Исходные понятия. Термодинамические величины

Любое тело в природе находится в постоянном движении, которое количественно оценивается энергией - мерой форм движения. Энергия тела обусловлена суммой механической и внутренней энергии. Положение тела в пространстве и его скорость определяют механическую энергию, а скорости движения частиц (атомов и молекул) и их взаимное расположение - внутреннюю энергию. Эти величины позволяют оценить роль тела в протекании тепловых процессов. По аналогии с механической энергией тел внутреннюю энергию принято разделять на кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела. Необходимо отметить, что отдельно взятая молекула в каждый момент времени обладает некоторой мгновенной скоростью и положением среди других частиц, т. е. определенными значениями кинетической и потенциальной энергии, которые ее отличают от других молекул. Поэтому, оценивая состояние вещества, говорят о средних значениях кинетической и потенциальной энергий молекул.

При нагревании тела внутренняя энергия увеличивается, так как возрастает средняя скорость движения молекул. При охлаждении тела движение молекул замедляется и его внутренняя энергия уменьшается.

Степень нагрева тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул. Состояние тела, при котором тепловое движение атомов и молекул прекращается, соответствует абсолютному нулю температуры. Температура T, определенна по шкале с абсолютным нулем, называется абсолютной температурой и измеряется в Кельвинах (К). На практике, как правило, пользуются температурной шкалой в градусах Цельсия, в которой за нулевую точку условно принято состояние таяния льда при атмосферном давлении tв. Абсолютная температура в Кельвинах (К) и температура в градусах Цельсия (°С) связаны соотношением

T=tв+273,15

В отличие от средней кинетической энергии теплового движения молекул, их средняя потенциальная энергия связана с удельным объемом тела. При изменении объема меняются расстояния между молекулами, что приводит к изменению средней потенциальной энергии и взаимодействия.

На практике часто объем V, м³ занимаемый веществом, относят к его массе m, кг, и называют удельным объемом ν, м³/кг:

ν = V /m.

Величина р, обратная удельном объему, называется плотностью вещества. Она численно равна массе вещества, содержащемуся в единице объема, кг/м³:

ρ=m/V

Молекулы газа при хаотическом движении сталкиваются с ограничивающими его стенками. При каждом соударении возникает импульс силы, действующей на ограничивающую поверхность. Среднее по времени значение силы, обусловленное ударами о стенку всех молекул, определяет давление газа р. Чем выше средняя скорость молекул, т. е. средняя кинетическая энергия, и чем больше молекул в единице объема, тем чаще и с большей энергией будут происходить на единице площади удары молекул и тем выше давление газа. Таким образом, давление р есть сила, равномерно действующая на поверхность, отнесенная к единице площади этой поверхности. За единицу измерения принят паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м². Эта единица мала и неудобна для пользования, поэтому для измерения давлений применяют кратные единицы: килопаскаль (1 кПа =10³ Па), мегапаскаль (1 МПа =10⁶ Па).

Температура, объем, и давление характеризуют внутреннюю энергию вещества. Абсолютное значение внутренней энергии оценить невозможно, так как для нее не определена абсолютная нулевая точка отсчета. Поэтому оценивают только изменения этой энергии, связанные с переходом вещества из одного состояния в другое, т. е. разность энергии в конечном и начальном его состояниях. Изменение внутренней энергии при переходе тела из одного состояния в другое равно работе внешних сил плюс количество переданной теплоты - так формулируется первый закон термодинамики.

Характерным примером увеличения внутренней энергии только за счет работы внешних сил служит сжатие газа в цилиндре, в результате чего повышается давление, температура, изменяется объем газа. Расширение сжатого газа в цилиндре вызывает перемещение поршня, который совершает работу. Температура и давление газа падают, увеличивается его объем - это приводит к уменьшению внутренней энергии. Примером изменения внутренней энергии без совершения работы служит нагрев тела на плите либо охлаждение в холодильнике.

Процесс изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передается между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку, называют теплопередачей.

Количество внутренней энергии, которое тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты. Количество теплоты измеряют в джоулях (Дж), и оно показывает, на сколько изменилась внутренняя энергия вещества при подводе или отводе теплоты. 1 Дж равен работе, совершаемой силой в 1 H при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. На практике применяют и другую единицу для измерения количества теплоты - калорию.

Количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит от состава вещества, из которого состоит тело, его массы и степени нагрева. Одинаковое изменение температуры у разных веществ равной массы требует различное количество подведенной теплоты.

Для оценки свойства тела аккумулировать подведенную теплоту вводят понятие удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К. Удельная теплоемкость показывает, на сколько джоулей увеличивается внутренняя энергия 1 кг тела при нагревании на 1 °С. Например, удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг*К), а воды - 4200 Дж/(кг*К).

Таким образом, общее количество подведенной к телу теплоты Q, Дж, для различных температур

Q =С_рm(T_кон-Т_нач)

где С_р - удельная теплоемкость,

Дж/(кг*К);

m - масса, кг;

T_кон,Т_нач - температуры соответственно конечная и начальная, К.

Отметим, что Q и С_р характеризуют только изменение, а не саму внутреннюю энергию вещества.

Количество подведенной к телу теплоты можно определить и другим способом. Немецкий физик Клаузиус открыл, что подобно энергии, давлению, температуре существует некоторая величина s - энтропия, которая также характеризует состояние тела. Энтропия устанавливает связь между температурой тела и количеством переданной теплоты и измеряется в джоулях на кельвин (Дж/К).

Энтропия, отнесенная к единице массы, называется удельной и выражается в джоулях на килограмм-кельвин.

Количество подведенной (отведенной) теплоты к 1 кг массы тела, выраженное через удельную энтропию,

Q=Tm(S_кон-S_нач)

где Т - средняя температура тела, К; m - масса, кг;

S_кон,S_нач - удельные энтропии соответственно в конце и начале теплообмена, Дж/(кг.К).

Энтропия обладает замечательным свойством оценивать необратимые потери в термодинамических процессах.

Для оценки количества теплоты, которым располагают тела в различных состояниях, используется термодинамическая величина - энтальпия, значение которой отсчитывают от некоторого условного состояния вещества, принятого за нулевое. Энтальпия - это количество энергии (тепловой и механической), которое необходимо подвести к телу, чтобы оно перешло из условного начального в конечное состояние. Единица энтальпии джоуль (Дж). Энтальпия, отнесеная к единице массы, называет удельной и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).