Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3. Для уяснения понятия количества теплоты полезно обратить внимание на следующее обстоятельство. Согласно определению о величине бУ следует судить по изменению соспньяььая не самой системы 1, а системы П, с которой она обмельиоаелпся теплотой. Иначе соотношение (!5.2) было бы не физическим законом, а простым определением понятия теплоты Ц. Если же по определению величину Я находить по изменению внутренней энергии системы П, то соотношение !ь15.2) становится физическим утверждением, допускающим экспериментальную проверку.
ь !ействительно, все три величины: Пг — (ььь. Аь и ф входящие в соотношение 1!5.2), могут быть измерены независимо, а потому можно экспериментально проверить, удовлетворяют они соотношению (15.2) или не удовлетворяют. Исторически понятие о теплоте как о количественной величине возникло из калориметрических понятий. В этих измерениях о количестве теплоты. сообщенной телу, судит по изменению температуры калориметра, с которым тело обменивается теплотой.
Все это согласуется с определением величины СУ, даваемым соотношонием (15.1)1 система П играет роль калориметра. Коли |еетоо |пеплоты 4. Соотношение (15.2) остается справедливым и в общем случае, т.е. при любых изменениях состояния системы 1. Однако выражение (15.1) подлежит обоощению. Допустим, например, что составная система 1 + П заключена в адиабатическую оболочку, но оболочка, окружающая систему П, не является жесткой|.
В этих условиях система П может совершать работу. Если А,„„„" полная работа составной системы ! + П.то А..„, = У вЂ” б| + (!1,' — и,'). Полная работа слагается из работы А| системы ! и работы Агг систеыы П: Л„, „= Л|г+ А',г. Поэтому предыдущее соотношение по- прежнему можно записать в виде (1б.2), если величину сг определить выражениеы сг = !/,' — У,' — А',, (15.3) 5. 2!ля квазистатических процессов, при которых термодинаыические параметры испытывают бесконечно малые, или элементарные, изменения. уравнение (1гв2) приниыает вид ббз = Ыбс + бА. (1ог 4) а в случае работы против давления Р бСЕ = ЛI + Рд1г.
(15.5) Если процесс круговой. т, е. в результате него система возвращается в исходное состояние,то !Уэ = с|| и, следовательно, Я = А. В круговом процессе все количество теплоты, полученной системой. идет на производство внешней работы. Если !/| = Вя и Сг = О, то А = О. Это э|шиит. что неш|зможен процесс, единстоенным резульп|огпсгяс которого лоллетсл произоодешоо роботы без каких бы п|о ни было измт|еций, о других телах. Механизм, в котором осуществляется такой процесс„называется перпетуум нобиле [оечным доига|пелем). Таким образом. из первого начала термодинамики следует невозможность перпетуум мобиле. Нескончаемые попытки построить такой двигатель, с настойчивостью предпринимавшиеся в предыдупсие века, да иногда встречающиеся и теперь )конечно, среди неграъютных в физике людей), неизменно оканчивались неудачей.
Это привело к тому, что невозможность перпетуум мобиле была возведена в принцип, по своему содержанию эквивалентный принципу сохранения энергии. 6. Ясно. что единицы работы и энергии могут служить также единицами количества теплоты, хотя исторически было не так. Пока не была установлена кинетическая природа теплоты, для этих величин пользовались различными единицаыи. Использование одних и тех же единиц удобно не только в теоретических исследованиях, но и на практике,так как при этом во всех соотношениях выпадают числовые ыножители, являющиеся коэффициентами перевода количества теплоты из тепловых единиц в механические или обратно. В системе СИ единицей количества теплоты является джоуль, в системе С!'С— )Гл. П Первое начало и>ермодинам и>т орг.
Однако во времена теории теплорода для нзкюрения количества теплоты была введена особая единица — калория. Малая калория али грамм-калория есть количество теплоты. которое надо сообщить одному грамму частой воды, чтобы пооысить ее тел>пературу на один градус Цельсия. Тысяча грамм-калорий составляет большую калоршо или килокалорию, >'!>щ большей определенности различали нулевую калорию, 15-градусную.
20-градусную и др. Например, 20-градусная калория определялась как количество теплоты, потребное для нагревания 1 г чистой воды от 19,5 до 20,5 'С. В настоящее время надобность в особой единице для измерения количества теплоты отпала. Калория не входит в число единиц СИ или системы СГС.
Она является внесистемной единицей. Однако, ввиду привычности и наглядности этой единицы, имеет смысл в отдельных случаях пользоваться ею. Часто применяется меоюдуаародная килокалорил„содержащая по опредолению >!.1868 кДж. Тысячную долю этой величины мы будем называть просто калорией>. Полезно заметить„что универсальная газовая постоянная, выраженная в калориях, й = !.0858 калДмоль К) = 2 калДмоль. К). 8 16. Когда можно пользоваться представлением о количестве теплоты, содержащемся в теле 1. Количесп>оо гнеплоты, полученное щегол>. ие яо те>пся д>упкцией состояния. Это непосредственно видно из уравнения (15.2). Действительно, разность Ув — П> зависит только от начального н конечного состояний системы, когда работа Ага зависит еще от пути перехода. Поэтому и количество теплоты !г = Пв — П> + Аш также зависит от пути перехода, т.е.
от способа, каким система была приведена н рассматриваемое состояние. Это и значит, что (г не есть функция состояния системы. Перевести систему в рассматриваемое состояние можно бесчисленным множеством способов. Во всех этих способах системе сообщается одна н тз же внутренняя энергия, но разделение этой величины на работу и сообщенную теплоту в разных способах будет разным. Если задано состояние системы, но не указан процесс, каким это состояние было достигнуто, то ничего нельзя сказать о количестве теплоты, запасенном системой при переходе в рассматриваемое состояние. В этом смысле нельзя говорить о количестве теплоты.
содержащемся или запасенном в теле. Но всегда можно говорить о запасе внутренней энергии, так как он не зависит от способа приведения системы в рассматриваемое состояние. О количестне же теплоты. сообщенному телу, имеет смысл говорить лишь в том случае, когда указан процесс, каким система переходила в рассл>атриваемое состояние. Следующая аналогия может разъяснить суть дела.
Допустим, что озеро пополняется водой за счет дождя и за счет воды втекающей в него реки. Имеет смьк:л говорить о количестве воды, которое попадает в озеро за сутки из роки, а также о количестве воды, выпадающей в ного за го же время в Пуедстаожхис о количестве теплоты виде дождя. Но лишено смысла утвсрясдениеь что в озере, рассмагриваемом безотносителыю к процессам его наполнения, содержится столько-то кубических лгетров дождевой и сголько-то кубических мотров речной воды.
В озере ос гь единая вода, и она могла попасть туда различными способами. Так и о внутренней энергии. содержащейся в теле, не имеет смысла гово!>итси что она состоит из стольких-то единиц работы и с"гольких-то единиц геилоты. Безотносительно к процессам, какими тело получало внутреннюю энергию, се разделение на работу и теплоту лишено всякого содержания.
2. Очень распространен термин «тепловая энергияэ. Его ни в коем случае не следует понимать в смысле количества тсплгггы, запасенного телом в пропессе теплообмена. Под тепловоя энергией следует понимать внутреннюю энергию тела. Поэтолгу нет надобности в особом термине отепловая энергии». Но при правильном понимании его можно и сохранить, чтобы напомнить о связи строго научного понятия внутренней энергии с суб"ьективными ощущениями тепла и холода, из которых оно возникло.
Кроме того, термином «тепловая энергияь с особой выразительностью подчеркивается, что речь идет об энергии. связанной с внутренним хаотическим движением атомов и молекул. Тело. обладающее запасом тепловой (ггнутренней) энергии, в термодинамике называется тепловым уезеусэулуоль Про тепловой резервуар говорят также, что он содержит определенный заггас теплоты. Но в этом случае под тепловой понимают внутреннюю энергию, а не количество теплоты, полученное телом в процессе теплообмена. Все эти несовергпенства терминологии, как и самый термин «количество теплотыэ.
наука получила в наследство от теории теплорода. Последняя рассматривала теплоту как гипотетическую невесомую жидкость, содержащуюся в телах, которая но может быть создана или уничтожена. ! оворили о законе сохранения теплорода„аналогичном закону сохранения обыкновенного вещества. С этой точки зрения естественно было говорить о запасе теплоты или теплорода в теле безотносительно к способу, каким тело было приведено в рассматриваемое состояние. Эти воззрения, не ггредстагьвггющие сейчас никакого интереса, довольно долго удерживались в науке.
Причина этого в том, что они подтверждались калоряметрическими измсрениями и некоторыми другими явлениями природы. И сейчас в калориметрии часто рассуждают так, как если бы был справедлив езакон сохранения количества тсплотыэ. Так поступают, например, при вычислении температуры смеси двух жидкостей или теплоемкости тел при калориметрических измерениях. Так же поступают и в математической теории теплопроводности. Основы последней были заложены французским математиком Фурье (1768 — 1830) в первой четнерти Х!Х века и полностью сохранили свое значение в настоящее время.
Математическая теория теплопроводности (в твердых и жидких телах) исходит из предположения, что при всех процессах тепло нс возникает и не уничтожается, а может только ггерелгегцаться из одних мест пространства в другие. Такое представление, конечно, противоречит механической тоогэии теплоты. Однако при выполнении некоторых условий явления протекают так, как если бы это представление было Первое начало глермодинамтт !Пл. П верно. Выяснение этих условий представляет не только исторический интерес, но и необходимо по существу. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
