Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• Оцените массу воздуха, выходящего из щелей отапливаемого помещения объемом 50 м3 при повышении температуры от 0 до 20 °С.
• Как изменится чувствительность к изменениям температур простого устройства, описанного в задаче 3, если верхнее отверстие трубки заткнуть?
§ 16. Первый закон термодинамики
В состоянии равновесия термодинамическая система характеризуется определенными значениями макроскопических параметров. Эти параметры связаны между собой уравнением состояния.
Функция состояния. Любой внутренний параметр является функцией внешних параметров и температуры. В этом случае говорят, что он представляет собой функцию состояния. Функциями состояния можно считать любые характеризующие систему физические величины, значения которых не зависят от предыстории и полностью определяются состоянием системы в данный момент времени.
Внутренняя энергия как функция состояния. Одной из важнейших функций состояния термодинамической системы является ее внутренняя энергия, природа которой в термодинамике не конкретизируется. Внутренняя энергия рассматривается в термодинамике как особая форма энергии, способная к превращениям в другие формы, например, в механическую — кинетическую или потенциальную — энергию. Когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает соответствующее этому состоянию значение независимо от того, из какого другого состояния и каким способом система перешла в данное состояние. Это характерное для данного состояния значение внутренней энергии зависит только от внешних параметров и от температуры.
Зависимость внутренней энергии от температуры у всех встречающихся в окружающем мире термодинамических систем такова, что с ростом температуры внутренняя энергия также увеличивается.
Работа и теплота как формы изменения внутренней энергии.
При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией. При этом можно выделить два принципиально различных способа передачи энергии от системы к внешним телам (или наоборот). Первый способ изменения внутренней энергии связан с совершением работы действующими на систему внешними силами. Здесь работа понимается в том же смысле,
5*
132
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
как в механике и электродинамике. В термодинамике работа выражается через макроскопические параметры, например как произведение давления на изменение объема.
Второй способ изменения внутренней энергии, не связанный с совершением работы, называется теплопередачей. При первом способе изменение внутренней энергии равно работе внешних сил над системой. При втором способе полученное системой количество внутренней энергии называется теплотой.
Подчеркнем, что понятие работы пришло в термодинамику из механики и электродинамики. В отличие от этого понятие теплоты возникает в самой термодинамике и не имеет аналогов в механике и электродинамике. Важно, что и работа, и теплота — это физические величины, характеризующие процессы, в которых изменяется внутренняя энергия термодинамической системы, в то время как внутренняя энергия характеризует ее состояние. Поэтому имеет физический смысл понятие энергии, запасенной системой, но нельзя говорить, что система запасла какое-то количество работы или теплоты. Или, другими словами, можно говорить о совершенной работе и переданной теплоте, но не имеет смысла говорить о содержащейся в системе работе или теплоте. Это значит, что ни теплота, ни работа не являются, в отличие от внутренней энергии, функциями состояния.
Работа в термодинамике. Рассмотрим подробнее некоторые вопросы, связанные с процессами совершения работы и теплообмена. Получим формулу, позволяющую рассчитать работу, совершаемую при медленном изменении объема какой-либо термодинамической системы, например газа, находящегося в сосуде, закрытом подвижным поршнем (рис. 49). Пусть приложенная к поршню внешняя сила F медленно перемещает поршень из положения У в близкое положение 2 так, чтобы силу F можно было считать постоянной. Совершаемая силой F работа А равна произведению силы на перемещение Ах:
A=FAx. (1)
Если движение поршня происходит без ускорения, то сила F уравновешивается силой давления газа на поршень:
F=pS, (2)
где S — площадь поршня. При подстановке F из (2) в выражение (1) возникает произведение S-Ах, характеризующее изменение AF занимаемого газом объема V. Так как объем V уменьшается, то
SAx = -AF. (3)
Рис. 49, К вычислению работы при изменении объема
§ 16. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
133
Теперь выражение (1) для работы действующей на поршень внешней силы принимает вид
A = -pAV. (4)
Когда внешняя сила сжимает газ, т. е. AF < О, ее работа положительна. И наоборот, когда газ расширяется, медленно передвигая поршень, работа удерживающей поршень внешней силы F отрицательна (Л<0).
Наряду с работой внешней силы можно рассматривать работу силы, с которой газ давит на поршень. Эту работу принято называть работой, совершаемой газом, или работой газа. Очевидно, что работа газа А' отличается от работы А внешней силы F только знаком:
