2.3. Теплота, как форма передачи энергии в термодинамическом процессе

Форма обмена энергией соответствующая хаотическому, беспорядочному неорганизованному движению микрочастиц, составляющих тело, называется теплообменом, а количество энергии, переданное при теплообмене, называется количеством теплоты или теплом. Другими словами количество Q, это физическая величина характеризующая изменение внутренней энергии. Теплообмен не связан с изменением положения тела, а состоит в непосредственной передаче энергии частицами одного тела частицам другого тела.

Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телом и окружающей средой (теплопроводностью, конвекцией, трением), либо на расстоянии (излучением), либо в результате осуществления химических реакций между составляющими рабочего тела (горение), причем во всех случаях возможен процесс при наличии разности температур между телами.

Во всех случаях элементарное количество теплоты dQ полученное (отданное) системой при передаче энергии в форме теплоты при изменении температуры можно определить как произведение теплоёмкости вещества на элементарную разность температур

dQ = m·С·dT, Дж (2.16)

где m – масса, а С – теплоёмкость тела.

Количество теплоты, приходящейся на 1 кг рабочего тела (газа) называется удельной теплотой и обозначается q. Измеряется в Дж/кг и определяется формулой:

q = С· T = С·(T₂ – T₁) , Дж/кг (2.17)

Таким образом, теплота и работа представляют собой две единственно возможные формы передачи энергии от одного тела к другому. Разница состоит в том, что:

- теплота является формой передачи энергии неупорядоченного движения частиц;

- работа является формой передачи энергии упорядоченного организованного движения.

Работа и теплота не содержатся, в какой либо части термодинамической системы, ни в источниках теплоты или работы, ни в рабочем теле. Работа и теплота появляются только тогда, когда осуществляется передача энергии или ее преобразование из одного вида в другой. Поэтому теплота и работа являются функциями термодинамического процесса, но не являются параметрами состояния.

2.4. Энтропия. Энтропийная “t-s” диаграмма

Долгое время признаком наличия теплообмена счи­тали изменение температуры. Однако оказалось, что это не так. Достаточно вспомнить, что, например, при кипении воды к ней подводится большое количество теплоты, однако температура остается постоянной. При затверде­вании жидкостей теплота отводится, но это не приводит к снижению температуры до тех пор, пока вся жидкость не превратится в кристаллы. В этих примерах теплооб­мен не приводит к изменению температуры. Наоборот, при сжатии газа в цилиндре температура газа растет, хотя теплота может даже отводиться, если стенки цилин­дра холодные. В этом примере изменение температуры вызвано не теплообменом, а механической работой.

Физическая величина, изменение которой действи­тельно является признаком теплообмена, была указана только в 1852 г. немецким физиком Р. Клаузиусом после глубокого научного анализа изменений, наблюдаемых в системе при обмене тепловой энергией. Позднее эта физическая величина получила название энтропии.

Энтропией называется физическая величина, изменение которой является признаком наличия обмена энер­гией в форме теплоты и обозначается буквой “s” и измеряется Дж/К.

Основная особенность энтропии как термодинамической величины состоит в том, что она обязательно изменяется при наличии теплообмена. При подводе теплоты к термодинамической системе энтропия системы возрастает, при отводе – уменьшается. Кроме теплообмена, никакие другие воздействия на систему не могут изменить значения энтропии.

Главная трудность в понимании физического смысла энтропии состоит в том, что энтропия не оказывает воз­действия на измерительные приборы и поэтому её нельзя измерить, как это делают, например, с давлением или объёмом. Впоследствии будет показано, что можно лишь вычислить изменение энтропии по изменению тех пара­метров, которые доступны для непосредственного изме­рения в системе (давления, температуры, объёма). Сле­довательно, энтропия является функцией состояния термодинамической системы. Связь между количеством теплоты и изменением энтропии такая же, как связь между количеством работы и изменением объёма системы.

Элементарное количество теплоты равно произведе­нию абсолютной температуры системы на изменение эн­тропии системы:

dq = T·ds. (2.18)

Полное количество теплоты в каком-либо процессе определяется в виде интеграла.

Q_1-2 = (2.19)

Рис. 2.3. Изображение теплоты в “T-s” диаграмме

Так же как и в случае работы, для аналитического вычисления количества теплоты по выражению (2.19) тре­буется знать уравнение, свя­зывающее значения темпе­ратуры и энтропии в каждой точке данного процесса, т. е. уравнение:

Т = f (s).

Это уравнение, будучи уравнением, связывающим между собой два параметра в процессе, также является уравнением процесса. Графическое изображение уравнения T = f (s) пред­ставляет собой так называе­мую энтропийную диаграмму (или тепловую диаграмму) процесса 1–2 (рис. 2.3.). В “T-s” диаграмме количество теплоты выражается точно так же, как и ко­личество работы в “p-υ” диаграмме, а именно, в виде пло­щади под линией процесса (пл. а12б).

Определить, подводится теплота к системе или отво­дится от нее (т. е. определить знак количества теплоты) можно по изменению энтропии.

Уравнение (2.18) показывает, что при подводе теплоты к системе (dq > 0) энтропия увеличивается (ds > 0) и, на­оборот, при отводе теплоты от системы (dq < 0), энтропия уменьшается (ds < 0).

В связи с тем, что энтропия не может быть измерена никаким прибором, выражения (2.18) и (2.19) используются в основном для графического определения коли­чества теплоты и для теоретического анализа изменений, происходящих в термодинамических системах при взаимодействии их с окружающей средой. В частности, именно на основе уравнения (2.18), как мы увидим дальше, можно найти связь между изменением энтропии и другими параметрами состояния.

Для изолированной термодинамической системы энтропия не меняется, если в ней совершаются обратимые процессы, т.е. s = const, следовательно, ds = 0.