Теплота и работа

Обмен энергией между ТДС и ОС может осуществляться в двух различных формах – в форме теплоты и в форме механической работы.

Теплота представляет собой микроскопическую форму обмена энергией между ТДС и ОС. В этом случае обмен происходит без изменения формы и объема ТДС, при этом меняются лишь значения давления и температуры в системе. Пример – подвод теплоты извне (например – пламенем паяльной лампы) в газ, находящийся в замкнутой металлической емкости. В этом случае по мере подвода теплоты наблюдается рост температуры и давление газа, следовательно, происходит увеличение внутренней энергии газа U при неизменном объеме. Таким образом, в данном примере осуществляется обмен энергией между окружающей средой (паяльной лампой) и газом, находящимся внутри емкости.

Механическая работа – это макроскопическая форма обмена энергией между ТДС и ОС. В этом процессе происходит изменение значений всех параметров состояния. В результате изменения (расширения) объема ТДС совершается механическая работа по преодолению сопротивления окружающей среды. Из механики известно, что работа равна произведению силы на пройденный путь в направлении действия данной силы. Величина этой работы пропорциональна давлению газа р и приращению объема при расширении. Пример – нагрев извне газа (например, пламенем той же паяльной лампы), находящегося в вертикальном цилиндре с подвижным поршнем. В этом случае подвод теплоты из ОС обусловливает рост температуры и давления газа внутри емкости (в ТДС), что сопровождается подъемом поршня вверх в результате расширения газа. При этом совершается механическая работа по преодолению силы тяжести поршня. Обозначив эту работу через , её можно выразить в виде следующей зависимости = F·Dh, где F=p·f - сила давления газа на поршень, f - площадь поперечного сечения поршня, D h -высота подъема поршня в результате расширения газа. Учитывая, что f·Dh=DV - приращение объема газа внутри цилиндра, выражение для работы можно представить в виде

.

Производя предельный переход в последнем выражении, его можно представить в дифференциальной форме

.

Это уравнение выражает элементарную термодинамическую работу расширения ТДС. Соответствующую удельную работу, т.е. отнесенную к 1 кг газа, можно представить уравнением

.