, химическая, магнитная и другие формы движения и найдены количественные меры для каждой из них. При этом установлено, что передача движения от одних тел к другим может происходить как без изменения, так и с изменением формы движения. В первом случае уменьшение движения некоторой фирмы в одном теле сопровождается таким же увеличением движения той же формы в другом (принцип сохранения движения). Во втором случае уменьшение движения некоторой формы в одном теле приводит к увеличению в другом теле движе­ния иной формы (принцип превращения движения).

Энергия – общая количественная мера для всех форм движения материи, способных превращаться одна в другую.

Любое материальное тело в зависимости от его физической структуры обладает способностью к различным изменениям, т. е. может обладать движением различных форм. Так, например, в смеси газообразных кислорода и водорода возможны механические изменения (сжатие, ускорение потока), химические (горение), электрические (поляризация при помещении в электростатическое поле), магнитные (магнит­ная поляризация молекул кислорода в магнитном поле).

В связи с этим в качестве характеристики вида движения используют понятие вида энергии (кинетическая, гравитационная, химическая, электрическая энергия и др.). Следует иметь в виду, что энергия «данного вида» не является чем-то, что передается от одних тел к другим в своем неизменном качестве. При передаче движения может происходить как исчезновение прежней, так и появление новой формы движения, но при этом энергия как общая мера любых форм движения едина по своей сущности, она не создаваема и неуничтожима.

Особую роль в термодинамике играет понятие теплового движения материи.

Тепловым движение называют хаотическое механическое движение большой совокупности микрочастиц, составляющих макроскопические тела.

Передача движения (энергии) от одних тел к другим происходит в результате взаимодействия этих тел.

Все формы обмена энергией, сводятся к двум принципиально различным способам: совершению работы и теплообмену.

Работа. Передача энергии в результате направленного движения называется работой.

Общим для всех видов работы свойством является принципиальная возможность их полного количественного преобразования друг в друга.

Передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением Микрочастиц называется теплообменом; а количество передаваемой при этом энергии – количеством теплоты, теплотой процесса или теплотой.

1.4. Термодинамическая система. Термодинамическое равновесие.

В любом явлении природы участвует множество различных тел, так или иначе связанных между собой. При термодинамическом изу­чении какого-либо явления в качестве объекта исследования выделяется группа тел или единичное тело, или даже отдельные его части. Объект изучения называется термодинамической системой, а все, что лежит вне его границ, окружающей средой. Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей (внешней) средой.

Простейшим примером термодинамической системы (тела) может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем. К окружающей среде следует отнести цилиндр и поршень, воздух, который окружает их, стены помещения, где находится цилиндр с поршнем, и т. д.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодейст­вий с окружающей средой, то, ее называют изолированной, или замкну­той системой,

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исклю­чающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизоли­рованной, или адиабатной, системой. Примером теплоизолированной системы является рабочее тело, находящееся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между рабочим телом и окружающей средой.

Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и фи­зические свойства, называется физически однородной.

Однородная термодинамическая система (как по составу, так и по физическому строению), внутри которой нет поверхностей раздела, называется гомогенной (например, лед, вода, газы).

Система, состоящая из нескольких макроскопических частей с раз­личными физическими свойствами, отделенных одна от другой види­мыми поверхностями раздела, называется гетерогенной (например, лед и вода, вода и пар и др.).

Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами, В зависимости от числа фаз гетерогенные системы называются двухфазными и трехфазными (газообразное, жидкое и твердое состояние). Компонентом термодинамической системы называют всякую химически однородную систему.

Термодинамическое равновесие.

Если состояние всех тел, входящих в термодинамическую систему, длительное время не изменяется, то говорят, что система находится в термодинамическом равновесии.

Если в термодинамической системе, не имеющей теплоизолиро­ванных и абсолютно жестких перегородок, тела или части тел нахо­дятся не в одинаковом состоянии, то по истечении некоторого времени (рано или поздно) в системе наступит состояние устойчивого термоди­намического равновесия.

При термодинамическом равновесии передача теплоты от одних тел системы к другим и механическое перемещение отдельных частей системы относительно друг друга отсутствуют, т. е. имеет место тепло­вое и механическое равновесие.

При термодинамическом равновесии давление и температура всех тел, составляющих систему; будут равны температуре и давлению ок­ружающей среды. С изменением внешних условий окружающей среды будет измениться и состояние системы, и это изменение наблюдается до тех пор, пока не наступит равенство давлений и температур окру­жающей среды и системы, т. е. не наступит устойчивое равновесие.

Без внешнего влияния (самопроизвольно) выйти из состояния рав­новесия система не может.