Работа и теплота. Первый закон термодинамики

При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией. Способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров, называют работой, а без изменения внешних параметров – теплотой.

Работа характеризует упорядоченную форму обмена энергией с окружающей средой, связанную с макроскопическими перемещениями в системе (сжатие, расширение, перемещение в поле сил тяжести и др.).

Работа изменения объема L, Дж, определяется как:

. (4.1)

Работа, отнесенная к единице массы системы, называется удельной работой , Дж/кг. Для нее выражения (4.1) принимают вид:

. (4.2)

Работа является функцией процесса и графически изображается площадью под кривой процесса (1–2) в диаграмме p–v (рис. 4.1). Работа считается положительной, если она производится системой над внешними телами, и отрицательной, если она совершается над системой.

Теплота характеризует микроскопическую неупорядоченную форму обмена энергией, имеющую место при тепловом контакте тел с различной температурой, и самопроизвольно передается от более нагретого тела к менее нагретому на молекулярном уровне.

Количество теплоты Q, Дж, полученное или отданное системой, равно:

, (4.3)

где – теплоемкость вещества, определяемая по молекулярно-кинетической теории или как средняя теплоемкость в интервале температур , индекс x – определяет характер процесса () (см. разд. 3).

Количество теплоты также можно найти, воспользовавшись вторым законом термодинамики (см. разд. 5):

, (4.4)

где S, Дж/К – энтропия системы.

Количество теплоты, отнесенное к единице массы системы, называется удельным количеством теплоты , Дж/кг и определяется как:

, (4.5)

или

. (4.6)

Графически теплота изображается площадью под кривой процесса (1–2) в диаграмме T–s (рис. 4.1). Теплота считается положительной, если она подводится к системе (энтропия в процессе подвода тепла увеличивается, ), и отрицательной, если она отводится от системы (энтропия в процессе отвода тепла уменьшается, ).

Рис. 4.1. Графическое изображение работы l,

полезной внешней работы l' и теплоты q

Первый закон термодинамики является законом сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим системам. В соответствии с ним теплота, подведенная к системе, идет на изменение ее внутренней энергии (см. разд. 3) и на совершение ею работы:

(4.7)

или в дифференциальной форме:

. (4.8)

Первый закон термодинамики может быть записан также в терминах энтальпии (см. разд. 3):

. (4.9)

Здесь – полезная внешняя (располагаемая) работа, определяемая как

, (4.10)

а – удельная внешняя работа,

. (4.11)

Графически полезная внешняя работа изображается площадью слева от кривой процесса в диаграмме p–v (рис. 4.1).

Задачи

4.1. Навстречу друг другу с одинаковой скоростью летят два одинаковых куска льда. При какой скорости они при неупругом ударе испарятся? Начальная температура кусков льда t ₁= –30 ^оС. Теплоемкость льда с _л = 2, 1 кДж/(кг∙ К), теплота плавления льда r _пл = 333, 7 кДж/кг, теплоемкость воды с _в = 4, 19 кДж/(кг∙ К), теплота парообразования r = 2257 кДж/кг.