Теплота и работа как формы передачи энергии

Изменение состояния системы тел обусловлено передачей энергии от одного тела системы к другому. Передача энергии может проис­ходить либо в форме механической работы А, либо в форме теплоты Q, обусловленной тепловым молекулярным движением.

Как указывалось в гл. 1, работа есть мера изменения механической энергии, переданной от одного тела к другому. Совершение работы всегда сопровождается перемещением тела в целом или его макроско­пических частей.

Количество энергии, переданной от одного тела к другому в про­цессе теплопередачи, измеряется теплотой, отданной одним телом другому. Сообщение теплоты не связано с перемещением тел, а обус­ловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела передают свою кинетическую энергию отдельным молекулам менее нагретого тела при соприкосновении этих тел.

Теплота и работа как две формы передачи энергии тесно связаны друг с другом.

Теплота может переходить в работу и, наоборот, работа — в теп­лоту. Эти преобразования энергии происходят в строго эквивалентных количествах.

В СИ работа и теплота измеряются в одинаковых единицах — джоулях.

Внесистемной единицей измерения теплоты является калория (кал). 1 кал равна теплоте, необходимой для нагревания 1 г воды от 19,5 до 20,5°С.

Подчеркнем еще раз, что макроскопическая работа и количество теплоты – это не просто формы энергии, а различные способы ее изменения и передачи от одного тела к другому. В то время как энергия характеризует состояние системы, теплота и работа характеризуют изменение состояния, то есть происходящие в системе процессы. Других способов передачи энергии при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой, кроме работы и теплоты, не существует.

Работа и теплота, будучи эквивалентными, в качестве возможных способов передачи энергии оказываются не вполне эквивалентными с точки зрения их взаимных переходов друг в друга. Различие, или, как говорят, асимметрия перехода "работа–тепло" и "тепло–работа", станет предметом дальнейшего рассмотрения, а пока отметим, что работа предполагает перенос энергии с использованием упорядоченного движения частиц окружающей систему среды. Совершая над системой работу, мы вынуждаем ее частицы двигаться упорядоченно, и наоборот, если система совершает работу над окружающей средой, она вызывает в ней упорядоченное движение.

Теплота означает перенос энергии с использованием неупорядоченного движения частиц окружающей среды. При нагревании системы мы всегда вынуждаем ее частицы двигаться неупорядоченно, наоборот, когда теплота переходит от системы к окружающей среде, в ней возникает неупорядоченное движение. Именно отмеченное различие между теплотой и работой положено в основу микроскопического обоснования асимметрии при их взаимном преобразовании. Передачей энергии путем совершения работы и путем теплообмена обусловлены все процессы, происходящие с термодинамической системой. Такая передача энергии не должна сопровождаться переходом вещества от внешних тел к системе или от системы к внешним телам.

 

Теплота Q представляет собой количественную меру хаотического движения частиц данной системы или тела. Энергия более нагретого тела в форме теплоты передается менее нагретому телу. При этом не происходит переноса вещества.

Работа А является количественной мерой направленного движения частиц, мерой энергии, передаваемой от одной системы к другой за счет перемещения вещества от одной системы к другой под действием тех или иных сил, например гравитационных. Теплоту и работу измеряют в джоулях (Дж), килоджоулях (кДж) и мегаджоулях (МДж). Положительной считается работа, совершаемая системой против внешних сил (А > 0) и теплота, подводимая к системе (Q > 0). Теплота и работа зависят от способа проведения процесса, т.е. они являются функциями пути.

Количественное соотношение между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон термодинамики:

Q = Δ U + А.

Если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии системы Δ U и на совершение системой работы А над окружающей средой.

Теплоту и работу можно измерить, отсюда,

Δ U = Q – А.

Первый закон термодинамики является формой выражения закона сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может ни создаваться, ни исчезать, но может превращаться из одной формы в другую. Его справедливость доказана многовековым опытом человечества.

Если система осуществляет переход из одного состояния в другое при постоянном объеме (реакция протекает в автоклаве), то работа расширения системы

А = р Δ V = 0

и

Q _v = Δ U = U ₂ – U ₁,

т.е. если реакция протекает при постоянном объеме, то выделение или поглощение теплоты Q связано с изменением внутренней энергии системы.

Если на систему не действуют ни какие другие силы, кроме постоянного давления, т.е. химический процесс осуществляется в изобарных условиях, и единственным видом работы является работа расширения, то первый закон термодинамики запишется:

Q _p = Δ U + p Δ V.

 

4. Параметры состояния рабочего тела

Тело, с по­мощью которого тепловая энергия превращается в механиче­скую, называется рабочим телом. Тела могут совершать работу только в том случае, когда они расширяются.

Для упрощения изучения свойств газообразных тел в техни­ческой термодинамике введено понятие о так называемом иде­альном газе, в котором отсутствуют силы сцепления между моле­кулами, а объем их принимается настолько малым, что им можно пренебречь.

Водяной пар в технической термодинамике рассматривается как реальный газ, на который не распространяются законы и за­висимости идеальных газов.

Основные параметры, характеризующие условия, в которых находится газообразное тело - давление, удельный объем, темпе­ратура.

Давление - результат ударов молекул газа о стенки сосуда, определяется силой, действующей по нормали на единицу по­верхности.

В Международной системе единиц измерения СИ за едини­цу давления принят 1Па = Н/м.

В технике используют и внесистемные единицы измерения давления: техническая атмосфера 1ат = 1кГс/см = 10 кГс/м = 1бар = 9,81·104Па = 10⁴ мм вод. ст. = 735,6 мм рт. ст.

Давление в замкнутом пространстве называют абсолютным. Оно может быть больше или меньше атмосферного давления

^рабс = ^рбар + ^ризб^{; (1.1)}

^рабс = ^рбар ^{- р}вак, (1.1а)

где р_абс - абсолютное давление;

р_бар - барометрическое (атмосферное) давление;

р_изб - избыточное давление;

рвак - вакуумметрическое давление.

Избыточное давление измеряют манометрами, разрежение (вакуум) - вакуумметрами.

Удельный объем - объем единицы массы рабочего тела (м³/кг)

v (1.2)

где V - объем рабочего тела, м³; M - масса рабочего тела, кг.

Величина, обратная удельному объему - плотность (кг/м)

c =1/v

Если масса киломоля , а его объем (), тогда удельный объем и плотность одного киломоля

v=µ×v∕µ

ρ=µ∕µ×vПри нормальных условиях удельный объем и плотность од­ного киломоля (Р_о = 760 мм рт. ст. = 101325 Па, t = 0°С, м³/кмоль)

Температура характеризует степень нагрева тела, то есть степень интенсивности движения молекул или меру средней ки­нетической энергии поступательного движения молекул.

Связь между основными параметрами состояния идеального газа устанавливается уравнением Б. Клайперона (1834 г.), кото­рое он вывел на основе законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Это уравнение называется характеристическим уравнением или уравнением состояния газа

p×v=R×T(1.10),где R - газовая постоянная данного газа, Дж/(кгК).

Для М кг газа уравнение (1.10) имеет вид

pV = MRT. (1.11)

Применив это уравнение к одному киломолю газа, Д. И. Менделеев получил следующее уравнение:

p×µ×v=µ×R×T где μ*R- универсальная газовая постоянная любого газа, кДж/(кмоль-К).

Эта величина представляет собой работу, совершаемую од­ним киломолем идеального газа при изменении его температуры на один градус при р = const.

По закону Авогадро при одинаковых значениях давления (р = const) и температуры (Т = const) один киломоль любого газа занимает одинаковый объем, поэтому величина универсальной газовой постоянной (μ*R) не зависит от вида газа. Ее значение при нормальных условиях

m×R=p×m×v∕T

Тогда газовая постоянная для любого газа R =