Путилов К.А. Термодинамика (Путилов К.А. Термодинамика.djvu), страница 13

Если У есть энергия, то а11 есть полный дифференциал, тогда как ни элемент работы 6А, нн элемент тепла 6Я не являются дифференциалами, потому что и теплота, и работа не являются функциями состояния, а представляют собой величины, зависящие от пути процесса. Здесь уместно кратко остановиться на смысле понятий «работа» и «тепло», Поскольку мое определение понятия <тепло» вызвало,в печати дискуссию, в последующих разделах этой главы я постараюсь рассеять некоторые заблуждения, связанные с понятием «тепло», и подробнее осветить суть вопроса. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами перехода энергии от одного тела к другому.

Оба понятия — и работу, и тепло — мы должны связывать не с каким-то «запасом», но с процессом. Когда мы говорим о работе, мы представляем себе процесс перемещения точек приложения сил. Энергий тела, производящего работу, переходит к телу, на которое работа затрачивается. Аналогично, когда мы говорим о теплоте, мы всегда должны мыслить два тела: одно, которое отдает энергию в форме тепла, и другое, которое получает энергию в форме тепла. В механике различают четыре формы передачи энергии: тяга, удар, волновая передача и конвекция.

Для термодинамики эта механическая классификация форм передачи энергии совершенно несущественна. В термодинамике мы должны расчленять передаваемую энергию на две части: на тепло и работу. Работа — это в обобщенном термодинамическом понимании любая макрофизическая форма передачи энергии, тогда как теплота представляет собой совокупность микрофизических процессов передачи энергии. Понятия «работа» и <тепло» имеют в термодинамике методическое значение, они отнюдь не определяют собой содержания термодинамики. Неправильно рассматривать термодинамику как науку о тепловых явлениях или тем паче о тепловой энергии, которая вообще не существует.

Термодинамика есть наука, прилагающая основные принципы физики — закон сохранения н закон деградации энергии — ко всем процессам, имеющим молекулярно- статистическую основу, и приводящим к состоянию равновесия. С указанным пониманием тепла и работы связана шестая формулировка первого начала: сумма тепла и работы не зависит от пути процесса. ' Поскольку, по определению, энергия измеряется суммой сообщенного телу тепла и затраченной на тело работы, то понятно, что приведенная выше формулировка адекватна утверждению, что энергия есть однозначная функция состояния. Итак, если при переходе тела из некоторого состояния 1 в состояние 2 приращение энергии равно У« — У„сообщенная теплота есть Я и затраченная работа есть А, то Уа — (l, = Я -)- А, или, в дифференциальной форме, Н/ = 61) + б А.

Обычно в формулы термодинамики вводят работу А, производимую телом которая, очевидно, численно равна работе А, затрачиваемой на тело, и противоположна ей по знаку. В этом обычном обозначении 11 =АУ+А, (2А) где А(7 = ('а ('т и, в дифференциальной форме, , 'ЬЯ = е»с1 + ЬА, (2.2) где е»У — полный дифференциал энергии. Важно, что поскольку никакие ограничения не были упомянуты в рассмотренных формулировках, то, стало быть, написанное уравнение первого начала в равной мере справедливо как для равновесных, так и для неравновесных процессов. 2.3. Различные трактовки понятия тепла В 1937 г.

мной были опубликованы ' две статьи по вопросам термодинамики. Обнаружилось, что некоторые читатели одно место в этих статьях сочли особо спорным. Я с настойчивостью утверждал, чтотеплота не есть вид энергии, хотя и представляет собой форму движения. Таким образом, оказался затронутым вопрос о различии понятий «форма движения» и «вид энергии», причем этот вопрос был выдвинут в отношении теплоты, которая в подавляющем большинстве курсов физики трактуется как вид энергии. Предназначая свои статьи для специалистов по термодинамике, я считал, что не нужно пояснять, какие из высказанных мной взглядов являются новыми и какие не являются новыми.

Это привело к недоразумениям. В частности, утверждение, что теплота не есть вид энергии, вызвало больше всего возражений, хотя это утверждение, во-первых, пожалуй, старше меня по возрасту и„во-вторых, представляет собой бесспорную истину. Но почему же тогда во множестве книг пишут противоположное? Любая фраза, в которой о теплоте говорится как о виде энергии (кем бы ни была сказана эта фраза — учеником или академиком, физиком или философом), есть проявление некоторой неграмотности в современной терминологии. Не слишком ли сильно? Не обидно ли это для многих крупных ученых, называющих теплоту видом энергии? Нет, всем корректорам известно, что крупные ученые и философы нередко делают смешные орфографические ошибки.

Между орфографической ошибкой н фразой «теплота есть вид энергии» имеется довольно далеко идущая аналогия. Часто и то и другое— следствие описки, небрежности, неряшливости. Бывает, что тон другое есть следствие незнания. Наконец, случается и так, что правила, орфографии изменились и ошибки появляются от неумения отучиться писать по старинке.

Точно так же некоторые ученые путают по старинке теплоту с внутренней энергией и, желая сказать, что внутренняя энергия есть один из видов энергии, говорят неграмотно, что теплота есть вид энергии. ' К. А. Путилов. Иаа. АН СССР. Отд. матея. и естеста, наук, Секция хим., 1937, № 4, 701, 715. Вследствие указанных причин в большинстве учебников физики и даже во многих курсах термодинамики можно встретить не имеющие никакого смысла фразы: «тепло есть вид энергии>, «тепловая энергия», «запас тепла» и т. п.

По аналогичным причинам во многих наших учебниках имеются столь же неграмотные заявления о том, что материя якобы может превратиться в энергию. Вот примеры таких традиционных ляпсусов: А. Ф. И о ф ф е. «Курс физики», ч. 1, 1927, стр, 73 и ЗЗ: «Теплота есть действительно один из видов энергии, ...теплота и работа одно и то же»; стр. ?8: «Особые свойства тепловой энергии». Р. А. М и л л и к е н. «Элементы физики», !931, стр.

138 и др., рассуждения о «тепловой энергии>; стр. 136; «Энергия и материя могут переходить друг в друга». О. Д. Х в о л ь с о н. «Курс физики», т. П!, 1923, стр, 1: «Тепловая энервия есть кинетическая энергия молекул»; т. 'Ч, стр. 368: «Масса радия превращается в энергию»; О н ж е: «Физика наших дней», 1930, стр. 31: «Теплота есть кинетическая энергия молекул и атомов»; стр. 35: «Материя может превратиться в энергию». К.

Ш е ф е р. «Теория теплоты», ч. 1, стр. 80: «Теплота есть вид энергии». Н. А. К о л о с о в с к и й. «Химическая термодинамика», 1932, стр. 4: «Теплота представляет собой... энергию движения молекул»; стр. 49: «Материя (масса) представляет собой толькоособыйвидэнергии, и потому становится возможным говорить о взаимных превращениях материи и энергии». Д. Л. Т а г е е в.

«Краткий курс технической термодинамики», 1931, стр, 4: «Теплота тоже является особым видом энергиим А. Ф. К а п у с т и н с к и й. «Термодинамика химических реакций>„1933, стр. 10: «Тепловой запас ...есть ...энергия движения частиц»; стр. 29: «Энергия ...движения ...частиц называется внутренней энергией,». Во втором издании (1935 г.) автор устраняет эту путаницу в понятиях и, между прочим, делает новый ляпсус, выдавая мою фразу о теплоте как форме передачи энергии за якобы сказанную Дюгемом. (Дюгем был плохим философом и плохим, хотя и плодовитым, термодинамиком, поэтому я с удовольствием отмечаю, что расхожусь с ним как в философских, так и в некоторых термодинамических взглядах.) А. Б е р л и н е р.

«Курс физики», т. 1, вып. 2, 1935, стр. 103: «Теплота есть вид энергии». В. А. Ми х ел ь с о н. «Физика», 1930, стр. 187: <Тепловая энергия есть частный вид энергии механической». Тот или иной автор, заметив подчас, что он напрасно назвал теплоту видом энергии, спешит дать пояснения, после которых делается просто невозможным понять, что же собственно, по мнению автора, представляет собой теплота.

Например, Милликен в «Элементах физики» (русский перевод 1931 г.) на стр. 141 пишет: «Тепловая энергия, поглощаемая телом при переходе из твердого состояния в жидкое, уже не существует в жидкости в виде тепла. Эта энергия вообще прекратила свое существование как тепловая энергия». И тем не менее Милликен на протяжении всей книги говорит о «запасахтепла в теле»и включает в эти мнимые «запасы» и теплоту плавления, и теплоту парообразования. Вальтер и Реттингер в небольшой, но весьма распространенной среди техников книге «Термодинамика» (русский перевод 1923 г., стр.

7) уверяли читателя, будто теплота существует в двух состояниях — в кинетическом и потенциальном. Число подобных примеров легко увеличить до нескольких десятков. К сожалению, правильная трактовка понятия тепла встречается в учебных руководствах реже, чем искаженная. Более или менее правильный подход к понятию тепла и к классификации видов энергии, пожалуй, представляет даже исключение. 42 Некоторые авторы ограничиваются сопоставлением понятий тепла, работы и энергии, но воздерживаются от прямого вывода из этого сопоставления.

Например, А. Б. Млодзеевский в своей книге «Термодинамика и теория фаз» (1922, стр. 12) совершенно правильно подчеркивает, что «выражение — энергия есть функция состояния — есть не что иное, как другая формулировка закона сохранения энергии». Далее он поясняет, что теплота не является функцией состояния, но от прямого вывода из этого сопоставления, что, стало быть, теплоту нельзя рассматривать как вид энергии, он, к сожалению, воздерживается. Как известно, по первому началу термодинамики (2.1) Я = А + 0»вЂ” — (I,. Зависимость работы А от «пути процесса» легко может быть иллюстрирована графически.

Например, пусть тело производит работу вследствие равновесного расширения. Отложим на оси абсцисс объемы и на оси ординат — давления; тогда равновесный переход тела из некоторого состояния с энергией ()» в другое с энергией У» можно, как известно, изобразить кривой, проведенной через промежуточные состояния тела. Площадь, ограниченная сверху этой кривой и с боков ординатами, проведенными через начальную и конечную точки, пропорциональна работе расширения тела А= ) рй . Очевидно, что для разных кривых р = 1, (э), р = 1» (о), проведенных между заданными точками, указанные площади различны, т. е. различны работы. Но величина (0» — (I,) одинакова для всех путей перехода: следовательно, по первому началу термодинамики, насколько различаются работы, настолько же различаются для разных путей перехода и теплоты.

Итак, работа и тепло в одинаковой мере зависят от пути процесса, тогда как энергия не может зависеть от пути процесса (изменение энергии всецело определяется начальным и конечным состояниями тела). Понимая, что теплота не есть вид энергии, но не желая вступать в конфликт с учебниками, где по небрежности (а иногда, пожалуй, и по незнанию) написано другое, некоторые авторы ищут выход в том, что вкладывают различное содержание в слова «вид» и «форма» энергии. При этом слово «форма» энергии они применяют почти как синоним слова «размерность» энергии.