Основные определения и положения химической термодинамики. Взаимосвязь между основными законами, страница 3

Значки “d” и “d” обозначают соответственно бесконечно малое изменение (отождествляют с полным дифференциалом) и бесконечно малое количество.

Теплота и работа

Понятия теплоты и работы долгое время оставались неопределенными. В настоящее время можно считать общепринятыми  представления, которые четко  сформулировал  К.А. Путилов [20]: «работа и теплота представляют собой две, с точки зрения термодинамики, единственно возможные формы  передачи энергии от одного тела к другому».  Основным и неотъемлемым свойством теплоты и работы является зависимость от пути процесса. Этим теплота и работа в принципе отличаются от энергии,  которая является функцией состояния,  и не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое.

Вместе с тем,  это неравноценные формы передачи энергии. К. А. Путилов приводит следующие аргументы «Они неравноценны прежде всего потому, что работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии (например, потенциальной энергии тяжести, электрической, магнитной энергии и т.д.), теплота  же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел.  Неравноценность теплоты и работы в указанном смысле является следствием самого определения этих понятий. Конечно, эта неравноценность тепла и работы была бы несущественна, если бы можно было, без каких бы то ни было осложнений превращать теплоту в работу. Но по второму закону термодинамики некомпенсированный переход тепла в работу невозможен».

Теплота – это совокупность  микрофизических процессов передачи энергии, микрофизическая форма перехода энергии от одной системы к другой. Энергия передается при теплообмене путем столкновений молекул на границе раздела системы и окружающей среды. Теплообмен можно физически ощущать, дотрагиваясь рукой до горячего или холодного предмета.

Если энергия переходит от окружающей среды к  системе,  теплоту процесса принято считать положительной (Q> 0). В этом случае процесс  сопровождается положительным тепловым эффектом, и его называют эндотермическим.  В противном случае процесс считается экзотермическим.

Чтобы не ошибаться при определении величины и знака  теплоты процесса, надо ясно представлять границы системы, к которой они относятся.

Пример.

Имеем сосуд с идеальной теплоизоляцией, заполненный жидкостью с температурой Т₁. Поместим в жидкость твердое тело, нагретое до температуры Т₂. Пусть Т₂ >Т₁.  Нагретое тело начнет охлаждаться, а температуры жидкости и этого тела станут выравниваться. Однако теплота процесса будет иметь разные значения, в зависимости от того, что рассматривать в качестве системы и окружающей среды.  Если нас интересует изменение состояния твердого тела, тогда жидкость окажется окружающей средой и Q < 0.  Если в качестве системы рассматривать жидкость, тогда твердое тело  станет частью окружающей среды. В этом случае Q> 0.  В случае адиабатной системы, включающей твердое тело и жидкость, находящиеся в сосуде с идеальной теплоизоляцией, Q = 0.

 Работа – это макрофизическая форма перехода энергии от одной системы к другой. Она характеризует обмен кинетической  энергией направленного упорядоченного движения частиц.

Работа может выполняться системой или над системой. Если система совершает работу против внешних сил, то такую работу считают положительной, в противном случае работа считается отрицательной.

Таким образом, понятия теплоты и работы правильно связывать с  переходом энергии[5].из одной формы в другую, но никак ни с “запасом”  энергии. Иначе говоря, теплота и работа связаны с процессом, а не с состоянием  системы. Поэтому эти характеристики зависят от пути процесса и не являются  функцией состояния. С этим обстоятельством, в частности, связано то, что в интегральных формах уравнений перед обозначениями работы и теплоты знак D нельзя ставить, т.к. он выражает различие между конечным и исходным состояниями.