Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
А' = -А. (5)
Адиабатические процессы. Если сжатие или расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой, то изменение AU его внутренней энергии U равно работе внешней силы:
A U=A. (6)
Учитывая соотношение (5), это выражение можно записать и таким образом:
А! = — Д?/. (7)
Когда газ расширяется без теплообмена с окружением, он совершает положительную работу А! > 0 за счет своей внутренней энергии U, запас которой при этом убывает (AU < 0).
Процессы, происходящие в отсутствие теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими (адиабатными). Для
практической реализации таких процессов нужны определенные
условия: либо заключить систему в оболочку с низкой теплопроводностью, либо проводить процесс достаточно быстро, чтобы внутренняя энергия не успела заметным образом измениться из-за теплообмена. В этом случае говорят об адиабатической изоляции системы.
Работа внешних электрических сил. Внешние силы, совершающие работу над системой, могут иметь электромагнитную природу. Если в системе есть свободные электрические заряды, то при приложении внешнего электрического поля силы поля совершают работу, когда происходит перемещение этих зарядов. Например, если заряд q перемещается из точки с потенциалом <pj в точку с потенциалом ip2> то силы поля совершают работу
А= <7(Ч>1 - ф2) = -Я' Аф. (8)
134
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
где Дф — разность потенциалов между конечной и начальной точками. Работа внешних электрических сил в отсутствие теплообмена связана с изменением внутренней энергии системы тем же соотношением (6). Здесь также в некоторых случаях удобно говорить не о работе внешних сил над системой, а о работе самой системы над внешними телами. Так, при зарядке аккумулятора естественно говорить о работе внешних сил, за счет которой происходит увеличение внутренней энергии. Однако при разрядке аккумулятора, когда он используется в качестве источника питания в какой-либо электрической цепи, естественно говорить о работе, совершаемой самим аккумулятором, а не внешними силами, хотя эти величины, как и прежде, отличаются только знаком.
Теплота. Перейдем к более подробному обсуждению теплообмена. Чтобы он происходил, нужно привести систему в контакт с телами, имеющими другую температуру. Передача внутренней энергии при теплообмене происходит от системы в окружающую среду, если температура системы выше, чем у окружения, и наоборот, система получает энергию, если ее температура ниже, чем у окружения. Процесс теплопередачи происходит до тех пор, пока существует разность температур. Если в процессе теплопередачи не совершается работа, то изменение внутренней энергии равно переданному системе количеству теплоты Q:
AU = Q. (9)
Процесс теплопередачи может происходить не только при непосредственном соприкосновении тел, но и через излучение. Именно таким путем Земля получает энергию Солнца.
В той или иной мере теплообмен происходит практически во всех макроскопических процессах. Представление об адиабатическом процессе — это некоторая идеализация.
Первый закон термодинамики. В середине XIX века исследованиями многих ученых, в первую очередь немецкого врача Р. Майера, английского физика Дж. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца была твердо установлена эквивалентность теплоты и работы, т. е. возможность их сравнения и измерения в одних и тех же единицах. Тем самым была заложена основа для обобщения закона сохранения энергии на тепловые процессы и для формирования общего понятия энергии как физической величины.
Согласно закону сохранения энергии, энергия не возникает и не исчезает: она только переходит из одной формы в другую или от одной физической системы к другой. Первый закон термодинамики математически выражает количественную сторону закона сохранения и превращения энергии. Его можно сформулировать следующим образом.
§ 16. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
135
Изменение внутренней энергии системы AU = U2 — U{ в результате процесса перехода из начального состояния в конечное равно сумме совершаемой над системой внешними силами работы А и полученного системой количества теплоты Q:
AU=A + Q. (10)
Содержание первого закона термодинамики можно выразить и таким образом:
Q=AU + A' (11)
— сообщенное системе количество теплоты равно сумме изменения внутренней энергии и совершенной системой работы. Естественно, что эти формулировки эквивалентны, так как А = — А в силу соотношения (5).
Приведенные формулировки первого закона равнозначны утверждению о невозможности вечного двигателя, т. е. машины, совершающей работу без затрат энергии.
Квазистатические процессы на р-К-диаграмме. Процесс перехода системы из данного начального состояния в определенное конечное состояние можно осуществить различными способами. При
