Работа и теплота

Закрытая термодинамическая система может обмениваться энергией с внешними телами только двумя качественно различными способами: путем совершения работы и теплообменом. Первый способ осуществляется при силовом взаимодействии между телами. Энергия, передаваемая при этом системе, называется работой, совершенной над системой.

Рис.3.1

В качестве примера рассмотрим работу, совершающуюся при расширении или сжатии газа, заключенного в сосуд с подвижным поршнем площадью (рис.3.1). При внешнем давлении на поршень действует сила , против которой газ

совершает элементарную работу при перемещении поршня на малое расстояние

,

где – изменение объема газа.

Если изменение объема газа происходит квазистатически, то в любой момент времени газ находится в равновесии с внешней средой и его давление . Элементарная работа газа в равновесном процессе изменения его объема равна . (2.3.1)

Давление газа всегда положительно (). Поэтому при расширении () газ совершает положительную работу (), а при сжатии () –отрицательную ().

Энергия, передаваемая системе внешними телами при теплообмене, называется теплотой, полученной системой от внешней среды. Теплообмен может происходить между телами (или частями одного тела), нагретыми до различной температуры. Существует три вида теплообмена: 1) конвективный; 2) теплопроводность и 3) теплообмен излучением. Конвективный теплообмен – обмен энергией между движущимися неравномерно нагретыми частями газов, жидкостей или газами, жидкостями и твердыми телами. Теплопроводность – передача теплоты от одной части неравномерно нагретого тела другой. Теплообмен излучением (радиационный теплообмен) происходит без непосредственного контакта тел, обменивающихся энергией, и заключается в испускании и поглощении телами электромагнитной энергии.

В отличие от внутренней энергии системы, которая является однозначной функцией ее состояния, понятия теплоты и работы имеют смысл только в процессе изменения состояния системы. Они являются энергетическими характеристиками этого процесса. Значения их зависят от вида процесса. Работа и теплота не являются видами энергии системы, нельзя говорить о «запасе работы» или «запасе теплоты» в теле. Поэтому и не являются полными дифференциалами, не являются функциями состояния, а являются функциями процесса.