Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 7 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

7.3. Энергия, работа и теплота

В природе существуют разные формы движения материи: механический, тепловой, химический и др. Эти качественно отличные формы движения можно количественно сравнивать только потому, что все формы движения материи имеют общую меру движения - энергию. Понятие энергии нельзя отождествлять с понятием самой формы движения. Энергия является одной из характеристик той или иной формы движения. Это находит свое отражение в том, что и сама форма движения характеризуется количественно не только с помощью понятия энергии, но и других понятий, не выводятся из понятия энергии. Например, механическое движение характеризуется кроме энергии еще импульсом, моментом импульса и т.д. В XIX в. было установлено закон сохранения и превращения энергии.

С понятием «энергия» тесно связано понятие «работа». Работа - это изменение формы движения, рассматриваемое с его количественного стороны. Основным условием любой физической работы является качественное изменение - изменение формы Движения.

Изменение формы движения является всегда процессом, что происходит по крайней мере между двумя телами, из которых одно теряет определенное количество движения такого-то качества (например, теплоту), а второе получает соответствующее количество движения такого-то другого качества (механическое движение, электричество, химическое разложение). Очень распространенное определение энергии как способности тела совершать работу не совсем правильное, поскольку оно предполагает, что дано определение понятия «работа», которое можно сформулировать только через понятие «энергия».

Три величины - энергия, работа и теплота - имеют одинаковую размерность (могут выражаться в одинаковых единицах), но качественно отличаются. Теплота, как и работа, является способом передачи энергии от одного тела к другому. Следовательно, функции работы и теплоты эквивалентны, хотя сами понятия их не тождественные. Всегда, когда выполняется работа или передается теплота, в системе должен быть по крайней мере два тела: одно, которое отдает энергию, и второе, которое ее получает.

Работа и теплота - это две единственно возможные формы передачи энергии от одного тела к другому. Одна из этих эквивалентных величин - количество работы или количество теплоты - в зависимости от способа передачи энергии от одного тела к другому является количественной мерой ее. Теплота - это такая форма передачи энергии, которая является совокупностью мікрофізичних процессов (обмен энергии при столкновении молекул, излучение квантов света т.п.), это мікрофізична форма передачи энергии. Работа - это макрофізична форма передачи энергии. В этом и заключается существенное различие между работой и теплотой.

Внутренняя энергия термодинамической системы - это сумма всех энергий системы, кроме той части кинетической энергии молекул, которая обусловлена движением системы как целого, и той части потенциальной энергии, обусловленной положением системы как целого.

Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии. Они неравноценны прежде всего потому, что работа может быть непосредственно осуществлена для пополнения запаса любого вида энергии (например, потенциальной энергии притяжения, электрической, магнитной), а теплота непосредственно, то есть без преобразования в работу, может расходоваться на пополнение только внутренней энергии системы. Неравноценность теплоты и работы в таком понимании связана с определением этих понятий: работа - макрофізична, а теплота - мікрофізична формы передачи энергии.

Опыт показывает, что одна форма движения материи может переходить в другую. Так, механическое движение может перейти в беспорядочное движение молекул тела, то есть в тепловую форму движения. В некоторых случаях тепловое движение, наоборот, может частично перейти в упорядоченное движение, то есть в механический. Известно, что электрический ток вызывает нагрев проводников. Этот факт свидетельствует о переход электрической формы движения материи в тепловую. Можно было бы привести много других примеров, однако уже из приведенных видно, что различные формы движения материи взаимно связаны между собой и могут переходить одна в другую.

Многочисленными опытами и анализом было доказано: при переходе одной формы движения материи в другую уменьшения энергии, что связано с движением одной формы, равна приросту энергии, что обусловлено движением другой формы. В этом заключается один из основных законов природы - закон сохранения энергии. Поскольку энергия - мера движения, то этот закон имеет глубокий философский смысл: движение материи неистребим и не может возникнуть из ничего. Материя и движение неразделимы.

Чтобы определить, какое количество энергии перешла из одной формы в другую, надо подсчитать энергию тела (системы) к перехода и энергию, что осталась после того, как часть ее перешла в другую форму, а после этого найти разность этих энергий. Эту разницу энергий называют работой. Следует отметить, что работа и количество теплоты зависят не только от начального и конечного состояний тела, но и от пути, по которому происходит переход. Поэтому не можно рассматривать тепловой эффект процесса как разность количеств теплоты в конечном и начальном состояниях. Нелепость такого понятия особенно наглядно проявляется в случае круговых процессов, когда система возвращается в исходное состояние, тогда как общее количество теплоты, которое поглощается (или выделяется), не равна нулю. Только внутренняя энергия U является функцией состояния: каждому определенному состояния системы соответствует определенное значение внутренней энергии. Поэтому изменение внутренней энергии системы является величиной, зависит только от конечного и начального состояний, то есть она равна разности энергий в этих состояниях U₂ - U₁. В частности, в случае кругового процесса изменение внутренней энергии равно нулю, а количество теплоты Q, поглощаемой телом, и работа А, которую оно выполняет, отличные от нуля.

Следовательно, предмет термодинамики, статистической механики и молекулярной физики тот же. Эти три науки однородные, развиваются параллельно, но методы их существенно отличными. В основу термодинамики положено два основных и один дополнительный законы физики, установленные с полной вероятностью опытно. Поэтому все выводы являются настолько достоверными, как и законы, положенные в ее основу. Термодинамика как самостоятельная наука возникла тогда, когда были открыты два основных ее закони. их еще называют принципами термодинамики. Третий закон (так называемая тепловая теорема Нернста) было установлено позже, он является основой только для некоторых дополнительных разделов термодинамики. Сфера распространения термодинамики ограничена размерами объектов исследования, которые должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить выравнивание случайных явлений микромира. Однако это требование удовлетворяют даже размеры песчинки, которая содержит молекул больше, чем ведер воды Каспийское море. Однако благодаря прогрессу экспериментальной техники, стали доступны научному изучению частицы вещества, которые состоят из сравнительно небольшого числа частиц. Понятно, что для выяснения свойств отдельной такой частицы законы статистики непригодны, к ним нельзя применить и второй принцип термодинамики.

Свойства большой совокупности частиц (свойства «целого») не являются простой суммой свойств отдельных молекул (свойств составных частей). На определенной степени увеличение количества частиц в системе возникает новое «качество». Второй принцип термодинамики нельзя применять до отдельных молекул и ультрамікроскопічних частиц вещества, но он вступает в свои права при определенной (большой) количества молекул в системе. Итак, термодинамика изучает процессы, происходящие в телах конечных, а не элементарно малых размеров.