5. Термодинамический процесс и его энергетические

характеристика (работа и теплота)

Важнейшими понятиями технической термодинамики являются работа и теплота, которые неразрывно связаны с термодинамическим процессом. Выше отмечалось, что любой термодинамический процесс представляет собой последовательное изменение состояния тела в результате взаимного обмена энергией рабочего тела и окружающей среды. Существует две формы энергетического обмена.

Первая форма обмена энергией обусловлена силовым (механическим) воздействием одного тела на другое, сопровождающимся видимым перемещением другого тела. При этом количество энергии, переданное от одного тела к другому телу в форме направленного движения, называется работой L. Следовательно, величина работы равна убыли запаса энергии у одного тела и увеличению запаса энергии у другого тела.

В технической термодинамике рассматривается в общем случае работа, связанная с изменением объема газа под действием равномерно распределенного по поверхности тела давления окружающей среды, которое в случае равновесного процесса равно давлению самого тела. Работа процесса в этих условиях называется термодинамической. При расширении газ совершает работу против внешних сил, при сжатии внешние силы совершают работу над газом.

Вторая форма обмена энергией связана с наличием разности температур и обусловлена хаотическим (тепловым) движением молекул и атомов вещества. Обмен энергией в этом случае осуществляется путем либо непосредственного соприкосновения тел, имеющих разную температуру, либо излучением. В этом случае количество переданной энергии в форме молекулярного хаотического движения называется количеством теплоты Q, а сам процесс — теплообменом. Количество передаваемой энергии при этом будет равно убыли внутренней энергии более нагретого тела и увеличению внутренней энергии менее нагретого тела. Количество теплоты, полученное телом, принято считать положительным, а теплоты, отданной телом,— отрицательным. Единицей измерения количества теплоты является также джоуль.

Таким образом, работа и теплота являются двумя способами (формами) передачи энергии в термодинамическом процессе и одновременно мерой переданной энергии. В общем случае в термодинамическом процессе может иметь место одновременная передача энергии этими двумя способами. В зависимости от соотношения между энергией, переданной при помощи работы и при помощи теплоты, различают тот или иной процесс. Так, процесс, который осуществляется без совершения механической работы (L = 0), называется изохорным, а процесс, который осуществляется без теплообмена (Q = 0), называется адиабатным.

В частных случаях процесс характеризуется постоянством какого-либо параметра состояния, например объема (изохорный процесс), давления (изобарный) и т.д. Процесс может протекать и при постоянстве одновременно двух параметров. Так, процессы фазовых превращений, как правило, протекают при постоянных температуре и давлении.

Следовательно, работа и теплота являются энергетическими характеристиками термодинамического процесса и их величины зависят от вида процесса. С математической точки зрения это означает, что элементарные величины dL и dQ не являются полными дифференциалами, а представляют собой лишь бесконечно малые величины.

Еще раз отметим, что вне процесса понятия работы и теплоты не имеют смысла; состоянию тела или системы не соответствует какое-либо значение L или Q. Поэтому нельзя говорить, что тело «содержит» какое-то количество теплоты или работы.

Несмотря на существующую общность понятий о работе и теплоте как мере переданной энергии в процессе, между ними имеется качественное различие: энергия, передаваемая при помощи работы, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии, теплота непосредственно, т.е. без предварительного преобразования в работу, может пойти только на увеличение внутренней (молекулярной) энергии.