Перший закон термодинаміки.

Змінити стан системи, тобто її параметри і, отже, внутрішню енергію можна двома способами: виконанням системою роботи проти зовнішніх сил (або виконанням роботи зовнішніми силами над системою) і наданням системі (або її відведенням) певної кількості теплоти. У загальному випадку перехід системи з одного стану в інший пов'язаний як з виконанням роботи (макроскопічний процес), так і з передачею певної кількості теплоти (мікроскопічний процес).

Закон збереження енергії, сформульований з урахуванням особливої форми передачі енергії у вигляді теплообміну, є фундаментальним законом фізики і називається першим законом термодинаміки. Цей закон встановлений у результаті широких експериментальних і теоретичних досліджень у галузі фізики, хімії, а також на основі досліджень факту еквівалентності теплоти і роботи. Він формулюється так: у теплових процесах зміна внутрішньої енергії відбувається за рахунок приросту кількості теплоти і виконаної роботи. Для нескінченно малих змін перший закон термодинаміки записують у такому вигляді:

dU=d’Q-d’A (16.10)

де dU — зміна внутрішньої енергії; <!'{) — кількість теплоти переданої системі; а\А — робота, виконана над системою. Рівняння (16.10) — найбільш раціональна форма запису першого закону термодинаміки в диференціальній формі. Вона вказує на два можливих способи зміни внутрішньої енергії в теплових процесах.

Якщо процес відбувається без зміни кількості теплоти </'£), то він називається адіабатним. Такі процеси завжди супроводжуються

зміною температури системи. Наприклад, у разі адіабатного розширення система виконує роботу за рахунок внутрішньої енергії, що супроводжується зменшенням швидкості теплового руху молекул і зниженням температури.

Оскільки у термодинаміці теплота відіїрає особливу роль, то закон (16.10) доцільно переписати у вигляді

d’Q=dU+d’A (16.11)

Форма запису закону у вигляді (16.11) зручна, наприклад, для аналізу задач теплотехніки.

Формування поняття температура

У практиці викладання фізики поняттю температури за традицією приділяється мало уваги. Прийнято вважати, що всі знайомо з цим поняттям мало не з дошкільного віку. Проте досвід показує, що багато учнів не знають правила вимірювання температури. Значна частина учнів вважає, що перед вимірюванням температури термометр треба струсити. Серйозні утруднення випробовують ділення шкали термометра, що вчаться у визначенні ціни. Про статистичне тлумачення температури що вчаться, як правило, не мають уявлення. На питання: «Чи можна зміряти температуру однієї молекули?» – більшість учнів відповідає ствердно.

У термодинаміці температура служить одним з параметрів рівноважного стану системи. Учні повинні добре засвоїти наступні правила вимірювання температури: I) для вимірювання температури потрібно почекати час, поки рівень стовпчика

рідині в термометрі не перестане переміщатися; 2) при відліку свідчень термометра резервуар з термометричною речовиною повинен знаходитися в тому середовищі, температуру якого ми вимірюємо. Ці правила обумовлені тим, що температура – параметр рівноважного стану; щоб судити про температуру тієї або іншої системи, необхідно, щоб система і термометрична речовина термометра знаходилися в стані теплової рівноваги. Тільки в цьому випадку можна говорити про ту або іншу температуру термометричної речовини, а отже, і про температуру системи, з якою термометр знаходиться в тепловому контакті.

Важливо мати на увазі, що температура як властивість термодинамічної системи істотно відрізняється від інших властивостей системи, таких, наприклад, як маса, об'єм, енергія. Маса, об'єм і енергія аддитивні, температура не аддитивна. Температура системи не рівна сумі температур частин системи.

Цю особливість температури важливо знати, оскільки нею пояснюється той факт, що температуру вимірюють не шляхом порівняння її з еталоном, як вимірюють, наприклад, довжину, об'єм, масу, а на основі зв'язку між температурою і одним з екстенсивних параметрів. Про зміну температури судять, наприклад, по зміні об'єму термометричної речовини. Еталон для вимірювання температури неможливий, оскільки безглуздо намагатися встановити, скільки разів одна температура міститься в іншій.

Про температуру як про числову характеристику ступеня нагретости тіла можна говорити тільки після вибору шкали температур. Але вибір температурної шкали довільний. Як міра температури можуть бути вибрані різні параметри, температури, що однозначно змінюються із зміною, – об'єм, тиск, провідність, яскравість і ін. В кожному випадку виходять різні шкали температур. Довільний і вибір основних точок реперів (постійних) шкали і масштабу (розміру) градуса.

Що вчаться, щоб правильно розуміти питання про температуру, повинні знати про довільні допущення (угодах), які слід прийняти, щоб мати термометричну шкалу, щоб мати можливість характеризувати температуру числом.

Говорити про температуру, не співвідносивши її з якоюсь певною шкалою, з певним чином сконструйованим приладом для її вимірювання, безглуздо. Визначення температури, що зазвичай дається на уроках фізики, повинне бути доповнене. Температура – не просто ступінь нагретости тіла, але ступінь нагретости за певною шкалою температур.

Аналіз істоти питання показує, що поняття температури для учнів не може бути визначене відразу. Формувати це поняття слід поетапно.

На першому етапі (VI–VII класи) що вчаться на основі відомих спостережень про існування більш менш нагрітих тіл, про охолоджування більш нагрітих тіл при контакті з менш нагрітими (нагріву! "'ч холодних тіл при контакті з більш нагрітими) переконуються в тому, що тіла володіють властивістю, що виявляється нами як ступінь нагретости; цю властивість називають температурою. Такий перший крок введення поняття температури, що дає лише уявлення про існування деякої властивості тіл. У IX класі введення поняття температури необхідно пов'язати з досвідченим законом теплової рівноваги і визначити температуру як параметр рівноважного стану системи, як властивість системи, що обумовлює передачу теплоти від одного тіла (більш нагрітого) до іншого (менш нагрітому) при тепловому контакті цих тіл.

Наступний крок – конструювання приладу для кількісного вимірювання температури. Корисно процитувати наступні слова Томсона (Кельвіна): «У фізичних науках першим важливим кроком в справі пізнання якого-небудь процесу є встановлення чисельних співвідношень і відшукання практичних методів вимірювання тих елементів, які пов'язані з даним явищем.

Якщо ви можете зміряти те, про що ви говорите, і виразити це в числах, ви пізнали вже дещо в даному явищі; якщо ж ви не можете його зміряти і виразити в числах, то всі ваші пізнання мізерні і мало задовільні» .

Вчиться пропонують наступні питання: «Як вимірюють довжину? масу? площа? об'єм?» Відповідь: «Всі ці величини вимірюють шляхом порівняння їх з еталоном – з довжиною, з масою, з об'ємом, прийнятими за одиницю». Для вимірювання температури такий еталон визначити не можна: температура – не аддитивна властивість системи.

Учні знають, що про температуру зазвичай судять за об'ємом термометричної речовини. Які є підстави для такої думки? Тільки дані досвіду, що свідчать про те, що при нагріванні всі тіла розширюються, а при охолоджуванні стискаються. Щоб побудувати термометр, припускають, що об'єм тіла, наприклад ртуть, змінюється пропорційно температурі. Чи так це насправді – ми відповісти не можемо, але приймаємо, що це так. Без цього не можна побудувати термометр. Але, прийнявши це припущення, можна побудувати будь-яку шкалу температур, задавши певне значення температури для двох певних станів термометричної речовини. Приписавши рівноважному стану ртуті при контакті з танучим льодом при нормальному атмосферному тиску нуль градусів, а рівноважному стану ртуті при контакті з парами киплячої води при тому ж тиску 100 градусів, отримують шкалу Цельсія. Якщо температуру танучого льоду прийняти за 32 градуси, а температуру киплячої води за 212 градусів, то вийде шкала Фаренгейта. Побудовані так шкали температур називаються емпіричними.

Нагадуємо, що для вимірювання температури застосовують різні термометричні речовини – ртуть, спирт – і що шкали температур при цьому виявляються теж разными: свідчення ртутного і спиртного термометрів співпадають тільки : двох опорних точках. У всіх проміжних 1 інших точках шкали свідчення термометрів не сов падають. Звертаємо увагу на те, що в принцип будь-яка з цих шкал може бути прийнята за стандарт, що «дійсної» температури, не залежної про нашого свавілля у виборі шкали, не існує Тому температура, що виражається числом, є ступінь нагретости тіла за певною шкалою. Виклад матеріалу пояснюємо зіставленням шкал. Цельсія і Фаренгейта.

Білет №15