1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Первый способ передачи энергии известен из механики. Он осуществляется при силовом взаимодействии системы с внешними телами. Поэтому можно говорить, что работу над системой производят внешние силы. Очевидно, что для совершения работы над макроскопнчески неподвижной системой необходимо, чтобы перемещались взаимодействующиесней внешниетела,т.
е. чтобы изменялись внешние параметры состояния системы. Если, кроме того, на систему не действуют внешние силовые поля, то обмен энергией между системой н внешней средой может осуществляться путем работы только в процессе изменения объема н формы системы. При этом работу над простой системой (например, газообразной) производят силы давления на нее со стороны внешней среды. Легко видеть, что работа А', совершаемая внешними силами над системой, должна быть численно равна и противоположна по знаку работе А, совершаемой при этом самой системой над внешней средой нли, как обычно говорят, «против внешних сил«ч А' = — А.
2. Теплообмен между телами или частями одного и того же тела обусловлен различием значений их температуры. Например, в батарее водяного отопления передача энергии от горячей воды, протекающей по батарее, к менее нагретым стенкам батареи осуществляется путем к о нвективного теплообмена. В свою очередь, передача внергин в форме теплоты через стенку батареи от более нагретой внутренней поверхности стенки к менее нагретой наружной поверхности происходит путем т е ил оп р о води о ст и.
Однако теплообмен может осуществляться не только между соприкасающимися друг с другом телами, т. е. путем теплопроводности н конвективного теплообмена,но также н между удаленными телами без посредства какой-либо про. межуточной среды. Этот внд теплообмена называют т е и л о о б м ен о м н з л у ч е н и ем, так как он происходит за счет испускания и поглощения телами электромагнитного излучения. Именно таким способом Земля непрерывно получает огромную энергию от Солнца. 3. Итак, в отличие от энергии системы, являющейся однозначной функцией состояния этой системы, и он я т н я те ил от ы и р а- боты имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы. Они являются энергетическими характеристиками этого процесса.
В дальнейшем мы убедимся в том, что для перевода системы нз одного и того же исходного состояния 1 в одно и то же конечное состояние 2 нужно сообщить системе р а з н ы е количества теплоты и совершить над системой р а з н у ю работу в зависимости от види процесса 1 — 2, т. е. в зависимости от того, через какие промежуточные состояния проходит система. Между тем изменение энергии системы не зависит от вида процесса и полностью определяется конечным и начальным состояниями. Таким образом, теплоту и работу нельзя рассматривать как различные виды энергии системы, а следовательно, нельзя говорить ни о «запасе работыэ, ни о «запасе теплоты» в системе.
4. Два способа обмена энергией между макроскопнческимн системами — путем совершения работы и путем теплообмена — качественно различны и неравноценны. В самом деле, совершение работы над системой может непосредственно привести к изменению любого вида энергии системы. Например, при абсолютно упругом ударе двух тел изменение кинетической энергии любого из них в точности равно работе сил, действующих на это тело со стороны другого. Если соударяющиеся тела не вполне упруги, то часть работы сил идет на увеличение внутренней энергии этих тел. Наконец, в случае быстрого сжатия газа в цилиндре с подвижным поршнем работа, совершаемая над газом, целиком идет на увеличение внутренней энергии газа. Энергия, сообщаемая системе в форме теплоты, непосредственно идет на увеличение энергии беспорядочного движения частиц системы (атомов, молекул и т.
п.), т. е. на увеличение внутренней энергии системы. Это связано с самим механизмом процессов теплообмена: путем теплопроводности, конвекции и излучения. Во всех этих процессах передача энергии осуществляется за счет обмена энергией непосредственно между хаотически движущимися частицами тел. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя соприкасающимися телами. Частицы тела с более высокой температурой обладают в среднем большей кинетической энергией теплового движения, чем частицы тела, имеющего меньшуютемпературу. Поэтому частицы первого тела, сталкиваясь с частицами второго тела, передают им часть своей кинетической энергии, В результате интенсивность теплового движения частиц первого тела и его внутренняя энергия уменьшаются, а ннтен. сивность теплового движения частиц второго тела и его внутренняя энергия увеличиваются. Соответственно температура первого тела постепенно понижается, а второго — повышается.
Когда температуры тел выравниваются, средние значения кинетической энергии теплового движения частиц в обоих телах также становятся одинаковымн. При этом теплообмен между телами прекращается, так как при столкновениях частиц энергия с равной вероятностью передается как от первого тела второму, так и в обратном направлении. 5. В реальных условиях оба способа передачи энергии системе (в форме работы и в форме теплоты) сопутствуют друг другу.
Например, прн нагревании тела расширяются и совершают работу против снл внешнего давления. В Международной системе единиц (СИ) теплота так же, как и работа, измеряется в джоулях. Однако в теплотеккике до сих пор принято измерять теплоту и внутреннюю энергию в калориях (кал) илн в килокалорняк (ккал), причем 1 ккал 10з кал. Калорией (международной калорией) называют количество теплоты, которое эквивалентно 4,1888 Дж. Величину / 4,1868 Дж/кал называют ! кал механическим эквивалентом теплоты, а величину в 0,239 — — тепловым з' Дж вквивалеитом работы.
6. Термодннамическую систему называют изолированной в механическом отношении, если она не может обмениваться с внешней средой энергией в форме работы. Примером такой системы является газ, заключенный в абсолютно жесткий сосуд постоянного объема. Термодинамнческу1о систему называют изолированной в тепловом отношении (адиабатнческн изолированной), если отсутствует тепло- обмен между ней и внешней средой.
Для осуществления адиабатической изоляции системы ее нужно окружить теплонепроницаемой оболочкой (например, поместить в сосуд Дьюара). Систему можно также считать адиабатически изолированной, если изменение ее состояния в рассматриваемом процессе происходит столь быстро, что за время протекания всего процесса теплообмен практически не успевает совершать ся. Наконец, термодннамическую систему называют замкнутой, или пзолированной, если отсутствует всякий обмен энергией между ней и внешней средой. Для таких систем справедлив закон сохранения энергии: полная энергия вамхнупюй системы асгпаетсл неизменной при любых проивссах, происходящих в втой системе.
7. В ззключение следует сказать, что помимо работы и теплообменз сущеетзует еще один способ изменения энергии системы путем м з е е о о б м е и з с внешней средой, т. е. путем изменеияя количестзз вещества,' содержащегося з системе. Систему иззыззют закрытой, если оиз нзолироззнз таним обрезом, что между ней и знешией средой не может нронсходить обмен веществом. В протизиом случае систему нззыззют открытой.
Тихим образом, термодинзмнческую систему можно считать замкнутой, если оиз не только изолирована з мехзннче. ском и тепловом отношениях, но также является еще и закрытой. В дзльиейшем мы будем рассматривать только ззкрытые системы, химический состав и масса которых сохрзняются неизменными зо всех терьюдинзмическнх процессах. $ $0.3. Первый закон термодинамики 1.
Из закона сохранения энергии следует, что при переходе термодипамической системы из какого-либо начального состояния 1 в другое состояние 2 изменение внутренней энергии системы' Л У, з = Оз — У, должно быть равно сумме работы А~ х, совершаемой над системой внешними силами, и количества теплоты 1сг „ сообщаемого системе; ЛУзз=А~ я+Я~ х. (10.2') Работа А, „совершаемая системой против внешних сил в том же процессе перехода из состояния 1 в состояние 2, численно равна и противоположна по знаку работе внешних сил: А1 з = — А| х.
Поэтому а, з=й(7, з+А, з (10.3) Это уравнение является математической запись"о первого закона термодинамики, который можно сформулировать следующим образом: г Напомним, что мы рассматриваем только закрытые, мзкроскопически неподвижные системы, не изхойящиеся зо внешнем гравитационном, злектричейком нли мзгнитном поле. теплота, сооби(аемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии сисоммы и на совершение системой работы против внешних сил.
2. Выражение (10.3) удобнее записывать для малого изменения состояния системы, вызванного сообщением ей малого количества теплоты 6(е и совершением системой элементарной работы 6А: 6Я йУ +6А. (10.4) Различие в записи малого приращения внутренней энергии йУ и элементарного количества теплоты 6 Я, а также элементарной работы 6А (6 вместо й1 имеет глубокий физический смысл. В $10.1 мы отмечали, что внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состоянии. Следовательно, при совершении системой любого процесса, в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние, полное изменение ее внутренней энергии равно нулю. Математически это записывается в виде тождества: которое является необходимым и достаточным условием для того, чтобы выражение Л/ представляло собой так называемый полный дифференциал. В следующем параграфе мы покажем, что работа и теплота таким свойством не обладают. Поэтому 6 Я и 6 А не являются полными дифференциалами.
3. Нужно иметь в виду, что величины61е и 6А, подобно Жl, могут быть как положительными, так и отрицательными. В частности, 69 или 6А могут равняться нулю. Например для адиабатически изолированной системы 6 С1 = О. Если при теплообмене с внешней средой система получает от нее энергию, тобЯ )О, если же система отдает энергию внешней среде, то 6 1',1 ( О. В первом случае говорят, что теплота подводится к системе, а во втором — отводится от системы. В конечном процессе перехода системы из состояния 1 в состояние 2 теп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
