Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
R = 1,9858 кал/(К • моль) 2 кал/(К • моль).
§ 16. Когда можно пользоваться представлением
о количестве тепла, содержащемся в теле
1. Количество тепла, полученное телом, не является функцией
состояния. Это непосредственно видно из уравнения (15.3). Действительно, разность U2 — 1/г зависит только от начального и конечного состояний системы, тогда как работа А12 зависит еще от пути перехода. Поэтому и количество тепла Q = U2 — + А12 также
зависит от пути перехода, т. е. от способа, каким система была приведена в рассматриваемое состояние. Это и значит, что величина Q не есть функция состояния системы. Перевести систему в рассматриваемое состояние можно бесчисленным множеством способов. Во всех этих способах системе сообщается одна и та же внутренняя энергия, но разделение этой величины на работу и сообщенное тепло в разных способах будет разным. Если задано состояние системы, но не указан процесс, каким это состояние было достигнуто, то ничего нельзя сказать о количестве тепла, запасенном системой при переходе в рассматриваемое состояние. В этом смысле нельзя говорить
о количестве тепла, содержащемся или запасенном в теле. Но всегда можно говорить о запасе внутренней энергии, так как он не зависит от способа приведения системы в рассматриваемое состояние. О количестве же тепла, сообщенном телу, имеет смысл говорить лишь в том случае, когда указан процесс, каким система переходила в рассматриваемое состояние.
Следующая аналогия может разъяснить суть дела. Допустим, что озеро пополняется водой за счет дождя и за счет воды втекающей в него реки. Имеет смысл говорить о количестве воды, которое попадает в озеро за сутки из реки, а также о количестве воды, выпадающей в него за то же время в виде дождя. Но лишено смысла утверждение, что в озере, рассматриваемом безотносительно к процессам его наполнения, содержится столько-то кубических метров дождевой и столько-то кубических метров речной воды. В озере есть единая вода, и она могла попасть туда различными способами. Так и о внутренней энергии, содержащейся в теле, не имеет смысла говорить, что она состоит из стольких-то единиц работы и стольких-то единиц тепла. Безотносительно к процессам, какими тело получало внутреннюю энергию, ее разделение на работу и тепло лишено всякого содержания.
2. Очень распространен термин «тепловая энергия». Его ни в коем случае не следует понимать в смысле количества тепла, запасенного телом в процессе теплообмена. Под тепловой энергией следует понимать внутреннюю энергию тела. Поэтому нет надобности в особом термине «тепловая энергия». Но при правильном понимании
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛА
63
его можно и сохранить, чтобы напомнить о связи строго научного понятия внутренней энергии с субъективными ощущениями тепла и холода, из которых оно возникло. Кроме того, термином «тепловая энергия» с особой выразительностью подчеркивается, что речь идет об энергии, связанной с внутренним хаотическим движением атомов и молекул. Тело, обладающее запасом тепловой (внутренней) энергии, в термодинамике называется тепловым резервуаром.
Про тепловой резервуар говорят также, что он содержит определенный запас тепла. Но в этом случае под теплом понимают внутреннюю энергию, а не количество тепла, полученное телом в процессе теплообмена. Все эти несовершенства терминологии, как и самый термин «количество тепла», наука получила в наследство от теории теплорода. Последняя рассматривала теплоту как гипотетическую невесомую жидкость, содержащуюся в телах, которая не может быть создана или уничтожена. Говорили о законе сохранения теплорода, аналогичном закону сохранения обыкновенного вещества. С этой точки зрения естественно было говорить о запасе тепла или теплорода в теле безотносительно к способу, каким тело было приведено в рассматриваемое состояние. Эти воззрения, не представляющие сейчас никакого интереса, довольно долго удерживались в науке. Причина этого в том, что они подтверждались калориметрическими измерениями и некоторыми другими явлениями природы. И сейчас в калориметрии часто рассуждают так, как если бы был справедлив «закон сохранения количества теплоты». Так поступают, например, при вычислении температуры смеси двух жидкостей или теплоемкости тел при калориметрических измерениях. Так же поступают и в математической теории теплопроводности. Основы последней были заложены французским математиком Фурье (1768—1830) в первой четверти 19 века и полностью сохранили свое значение в настоящее время. Математическая теория теплопроводности (в твердых и жидких телах) исходит из предположения, что при всех процессах тепло не возникает и не уничтожается, а может только перемещаться из одних мест пространства в другие. Такое представление, конечно, противоречит механической теории теплоты. Однако при выполнении некоторых условий явления протекают так, как если бы это представление было верно. Выяснение этих условий представляет не только исторический интерес, но и необходимо по существу.
3. Представление о количестве тепла как об определенной величине, содержащейся в теле, и о сохранении этой величины возникло на основе таких опытов, в которых на изменения системы тел наложены определенные ограничения. Допустим, например, что система заключена в адиабатическую оболочку. Рассечем ее мысленно на две подсистемы В и С, соприкасающиеся друг с другом вдоль некоторой поверхности. Каждая из этих подсистем уже не будет адиабатически изолирована. Если процесс, происходящий в оболочке, является
