Теплота и работа

Как показывают опыты, при протекании термодинамического про­цесса тела, участвующие в этом процессе, обмениваются между собой энергией. В результате энергия одних тел увеличивается, а других — уменьшается.

Передача энергии в процессе от одного тела к другому может про­исходить двумя способами.

Первый способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасаю­щихся тел. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому, т. е. от тела, имеющего большую среднюю кинетическую энергию молекул, к телу, с меньшей средней кинетической энергией молекул. Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты, а сам способ — пе­редачей энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученное телом в форме теплоты, будем в дальнейшем называть подведенной (сообщенной) теплотой, а количество энергии, отданное телом в форме теплоты, —отведенной (отнятой) теплотой.

Теплота, так же как и любая энергия, измеряется в джоулях или

килоджоулях. Принято обозначать произвольное количество теплоты через Q а удельное (отнесенное к 1 кг) — через q. Подведенная тепло­та считается положительной, отведенная — отрицательной.

Второй способ передачи энергии связан с нали­чием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Иначе говоря, передача энергии в этом случае происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве.

Этот способ называется передачей энергии в форме работы, а коли­чество переданной энергии в процессе — работой.

Количество энергии, полученное телом в форме работы, будем на­зывать далее совершенной над телом работой, а отданную энергию в форме работы — затраченной телом работой. Работа также измеряет­ся в джоулях или килоджоулях. Затраченная телом работа считается положительной, а совершенная над телом работа — отрицательной.

Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначают через L, а удельное — через l.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом важно отметить, что в раз­личных термодинамических процессах в зависимости от условий их протекания количество теплоты и работы будет различно.

Следовательно, теплота и работа характеризуют качественно и ко­личественно две различные формы передачи движения от одних тел материального мира к другим.

Работа

Уравнение состояния идеальных газов PV= RT справедливо, как отмечалось, только для равновесного состояния, т. е. при условии, что во время течения про­цесса в отдельно взятые моменты во всей массе рабочего тела наблюдалось бы как равенство давлений, так и равенство температур, в общем, переменных по времени. Одинаковость давлений обусловливает механическое рав­новесие, а одинаковость температур — термическое рав­новесие.

При исследовании равновесных термодинамических процессов широко применяют графический метод. Нерав­новесные процессы не имеют параметров состояния, общих для всей массы газа, и потому не могут быть пред­ставлены графиком.

Одной из диаграмм, которой широко пользуются в термодинамике для изображения равновесных процес­сов, является PV-диаграмма. В этой диаграмме по оси ординат откладывают абсолютные давления P, а по оси абсцисс — удельные объемы v. Механическое и термическое равновесия являются необходимыми условиями так называемой обрати­мости процесса. Обратимым называют такой процесс, который может протекать как в прямом, так и в обратном направлении и при этом так, что рабочее тело в обратном процессе последовательно проходит через тот же ряд равновесных состояний, через которые оно проходило в прямом процессе, но в обратном порядке.

В термодинамике рассматриваются два способа передачи энергии:

1) Совершение работы одного тела над другим. Увеличение энергии тела равно работе, произведенной над ним другим телом. Принято считать, что работа, произведенная рассматриваемым телом, положительна, а работа, совершенная над рассматриваемым телом, отрицательна. Передача энергии путем совершения телом работы всегда связана с изменением внешних условий (давление, объем, перемещение тела и его отдельных частей).

2) Второй способ не связан с совершением работы и состоит в непосредственной передаче энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Та часть энергии, которая непосредственно передается от нагретого тела при помощи контакта, называется теплом. Количество тепла, полученное телом, положительно. Количество тепла, отданное телом, отрицательно.

Промежуточные тела, через посредство теплота превращается в механическую работу, называются рабочими веществами или рабочими телами.

При расширении газа увеличивается его объем (рис. 4) и газ при этом совершает работу против внеш­ней среды (работу расширения). При сжатии объем газа уменьшается, внешняя среда совершает работу над газом (работу сжатия). Напомним, что работа есть одна из форм передачи энергии от одного тела к другому, осу­ществляемая посредством макропроцессов. Количество работы представляет собой меру передаваемой энергии. В PV-

диаграмме кривая АВ изображает процесс расши­рения газа, а кривая ВА — процесс сжатия.

Для определения внешней работы отметим, что работа постоянной силы, действующей в направлении движения точки ее приложения, равна произведению величины этой силы на пройденный путь.

В таком случае сила, действующая на поршень пло­щадью f, составит pf а элементарная работа Δl при пере­мещении поршня на величину ΔS составит pfΔS. Так как произведение fΔS есть объем ΔV, описанный поршнем на пути ΔS, то элементарная работа Δl = PΔV

В таком случае работа в процессе АВ в PV-диаграмме измеряется площадью, образованной кривой процесса АВ, отрезком ab на оси абсцисс и крайними ординатами

Поэтому координаты PV - называют рабочими ко­ординатами, а диаграмму — рабочей диа­граммой

Таким образом работа расширения рабочего тела в процессе 1-2

равна: l = [29]

Размерность работы производимой 1 кг рабочего тела PdV [ кГ/м^{2 .} м³/кГ ] = [кГ^. м /кг]

или в СИ [н/м^{2 .} м³/кг] = [н^.м/кг] = [дж/кг]