Работа. Количество теплоты

Работа в механическом понимании совершается, если на тело действует сила , вызывающая перемещение :

(9.6)

где a - угол между вектором силы и вектором перемещения .

Рассмотрим цилиндр с поршнем, внутри цилиндра находится какой либо газ. Под действием внешней силы F поршень переместится на . Поскольку направление действия силы и направление перемещения совпадают, запишем работу внешней силы

(9.7)

Разделим это выражение слева на площадь основания цилиндра S и умножим на эту величину, находим:

(9.8)

где - давление газа;

- изменение объёма, занимаемого газом в цилиндре.

Мы получили формулу для определения работы , совершенной над термодинамической системой.

В дифференциальной форме элементарная работа:

.

Полная работа, совершаемая при сжатии газа от объёма до объёма :

(9.9)

Работа самой термодинамической системы против внешних сил равна по величине и противоположна по знаку работе внешних сил:

.

Нельзя говорить о количестве работы, запасённой термодинамической системой, правильнее говорить об изменении работы.

Работа, совершаемая системой, зависит от пути перехода системы из начального до конечного состояния. Так, например, работа идеального газа в изотермическом процессе меньше, чем в изобарном процессе при одинаковом изменении объема. Работа при изотермическом процессе зависит от изменения объема, занимаемого газом. Если система возвратится в исходное состояние, характеризуемое параметрами P, V, T, n, то совершенная при этом работа будет зависеть от хода процесса, поэтому работа не является функцией состояния. Работа является одной из форм энергии и может полностью переходить в другие формы энергии: теплоту и внутреннюю энергию.

На замкнутую систему могут не действовать внешние силы, но она может обмениваться энергией с внешней средой путём теплообмена. Количество теплоты, переданное термодинамической системе, зависит от теплоёмкости:

(9.10)

Поскольку теплоёмкость системы зависит от условий, при которых происходит передача тепла, то количество теплоты также не является функцией состояния. Так, например, в изохорном процессе идеального газа количество теплоты, воспринятое системой меньше, чем в изобарном процессе т.к. где - молярная масса газа; - универсальная газовая постоянная. Элементарное количество теплоты не является полным дифференциалом, т.к. при возвращении системы в состояние с исходными параметрами запасённое количество теплоты не обязательно принимает первоначальную величину. Количество теплоты , как одна из форм энергии, может полностью переходить в другие формы энергии: работу и внутреннюю энергию .

Механический эквивалент количества тепла был установлен Д. Джоулем (1843 г.): 1 кал = 4,1868 Дж.