Механический эквивалент теплоты

Как видно из предыдущих рассуждений, теплота, работа и энергия должны измеряться в одних и тех же единицах. В системе СИ за единицу количества теплоты принят 1 Джоуль (Дж). В силу исторических причин количество теплоты до последнего времени измерялось в килокалориях. Эта особая единица количества теплоты была введена ещё в то время, когда теплота считалась особым веществом теплородом, способным, подобно некоей жидкости, перетекать из одного тела в другое. Теперь, когда ясна эквивалентность энергии и теплоты, эта единица утратила свой особый физический смысл, но по традиции ещё сохранилась и в физике, и в технике.

Килокалория определяется как количество теплоты, подвод (или отвод) которого вызывает нагревание (или охлаждение) одного килограмма воды при атмосферном давлении на один кельвин.

Эквивалентность теплоты и энергии была наглядно продемонстрирована ещё в 50-х годах прошлого столетия Д. Джоулем, показавшим, что нагрев, вызываемый одной килокалорией теплоты – такой же, какой даёт вполне определённая и всегда одна и та же работа. Оказалось, что 1 ккал = 4186,8 Дж. На практике используется также единица в 1000 раз меньшая, чем килокалория, – это грамм-калория, или просто калория (кал): 1 кал = 4,1868 Дж.

Число, показывающее отношение единицы механической работы к единице теплоты, называют механическим эквивалентом теплоты: I = 4186,8 Дж/ккал = 4, 1868 Дж/кал.

Обратная ему величина называется тепловым эквивалентом механической работы: I' = 2, 39*10^-4 ккал/Дж = 0, 239 кал/Дж.

В системе СИ теплоту и работу выражают в одних и тех же единицах, следовательно, механический эквивалент теплоты в этой системе равен единице.

Внутренняя энергия системы

Внутренней энергией какого-либо тела U называется энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Это полная энергия, относящаяся к самим молекулам, то есть их «невидимая» энергия. В понятие внутренней энергии включаются кинетическая энергия хаотического движения микрочастиц (молекул, атомов, ядер и электронов) и потенциальная энергия взаимодействия этих частиц.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии U при переходе системы из одного состояния в другое будет всегда равно разности значений внутренней энергии в этих состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход, то есть независимо от процесса или совокупности процессов, приведших к переходу системы из одного состояния в другое.

Первое начало термодинамики

Изменение состояния любого тела или системы тел, сопровождается работой, произведенной этой системой, или работой, совершаемой над ней внешними силами. Например, можно изменить температуру газа, в результате затраты механической работы извне (нагревание) или за счет работы, произведенной системой против внешних сил (охлаждение). Эта механическая работа совершается при сжатии газа внешней силой, когда газ нагревается, или при расширении газа, когда он сам производит работу, охлаждаясь при этом. Иногда изменение объема газа может быть произведено и без изменения его температуры, тогда требуется меньшая работа.

Состояние газа или других тел можно также изменить, сообщив ему или, наоборот, отняв от него некоторое количество теплоты. Какая работа будет совершена при этом способе изменения его состояния? Ответ на этот вопрос дает закон сохранения энергии в такой формулировке, которая учитывает особую форму ее передачи путем теплообмена. Если газу или другому телу сообщено некоторое малое количество теплоты Q, то при этом совершается элементарная работа А и внутренняя энергия изменяется на dU. Закон сохранения энергии для теплоты как формы энергии, внутренней энергии и совершаемой работы записывается как:

А = Q – dU или

Q = dU + А (1).

То есть работа, совершаемая системой, равна разности между количеством теплоты, сообщаемой системе, и изменением ее внутренней энергии. Или количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Уравнения (1) выражают важнейший закон природы, закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Этот закон получил название первого начала (закона) термодинамики. Первый закон термодинамики был установлен после того, как экспериментально было доказано взаимопревращение теплоты и работы в эквивалентных количествах. В отличие от закона сохранения и превращения механической энергии в (1) рассматривается изменение энергии системы не только за счет совершения работы, но и за счет передачи теплоты. Так же как в механике закон сохранения энергии, так и первое начало термодинамики не может предсказать направление развития процесса. Этот закон позволяет лишь указать, как изменяются величины, если происходит какой-то процесс. Принципиальным отличием (1) от закона сохранения в механике является наличие величины Q, изучение которой составляет предмет термодинамики.