Лекция 3. Первое начало термодинамики и тепловые свойства тел

Тепловые процессы можно разделить на два основных типа – квазистатические (квази-равновесные) и неравновесные.

Квазистатические процессы состоят из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия. Для описания такого процесса можно пользоваться соответствующим уравне-нием состояния. Термодинамические параметры при этом могут изменяться со временем.

В неравновесных процессах система термодинамические параметры могут существенно изменяться как в зависимости от координат, так и от времени.

Работа газа в квазистатическом процессе.

Рассмотрим газ в цилиндре с поршнем (рис. 1). Со стороны газа на поршень действует сила . При перемещении поршня на малое расстояние эта сила совершает работу

, , где - изменение объема газа.

Таким образом, работа газа

. (1)

При расширении газа и . При сжатии и . Аналогичное выражение получается и в случае газа внутри эластичной оболочки произвольной формы (рис. 1). Полная работа при смещении поверхности оболочки на расстояние находится путем суммирования по малым элементам . Обозначение для бесконечно малой работы введено по той же причине, что и в курсе механики. Величина не всегда является полным дифференциалом. Более подробно мы обсудим этот вопрос далее.

Работа газа в квазистатическом процессе с конечным изменением параметров от начального состояния 1 до конечного состояния 2 может быть найдена путем суммирования элементар-ных работ (1), что приводит к выражению

.

Тепловые процессы удобно изображать графически на плоскости каких-либо двух термоди-намических переменных, например, (рис. 2). При этом работа равна площади заштри-хованной фигуры под кривой, описывающей данный процесс. В круговом процессе система возвращается в исходное состояние (рис. 2). В этом случае работа по пути 1 – 2 положительна, а по пути 2 – 1 отрицательна. Полная работа равна площади заштрихованной фигуры внутри замкнутого контура на плоскости , описывающего круговой процесс.

Если тело не получает энергию извне, то работа при его расширении совершается за счет его внутренней энергии.

Внутренняя энергия тела - сумма всех видов энергии, содержащихся в теле, за исключением энергии, которой тело обладает при взаимодействии с другими телами.

В данном курсе лекций мы будем пользоваться более простым определением.

Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии теплового движения молекул вещества и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Такое определение справедливо, если можно пренебречь другими видами энергии, содержащимися в теле (магнитной энергии, ядерной энергии, энергии излучения т.д.)

В тепловых процессах, в отличие от механических, имеет место еще один вид энергии.

Количество тепла - энергия, передаваемая от одного тела к другому без совершения работы.

Количество тепла, или теплота, передается, например, от более нагретого тела к менее нагретому при их контакте друг с другом. Считается, что , если тело получает тепло и , если оно отдает тепло.

Все приведенные выше величины, , и , имеют размерность энергии. Для количества тепла часто используется внесистемная единица калория. Она равна количеству тепла, необходимому для нагревания 1 г воды на 1⁰C в интервале температур от 19,5⁰С до 20,5⁰С. 1 калория = 4,187 Джоуля (механический эквивалент теплоты). Эти три вида энергии связаны между собой следующим законом сохранения.