Понятие теплоты

Из приведенных формул видно, что для изменения температуры газа нужно изменить его внутреннюю энергию. Изменение же энергии, как это известно из механики, связано с работой: энергия тела изменяется, если тело совершает работу или над телом совершается работа, и это изменение как раз равно совершенной работе.

Отсюда как будто бы следует, что изменение температуры газа или вообще какого-либо тела может быть достигнуто только за счет механической работы: для нагревания тела над ним надо совершить работу, а для охлаждения нужно создать такие условия, при которых оно само могло бы совершить работу. Опыт показывает, что температуру тела в самом деле можно изменить путем затраты соответствующей механической работы. Так, например, при трении тел друг о друга они нагреваются (на этом основан древнейший способ добывания огня). Как будет показано ниже, газ тоже может быть нагрет за счет совершения работы.

Известно, однако, что газ, как и всякое другое тело, можно нагреть или охладить и другим способом, при котором работа на первый взгляд не играет никакой роли. Способ этот заключается в том, что тело приводится в контакт с другим телом, имеющим температуру, отличную от его собственной. Тот же результат может быть достигнут и без непосредственного контакта, когда два тела различной температуры разделены какой-нибудь средой или даже пустотой. В первом случае говорят, что нагрев или охлаждение осуществляются путем теплопроводности, во втором — излучением.

Но из формулы (74) следует, что изменение температуры газа всегда связано с изменением энергии. Когда это изменение происходит в результате затраты работы, причина изменения ясна, ведь работа — это и есть изменение энергии. Значит и при «контактном» способе каким-то образом происходит подвод (при нагреве) или отвод (при охлаждении) энергии.

Механизм передачи энергии в «контактном» способе заключается в том, что частицы соприкасающихся тел при взаимных столкновениях обмениваются энергией, так что частицы сильнее нагретого тела теряют энергию, передавая ее частицам менее нагретого партнера. Значит в этом случае вместо изменения энергии за счет затраты работы тот же результат достигается путем передачи энергии хаотически движущихся частиц одного тела частицам другого.

Однако, в силу обстоятельств, связанных с историей развития физики, в том случае, когда изменение температуры (нагрев или охлаждение) тела производится «контактным» способом или излучением, говорят, что к телу подводится или от него отводится некоторое количество теплоты.

Значит, количество теплоты представляет собой энергию, которая передается от одного тела к другому при их контакте (непосредственном или через третье тело) или путем излучения. По существу, при передаче теплоты мы тоже имеем дело с работой, но работу в этом случае совершают не макроскопические упорядочение движущиеся тела, а беспорядочно движущиеся микрочастицы.

Таким образом, и теплопередача, и механическая работа представляют собой процессы изменения энергии системы. В обоих случаях происходит передача движения. Но механическая работа представляет собой процесс передачи упорядоченного движения системы как целого. Величина совершенной работы равна количеству переданной механической энергии. Теплопередача – это процесс передачи хаотичного (теплового) движения атомов и молекул. Количество теплоты равно количеству тепловой энергии, переданной от одного тела другому.

Никакой другой разницы между теплотой и работой (энергией) нет. Поэтому они должны измеряться в одних и тех же единицах. В системе СИ за единицу количества теплоты принят 1 джоуль (Дж). Но в силу исторических причин количество теплоты до последнего времени измерялось в калориях и килокалориях. Особая единица для количества теплоты была введена еще в те «докинетические» времена, когда теплота считалась особым веществом, способным, подобно некоей жидкости, перетекать из одного тела в другое. Теперь, когда ясна эквивалентность энергии и теплоты, эта единица утратила свой особый физический смысл, но по традиции сохранилась еще и в физике, и в технике.

Килокалория определяется как количество теплоты, подвод (или отвод) которого вызывает нагревание (или, соответственно, охлаждение) одного килограмма воды при атмосферном давлении на один кельвин.

Эквивалентность теплоты и энергии была особенно наглядно продемонстрирована еще в 50-х годах прошлого столетия Д. Джоулем, показавшим серией кропотливых опытов, что нагрев, вызываемый одной килокалорией теплоты, — такой же, какой дает вполне определенная и всегда одна и та же работа. Именно, оказалось, что

1 ккал = 4186,8 Дж.

Пользуются также единицей, в 1000 раз меньшей, чем килокалория, — это грамм-калория, или просто калория (кал):

1 кал = 4,1868 Дж.

Число, показывающее отношение единицы механической работы к единице теплоты, называют механическим эквивалентом теплоты:

I = 4, 1868 Дж/кал.

Обратная величина называется тепловым эквивалентом механической работы:

II = 0,239 кал/Дж.