Теплота и работа - изменение внутренней энергии системы может осуществляться различными путями, которые отличаются друг от друга по способу передачи энергии

  

Вся электронная библиотека >>>

 Солнечная энергетика >>>

 

 

 

 Солнечная энергия для человека


Раздел: Наука

 

Теплота и работа

  

Как мы уже говорили, чтобы внутренняя энергия тела возросла, над ним необходимо совершить работу. Если таким телом является, например, содержащийся в сосуде газ, увеличения его внутренней энергии можно добиться либо интенсивным перемешиванием, либо сжатием. Но энергию газа можно увеличить и путем его нагревания. Мы знаем, что вода при нагревании превращается в пар. При переходе из жидкого состояния в газообразное среднее расстояние между молекулами увеличивается, а их движение становится более интенсивным. Во всех перечисленные примерах энергия сообщается системе извне, причем либо в виде теплоты, либо работы. Мы рассмотрели примеры, связанные с увеличением внутренней энергии системы, однако внутренняя энергия системы можег и уменьшаться, когда часть ее передается окружающей среде. В последнем случае энергия также проявляется в виде теплоты или работы.

Итак, изменение внутренней энергии системы может осуществляться различными путями, которые отличаются друг от друга по способу передачи энергии. Если при этом изменяется положение одной из границ системы, как, например, при сжатии газа в результате перемещения поршня в цилиндре, говорят, что энергия передается в виде работы. Теплота же представляет собой энергию, которой обменивается тело, с окружающей средой при наличии между ними разности температур. Прежде чем рассматривать процесс передачи энергии, остановимся на этом новом понятии.

 

Температура

 

Тепло и холод мы воспринимаем через наши органы осязания. Подобные ощущения довольно примитивны и субъективны, однако даже таким путем многие из нас смогут более или менее правильно оценить нагрев тел и, если потребуется, расположить их по степени нагрева. В таких экспериментах мы определяем относительный нагрев тел. Но, по-видимому, нужна и некоторая абсолютная оценка. Для этого мы должны сопоставить нагрев тела с какой-то хотя бы грубой шкалой нагрева; следовательно, необходим некоторый стандарт, сравнение с которым позволит нам судить о нагреве тела. Так возникли шкала температур и понятие температуры, которое стали использовать для абсолютного цифрового выражения степени нагрева тела. Мы еще вернемся к вопросу об установлении шкалы температуры, а пока будем применять слово температура для качественной оценки степени нагрева, полагая, что более горячее тело имеет более высокую температуру. Итак, с повышением температуры перемещения, вращения и колебания атомов и молекул становятся более интенсивными. Мы не можем видеть непосредственно все эти изменения, но мы предполагаем их, наблюдая различные явления, которые служат логическим следствием подобных изменений.

Если сложить вместе два твердых тела с различной температурой, то атомы и молекулы контактирующих поверхностей будут взаимодействовать друг с другом. В результате колебания атомов и молекул более холодного тела усилятся и, наоборот, в более горячем теле они ослабнут. В этом случае работа совершается за счет межмолекулярного взаимодействия, благодаря которому и осуществляется передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Если процесс передачи энергии обусловлен разностью температур, то мы можем отождествлять энергию с теплотой и называть этот процесс передолей теплоты.

В зависимости от физического состояния тел передача теплоты сказывается на них по-разному. В газах дополнительное поступление теплоты приводит к повышению средней кинетической энергии молекул. Молекулы начинают интенсивнее ударяться о стенки сосуда, в таком случае мы говорим об увеличении давления газа. В твердых телах возрастает амплитуда колебаний атомов, что приводит к смещению их средних положений. При ' огромном количестве атомов твердого тела мы можем наблюдать эти смещения по изменению размеров тела, и тогда мы говорим о расширении тела. Подобным же образом мы можем объяснить и такие более сложные явления, как плавление и парообразование. Необходимо отметить, что изменение температуры различных тел не находится в строгом соответствии с количеством сообщаемой им энергии. Изменение температуры зависит от числа частиц, участвующих в процессе, их массы, способов передачи энергии и т. д.

Если соприкасаются два тела с различной температурой, то передача теплоты происходит до тех пор, пока в системе не установится равновесие. В состоянии равновесия взаимодействие атомов уже не вызывает каких-либо изменений в наблюдаемых свойствах тел. Внутренняя энергия каждого из тел в та-, ком состоянии также не изменяется. Из общих соображений мы можем предполагать и равенство их температур. Как показывают наблюдения, любое третье тело, приведенное в состояние равновесия с одним из двух исходных тел, стремится к равновесию и с другим, если с ним также устанавливается контакт. Это так называемый нулевой закон термодинамики, который носит универсальный характер. Его необычное название связано с тем, что этот закон не признавался до тех пор, пока не были установлены первое и второе начала термодинамики (которые мы рассмотрим позже), хотя логически он должен был им предшествовать  .

Что же общего между различными телами, отличающимися формой, размером и составом, если все они находятся в тепловом равновесии? Одно из этих тел можно использовать для отсчета температуры. Очевидно, что в условиях равновесия температура всех этих контактирующих тел будет одинаковой. Такой логический вывод из нулевого закона термодинамики впервые сделал Джеймс Клерк Максвелл в 1868 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ: Солнечная энергия для человека

 

Смотрите также:

 

Что такое теплопроводность и теплоемкость

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее
Изоляционные работы в строительстве. Гидроизоляция.

 

...явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу....

Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу.

 

Закон сохранения энергии. Джемс Прескот Джоуль (1818—1889)...

Если количество теплоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же источнику — окисленной в организме пище.