13. Взаимосвязь теплоты и работы. Первое начало термодинамики. Работа, совершаемая телом при изменении объема. Работа газа в различных изопроцессах.

Термодинамика — это наука о закономерностях превраще­ния одних видов энергии в другие. Значение термодинамики состоит в том, что она устанавливает принципы наиболее эф­фективного и оптимального преобразования энергии. Этим тер­модинамика дает ответ на вопрос, как нужно организовать ра­бочий процесс в тепловом двигателе, чтобы КПД его был мак­симальным.

Термодинамической системой называют совокупность макроскопических тел, находящихся в энергетическом (механическом и тепловом) взаимодействии друг с другом и другими телами, окружающими их, а также обменивающихся друг с другом веществом.

В термодинамике производится сопоставление рассматрива­емой системы с окружающей средой, изучаются взаимодействия как внутри системы, так и между системой и окружающей сре­дой. Если между системой и окружающей средой возможны все три типа взаимодействия, система называется открытой. В за­крытой системе обмен веществом с другими системами отсут­ствует. Адиабатной называют систему, в которой отсутствует теплообмен с другими системами. Адиабатными могут быть как открытая, так и закрытая системы. Система, не взаимодейству­ющая с окружающей средой или другими системами ни энерге­тически, ни веществом, называется изолированной.

Различают термодинамические системы: однородные (од­нофазные), или гомогенные, и неоднородные (многофазные), или гетерогенные. Гомогенные системы имеют одинаковые или непрерывно и равномерно изменяющиеся химический состав и физические свойства. Например, газ, находящийся в балло­не; атмосферный воздух, давление которого изменяется непре­рывно jio высоте; чистые, без сажи, продукты сгорания.

Гетерогенная система состоит из двух или более гомоген­ных областей, называемых фазами. На границах фаз скачко­образно изменяются химический состав или физические свой­ства вещества. Например, гетерогенная система из воды и льда имеет одинаковый химический состав, но разные физические свойства, а гетерогенная система из воды и куска сливочного масла — и разный состав, и разные свойства.

Совокупность физических свойств термодинамической сис­темы в рассматриваемых условиях называют состоянием сис­темы. Величины, характеризующие состояние термодинами­ческой системы, называют термодинамическими параметрами: давление — Р, удельный объем — V, температура— Т, внут­ренняя энергия — U, энтальпия — h, энтропия — s и др. Пара­метры, не зависящие от размеров системы (ее протяженности, массы), например температуру, давление, называют интенсивны­ми, зависящие же, например объем, энтальпию, энтропию, — экстенсивными или аддитивными.

Если параметры с течением времени не изменяются, то со­стояние системы называется стационарным.

Состояние, в которое приходит система при постоянных внешних условиях, характеризуемое неизменностью во време­ни термодинамических параметров и отсутствием в системе потоков вещества и теплоты, называют равновесным.

Процесс передачи энергии направленного движения мик­рочастиц от рассматриваемого тела к другим телам и наоборот представляет собой работу А, Дж. Процесс отдачи или воспри­ятия энергии хаотического молекулярного и внутримолеку­лярного движения называется теплотой, а количество пере­данной энергии — количеством теплоты Q, Дж. Другие формы передачи энергии неизвестны. Таким образом, принимается, что теплота и работа являются двумя единственно возможны­ми формами передачи энергии.

Для конечного состояния изменения системы первое начало термодинамики: Q=∆U+А,

где: Q - количество теплоты, подводимое к системе; ∆U – изменение внутренней энергии газа; А – работа, совершаемая газом против внешних сил в изопроцессах.

Следует напомнить еще одну из формулировок первого за­кона — вечный двигатель первого рода невозможен. Вечный двигатель первого рода — это такой воображаемый механизм, который при наличии первоначального энергетического им­пульса способен безостановочно двигать сам себя и, кроме того, производить полезную работу.

Работа, совершаемая газом против внешних сил в изопроцессах:

а) изохорном (V=const), А=0;

б) изобарном (р=const)

A =pV= mR(T₂-T₁)/M

в) изотермическом (Т==const)

г) адиабатическом (Q=0)