1.10. Теплота

Теплота – мера количества энергии, переданной микрофизическим путем (Дж).

Теплота может передаваться:

1. При непосредственном контакте между телами (теплопроводность, конвекция);

2. На расстоянии (излучение).

Во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур между телами.

Элементарное количество теплоты δQ, так же как и , не является полным дифференциалом, в отличии от дифференциала внутренней энергииdU.

Внутренняя энергия – это свойство самой системы, она характеризует состояние системы. Теплота и работа – это энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействий системы с окружающей средой. Они характеризуют те количества энергии, которые переданы системе или отданы ею через ее границы в определенном процессе.

1.11. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям.

Пусть некоторому рабочему телу с объемом V и массой М, имеющему температуру Т и давление р, сообщается извне бесконечно малое количество теплоты δQ. В результате подвода теплоты тело нагревается на dT и увеличивается в объеме на dV.

Повышение температуры тела свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц. Увеличение объема тела приводит к изменению потенциальной энергии частиц. В результате внутренняя энергия тела увеличивается на dU. Поскольку рабочее тело окружено средой, которая оказывает на него давление, то при расширении оно производит механическую работу δL против сил внешнего давления. Так как никаких других изменений в системе не происходит, то по закону сохранения энергии

δQ=dU+δL, (1.8)

т.е. теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.

Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Каждый из трех членов этого соотношения может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

Частные случаи:

1) δQ=0 – теплообмен системы с окружающей средой отсутствует. Процесс без теплообмена называется адиабатным. Для него уравнение принимает вид:

δL= - dU.

Работа расширения, совершаемая системой в адиабатном процессе, равна уменьшению внутренней энергии данной системы. При адиабатном сжатии рабочего тела затрачиваемая извне работа целиком идет на увеличение внутренней энергии системы.

2) δL=0 – при этом объем тела не изменяется, dV=0. Процесс называется изохорным, для него

δQ=dU,

т.е. количество теплоты, подведенное к системе при постоянном объеме, равно увеличению внутренней энергии данной системы.

3) dU=0 – внутренняя энергия системы не изменяется и

δQ=δL,

т.е. сообщаемая системе теплота превращается в эквивалентную ей внешнюю работу.

Для системы, содержащей 1 кг рабочего тела

δq=du+δl, (1.9)

Проинтегрировав уравнения для некоторого процесса получим выражение первого закона термодинамики в интегральной форме:

Q=ΔU+L; q=Δu+l,

где ΔU=U₂-U₁.

Наиболее распространенные формулировки первого закона термодинамики:

1. Невозможно возникновение или уничтожение энергии.

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения.

3. Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами перехода энергии от одного тела к другому.