6 Работа газа и теплота

При расширении газ совершает работу против внешней среды, передавая ей при этом энергию. При сжатии наоборот, газ воспринимает работу, совершенную внешней средой и увеличивающей его внутреннюю энергию. При этом осуществление работы возможно при наличие по меньшей мере двух движущихся тел, одно из которых оказывает силовое воздействие на другое.

Из сказанного следует, что работа есть одна из форм передачи энергии от одного тела к другому. Количество работы представляет собой меру передаваемой энергии. Количество энергии, полученное телом в форме работы, называется совершенной над телом работой, а отданную энергию в форме работы – затраченной телом работой.

Другой способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн, при этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Количество энергии переданное этим способом от одного тела к другому называют количеством теплоты, а сам способ – передачей энергии в форме теплоты. Получаемая теплота называется подведенной, а отданная – отведенной теплотой.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом необходимо отметить, что в различных термодинамических процессах в зависимости от условий их протекания количества теплоты и работы различны. Следовательно, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от одних тел материального мира к другим.

Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота есть совокупность микрофизических процессов, поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел, например изменение скоростей движения молекул и обмен энергией при их соударениях, излучение квантов света, изменения структуры самих молекул и атомов и т.д. Все эти изменения энергии, не поддающиеся непосредственному наблюдению в обычных условиях, проявляются в наших ощущениях в форме теплоты. Количество теплоты и работы являются мерами энергии, переданной телам в форме работы и в форме теплоты.

Понятие «теплота и работа» возникает только в связи с протекающим термодинамическим процессом. Если нет процесса, то нет теплоты и работы. Поэтому нельзя говорить о запасе теплоты и работы в каком-либо теле.

В соответствии с этим ни элементарная работа L , ни элементарная теплота Q не являются полными дифференциалами параметров состояния и их нельзя называть приращением количества теплоты и работы. Величины Q и L есть только бесконечно малые количества теплоты и работы, участвующие в элементарном процессе. Поэтому операцию интегрирования можно обозначать только следующим образом:

, (9)

при условии, что будут заданы частные признаки между состояниями 1 и 2.

Термодинамический процесс

Изменение состояния рабочего тела вследствие воздействия на него внешней среды называется термодинамическим процессом (ТДП). ТДП характеризуется изменением основных параметров рабочего тела. ТДП могут быть равновесными и неравновесными.

Равновесный процесс протекает так медленно, что в каждый выбранный момент времени значения параметров состояния в отдельных частях характеризуют равновесное состояние всей системы, а не отдельной ее части. Равновесные процессы можно описать графически, например, в виде изотерм.

Неравновесные процессы не поддаются графическому изображению, так как рабочее тело системы, участвующее в процессе, одновременно имеет несколько разных значений параметров в различных частях.

Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлениях, причем при возвращении в первоначальное состояние (при изменении внешних условий в противоположной последовательности) система проходит все равновесные состояния прямого процесса, но в обратном порядке. Обратимые процессы – это идеализированные процессы с максимальной работой при расширении и минимальной при сжатии.

Необратимый процесс – процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении. При таких процессах система не может возвратиться в исходное состояние без дополнительного внешнего воздействия. Всякий необратимый процесс изменения состояния рабочего тела является процессом неравновесным.

Несколько последовательных ТДП составляющих замкнутый процесс образуют круговой процесс или цикл. Термодинамический цикл (см. рисунок 2), как и ТДП, может быть обратимым и необратимым. Обратимый цикл образуется только обратимыми процессами.

Рисунок 2 – Термодинамический цикл