Теплота і робота як форми передачі енергії

У разі взаємодії системи з зовнішніми тілами можливі два різних способи зміни енергії цієї системи: шляхом здійснення роботи і шляхом теплообміну. Відповідно до цього говорять, що обмін енергією між системою і зовнішніми тілами здійснюється у формі роботи і у формі теплоти.

Робота є кількісною мірою енергії, якою система обмінюється із зовнішніми тілами в результаті меха-нічної взаємодії з ними. Оскільки за визначенням робота є добутком сили на шлях, то виконання роботи над макроскопічно нерухо-мою системою означає, що повинні рухатися зовнішні тіла, що діють на систему, тобто мають змінюватися форма чи об’єм системи. Так, над газом в циліндрі, робота буде виконуватися під час стискання газу. Під час переміщення поршня на відстань (рис 2.1) виконується робота:

(2.3)

Під час переміщення поршня з положення 1 у положення 2 буде виконана робота:

(2.4)

При переході системи зі стану 1 в стан 2 робота залежить від способу пере-ходу. Так, робота процесу переходу зі стану 1 у стан 2 через різні стани а і b не однакова, а результуюча робота повного процесу 1-а-2-b-1 не дорівнює нулю, а пропорційна заштрихованій на рис 2.2 площі:

(2.5)

Зі сказаного вище випливає, що не є повним диференціалом, а робота не є функцією стану системи.

Теплота є мірою енергії, якою система обмінюється з зовнішнім середовищем шляхом теплопередачі, тобто без здійснення механічної роботи. Передача енергії у вигляді теплоти може здійснюватися шляхом конвекційного обміну (наприклад, передача енергії від опалювальних батарей у приміщенні), теплопровідності (теплообмін при контакті тіл) і теплообмінного випромінювання (наприклад, потік сонячної енергії). Якщо система виходить з якогось початкового стану, а потім повертається в цей стан, то повна зміна теплоти для даної системи не завжди дорівнює нулю:

(2.6)

Отже, не є повним диференціалом, а теплота не є функцією стану системи.

Таким чином, на відміну від внутрішньої енергії, що є однозначною функцією стану термодинамічної системи, поняття теплоти і роботи в термодинаміці мають сенс тільки в зв'язку з процесом зміни стану системи. Вони є енергетичними характеристиками цього процесу. Теплоту і роботу можна розглядати як способи обміну енергією між взаємодіючими тілами, але не як різні види енергії. Обидва ці способи обміну енергією не рівноцінні, але в реальних умовах завжди супроводжують один одного. Так, здійснення роботи над системою може призвести до зміни будь-якого виду енергії, у тому числі й кінетичної енергії поступального руху мікрочастинок системи, а значить, і до зміни температури системи. При нагріванні тіла розширюються, а це означає, що відбувається робота проти зовнішніх сил.

Теплота і робота вимірюються в одиницях енергії.