Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
§ II.2.2. ТЕПЛОТА И РАБОТА
123
Пример 2. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса
где M — масса газа, |1 — его молярная масса (11.1.4.3°), а — коэффициент Ван-дер-Ваальса (11.5.2.3°).
5°. В термодинамике внутренняя энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого U0, значение которого зависит от выбора начала отсчета величины U — от состояния с нулевой внутренней энергией. Практически величина U0 не играет роли в термодинамических расчетах, где определяются не зависящие от CT0 изменения AU внутренней энергии (см. также 11.2.1.2°).
1°. Обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами происходит двумя путями: либо при совершении работы, либо с помощью теплообмена1. Количество энергии, переданной системе внешними телами при силовом взаимодействии между ними, называется работой, совершенной над системой. Количество энергии, переданной системе внешними телами путем теплообмена, называется количеством теплоты, сообщенной системе2.
2°. Если термодинамическая система неподвижна, то для совершения работы необходимо перемещение взаимодействующих с ней внешних тел, т. е. необходимо изменение внешних параметров состояния системы (11.1.3.5°). В отсутствие внешних силовых полей обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой с помощью совершения работы может происходить лишь при изменении объема и формы системы. В равновесном процессе работа А', совершаемая над системой
1 Рассмотрение третьего способа обмена энергией — массообмена — выходит за рамки данного справочника.
2 Иногда термин «количество теплоты» там, где это не вызывает недоразумений, заменяется термином «теплота».
(11.5.2.1°)
T
о
§ II.2.2. Теплота и работа
124
ГЛ. И.2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
внешними силами, численно равна и противоположна по знаку работе А, которую сама система совершает над внешней средой, т. е. против внешних сил: А' = -А.
3°. Работой расширения называется работа, которую система производит против внешнего давления. Элементарная работа расширения: SA = pK„„„„dV, гдеPmemn — равномерно распределенное внешнее давление, dV — элементарное изменение объема системы. Если процесс расширения является равновесным (квазистатическим) (11.1.3.7°), то Рввсшв = р, где р — давление в системе. Тогда 6А = р dV.
Смысл отличия в записях элементарных изменений ЙА и dU см. в 11.2.2.5° и 11.2.1.3°. Работа равновесного расширения системы от объема V1 до объема V2
V2
J pdV.
vi
Пример. Работа газа, заключенного в сосуде с невесомым подвижным поршнем (рис. II.2.1). Давление газар > 0, поэтому при расширении (dV > 0) газ совершает положительную работу (ЙА > 0). При сжатии газа (dV < 0 и ЙА < 0) положительную работу над газом совершают силы внешнего давления. Сам газ совершает при этом отрицательную работу.
Графическое изображение работы см. в 11.2.4.2°.
4°. Теплообмен происходит между телами (или частями одного тела), нагретыми до различной температуры. Существуют три вида теплообмена: конвективный теплообмен, теплопроводность и теплообмен излучением («лучистый» теплообмен).
Конвективным теплообменом называется передача теплоты между движущимися неравномерно нагретыми частями газов, жидкостей или газами, жидкостями и твердыми телами. Конвективный теплообмен в жидкостях осуществляется при ^внешн движении частей жидкости друг относительно друга или по отношению к твердым телам. Например, в батареях водяного отопления энергия от горячей воды, протекающей в батарее, передается конвективным теплообменом к менее нагретым стенкам батареи.
Явление теплопроводности состоит в передаче
теплоты от одной части неравномерно нагретого те-Рис. II.2.1 ла к другой. Так, например, происходит передача
ШШ/.
§ И.2.2. ТЕПЛОТА И РАБОТА
125
энергии через стенки батареи водяного отопления от более нагретых внутренних поверхностей к менее нагретым наружным.
Теплообмен излучением происходит без непосредственного контакта тел, обменивающихся энергией, и заключается в испускании и поглощении телами энергии электромагнитного поля. Лучистым теплообменом от Солнца к поверхности Земли доставляется колоссальная энергия.
5°. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками процессов изменения состояния термодинамических систем и имеют смысл только в связи с такими процессами. В зависимости от вида процессов, переводящих систему из состояния I в состояние 2, необходимо совершение различной работы и сообщение системе различных количеств теплоты. Сравнение с 11.2.1.3° (об изменении внутренней энергии в процессах) показывает, что работа и теплота не являются видами энергии, и поэтому нельзя говорить о «запасе работы» или «запасе теплоты» в теле. По этим же причинам элементарное количество теплоты 8Q и элементарная работа SA не являются полными дифференциалами.
6°. Совершение работы над системой может изменить любой вид энергии системы. Например, при быстром сжатии газа в сосуде с подвижным поршнем (11.2.2.3°) работа, совершаемая над газом внешними силами, увеличивает внутреннюю энергию газа. При неупругом соударении двух тел (1.3.5.3°) часть совершенной работы идет на изменение кинетической энергии тел (1.3.2.2°), а часть работы идет на изменение внутренней энергии тел.
