Основы термодинамики. Первый закон термодинамики. Энтропия и второй закон термодинамики, страница 4

Наш привычный лексикон, имеющий отношение к теплоте, имеет давнее историческое происхождение и не соответствует современному пониманию этого явления. Такие слова и выражения как "теплоёмкость", "теплосодержание", "теплота течет, выделяется, поглощается", наследованы из того времени (до экспериментов Джоуля), когда теплота рассматривалась как невидимая жидкость, которая содержится в некотором количестве в каждом теле и может перетекать из одного тела в другое соответственно "теплоёмкости" тел. Выражение "теплота – форма энергии" является попыткой (не очень удачной) примирить эту терминологию с современным пониманием. Это не значит, конечно, что нужно избегать этих слов. Важно лишь знать, что, в действительности, имеется в виду способ передачи энергии, дополнительный к способу передачи её путем совершения работы.

Величина энергии, переносимой вследствие разности температур, называется количеством теплоты, q. Поскольку теплота приводит к изменению состояния системы так же, как и работа, то количество теплоты можно определить количеством работы, которую требуется выполнить, чтобы произвести то же изменение состояния системы, но в адиабатических условиях. То есть, если нас интересует, какое количество теплоты затрачивается для перехода из состояния 1 в состояние 2 в некотором процессе, то найти его можно, произведя такое же изменение состояния совершением работы в адиабатическом процессе. (Это – первичное определение количества теплоты, но для вычислений теплоты обычно пользуются значениями теплоёмкостей веществ, которые известны благодаря первичным экспериментальным определениям. Об этом подробнее в главе 2).

Таким образом, в адиабатическом процессе DU = w. В процессе, в котором работа не совершается, DU = q. Тогда в любом процессе DU = w + q. Это позволяет окончательно сформулировать 1-ый закон термодинамики. Заметим, что известно много формулировок, имеющих одинаковый смысл. Возможно, наиболее практичной (наиболее готовой к применению) является следующая:

Существует функция состояния, называемая внутренней энергией, U, изменение которой в любом процессе в закрытой системе равно суммарной энергии, полученной системой от окружающей среды в виде теплоты и работы:

DU = w + q .                                            (1.4)

Необходимо отметить, что в уравнении (1.4) и во всем предыдущем обсуждении была принята во внимание рекомендация Международного союза по чистой и прикладной химии (IUPAC) о знаках теплоты и работы. Согласно ей положительными считаются теплота и работа, сообщаемые системе окружающей средой. Иногда бывает удобно принять противоположный знак для работы и считать положительной работу системы над окружающей средой, wsys. В этом случае wsys = – w и закон записывается DU = qwsys или q = DU + wsys (теплота, подводимая к системе, расходуется на приращение внутренней энергии и работу, выполняемую системой). Однако в дальнейшим, "по умолчанию", будем пользоваться стандартным правилом о знаках.

Теперь заметим, что внутренняя энергия изолированной системы должна быть постоянной, так как, по определению, такая система не может обмениваться ни энергией, ни веществом с внешней средой. Представим на примере рис. 1.2, что система вместе с её оболочкой, источником тока и человеком, замыкающим электрическую цепь, заключена в идеальную изолирующую оболочку, так что система в итоге является подсистемой изолированной системы. Поскольку внутренняя энергия изолированной системы постоянна, то приращение DU в подсистеме должно сопровождаться уменьшением –DU в её локальном (непосредственном) окружении. Эту идею можно обобщить, как показано схемой на рис. 1.4, и можно заключить, что первый закон термодинамики представляет закон сохранения внутренней энергии.