Работа системы и работа над системой

Пусть в цилиндрической банке под подвижный поршнем заключён газ. Газ давит на поршень с силой F = pS, где р – давление газа в цилиндре, S − площадь поршня (рис. 2.4). Если поршень сместился на малое расстояние dx, то система (т. е. газ), расширившись, совершила работу

dA = Fdx = pSdx = pdV,

где dV – малое приращение объёма газа. При конечном расширении газа от V ₁ до V ₂ работа системы

А _1-2 = .                          (2.2)

Это выражение для работы справедливо и для объёма любой формы, а не только цилиндрического.

На диаграмме (р, V) процесс изменения объёма газа изобразится некоторой кривой. Так как элементарная работа pdV равна на этой диаграмме площади заштрихованной полоски (рис. 2.5), то вся работа (2.2) численно равна площади всей фигуры под кривой р (V) на участке от V ₁ до V ₂.

Пусть объём газа в цилиндре уменьшается. Тогда смещение поршня dx противоположно направлению силы давления F, и, следовательно, работа cистемы   dA = Fdx cos180° будет отрицательной (рис. 2.6). Работа же внешних сил, сжимающих газ, т. е. работа над системой, которую будем обозначать А ′ − положительна, так как направление внешней силы F′ и смещения dx совпадают. Таким образом, А ′ = − А.

При циклическом процессе 1→2→1, показанном на рис. 2.7, работа системы А численно равна площади петли, так как площадь фигуры под участком 1→2 даёт А _1-2 > 0, а площадь фигуры под участком 2→1 даёт А _2-1 < 0. При обходе петли по часовой стрелке А > 0, а при обратном обходе А < 0.

Понятие температуры

Качественно понятие температуры тела вводится следующими процессами теплопередачи.

1. Если тело 1 при физическом контакте с телом 2 передаёт ему внутреннюю энергию путём теплопередачи, то говорят, что тело 1 имеет более высокую температуру, чем тело 2, т. е. Т ₁ > Т ₂.

2. Если два тела долгое время находятся в физическом контакте и уже не обмениваются энергией путём теплопередачи, то говорят, что эти тела имеют одинаковые температуры: Т ₁ = Т ₂.

Температура тела Т является мерой средней кинетической энергии теплового (хаотического) движения его молекул. Из статистической теории известно, что эта средняя кинетическая энергия молекулы связана с температурой тела Т соотношением:

,

где m – масса молекулы,

υ – средняя скорость её теплового движения,

k = 1,38·10⁻²³ Дж/К – постоянная Больцмана,

i – число степеней свободы молекулы, т. е. число независимых координат, задающих положение и ориентацию молекулы в пространстве. Для одноатомных молекул i = 3, для двухатомных – i = 5, для нелинейных трёх- и многоатомных молекул i = 6.

Многие параметры тел, такие как объём, плотность, электропроводность, зависят от температуры и могут быть использованы для её измерения. В большинстве бытовых и лабораторных термометров для измерения температуры используется зависимость V (T), где V – объём жидкости или газа. В электронных термометрах используется зависимость электрического сопротивления тела от температуры (терморезисторы).

При градуировке термометров точке кипения воды приписывают значение 100°, точке замерзания – 0°; И весь этот температурный интервал делят на 100 равных частей. Это – шкала Цельсия, применяемая в быту.

В физике применяется шкала Кельвина, или абсолютная шкала. Она строится так: один кельвин равен одному градусу Цельсия (1 К = 1°С), а температуры шкал Кельвина (Т _К) и Цельсия (Т _С) связаны соотношением

Т _К = Т _С + 273,15.

Температура Т = 0 К =−273,15°С называется абсолютным температурным нулём. Далее везде под температурой системы будем понимать именно абсолютную температуру.

Третий закон термодинамики утверждает невозможность достижения абсолютного нуля никакими способами. К абсолютному нулю можно подойти очень близко (и в настоящее время подходят – до 10⁻⁶ К), но достичь его точно – никогда. Да и само понятие «точно» в физике не имеет смысла.