Теплоты и работы

Как следует из сказанного выше и работа, и теплота являются количеством энергии, которое один материальный объект передаёт другому в некотором термодинамическом процессе.

Если термодинамического процесса не происходит, то по определению, термодинамическая система находится в состоянии равновесия и ни о теплоте, ни о работе говорить не приходится – их нет. Можно сказать, что они равны нулю.

Если некоторый термодинамический процесс происходит, то в общем случае, энергия в ходе процесса может передаваться от одного материального объекта другому по двум различным механизмам: в форме теплоты и в форме механической работы.

Примечание:

Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии.

Они неравноценны, прежде всего потому, что работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии. Например: потенциальной энергии в поле силы тяготения; электрической и магнитной энергии; внутренней энергии и др.

Теплота же непосредственно, то есть без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел.

Отличительные признаки теплоты и работы можно проиллюстрировать на следующем примере. Рассмотрим установку на рис. 7.1, в которой газ находится в канале 1 между двумя подвижными поршнями 2.

Также установка содержит две пружины 3 и электронагреватель 4.

Пружины 3 прикреплены к поршням 2 и стенкам канала 1 таким образом, что давление, которое газ оказывает на поршни 2, уравновешивается силами, действующими на них со стороны пружин 3.

Эксперимент состоит в подводе к газу некоторого количества энергии в форме теплоты с помощью электронагревателя 4.

В результате подвода теплоты газ расширяется. Его температура возрастает. Пружины 3 сжимаются. Их потенциальная энергия возрастает.

Рис. 7.1. Экспериментальная установка

В этом процессе обмениваются энергией следующие материальные объекты: электронагреватель 4 и молекулы газа; молекулы газа и поршни 2, во врем их перемещения из начального положения в конечное; поршни 2, во время их перемещения, и пружины 3.

Для наглядности будем считать поршни невесомыми. Так что их энергия в ходе процесса не изменяется.

В этом случае поршни 2 являются передаточным звеном при передаче энергии от молекул газа пружинам 3. Эта передача энергии связана с расширением газа и совершением механической работы по сжатию пружин. То есть энергия от термодинамической системы при её расширенииотводится от неё в форме механической работы, которая затрачивается на сжатие пружин 3 – на увеличение их потенциальной энергии.

Электронагреватель 4, который также можно рассматривать как термодинамическую систему, передавая энергию молекулам газа, своих границ не расширяет и, соответственно, никакой механической работы не производит (если перемещение равно нулю, то и механическая работа, по определению, будет равна нулю). Такой механизм передачи энергии, называют теплообменом. Энергия в подобных случаях передаётся в форме теплоты или по механизму теплообмена. (Всего существует, как известно, три механизма теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение).

Приведённый пример позволяет сделать следующие выводы.

Отличительным признаком передачи энергии в форме механической работы является то, что такой обмен энергии происходит при обязательном смещении границсистемы, например, при её расширении или сжатии.

Отличительный признак передачи энергии в форме теплоты состоит в том, что такой обмен энергией системы с окружающей средой может происходить без смещения границ системы, то есть без изменения её объёма.