Основы термодинамики. Первый закон термодинамики. Энтропия и второй закон термодинамики, страница 3

по закону сохранению энергии. (Убыль потенциальной энергии равна приращению кинетической). Когда груз соединён с валом, часть потенциальной энергии расходуется на вращение вала и движение воды, то есть на совершение работы w над системой. В результате, скорость на высоте h₂ оказывается меньше, соответственно уравнению:                    – mg(h₂ – h₁) =  + w.

Таким образом, из измерения скорости падения груза перед его остановкой можно найти работу, совершаемую над системой, если остальные переменные (m, g, h₁, h₂) известны.

Как было установлено, движение груза приводит к изменению состояния системы, которое выражается увеличением температуры жидкости. Кроме того, из аналогичных экспериментов с разными условиями было найдено (после необходимых поправок на кинетическую энергию вала и другие потери), что прирост температуры жидкости пропорционален работе груза. Таким образом, окружающая среда выполняет работу над системой – термодинамическое состояние системы меняется.

В другом эксперименте, в аналогичной системе, вал с лопастями был заменён на электрический проводник в форме спирали (рис. 1.2). Во внешней среде проводник соединен с источником электрического тока. Из измерений разности потенциалов (электрического напряжения) на входе и выходе из системы можно было вычислить работу, совершаемую источником электрической энергии над системой. В серии других экспериментов работа совершалась другими способами. В частности, совершалась работа по сжатию газа, заключенного в цилиндр с подвижным поршнем, который был погружен в воду, и вся система находилась в адиабатической оболочке (цилиндр – из диатермического материала). Ещё в одном опыте, два куска металла были погружены в воду и приводились в движение из окружающей среды. Процесс заключался в трении их друг о друга под водой. Во всех случаях в результате выполнения работы над системой её температура повышалась, причем прирост температуры был пропорционален выполненной работе.

Вывод, который следует непосредственно из экспериментов Джоуля, заключается в том, что изменение адиабатической системы от одного состояния к другому требует одно и то же количество работы независимо от того, каким способом она совершается. Этот вывод можно рассматривать как предварительную формулировку 1-ого закона.

С другой стороны, совершение работы над системой всегда связано с уменьшением энергии в каком-то источнике. Поэтому, для полного согласия с тем, что известно о сохранении энергии в других областях физики, необходимо заключить, что уменьшение энергии в окружающей среде равно увеличению энергии внутри системы, то есть внутренней энергии. Причем эта энергия должна быть функцией состояния системы, а не внешних условий в окружающей среде. Кроме того, она должна быть экстенсивной величиной, так как изменение состояния системы при данном количестве работы зависит от количества вещества в ней. Обозначив внутреннюю энергию U, можно записать для перехода адиабатической системы из начального состояния 1 в конечное состояние 2           w = U₂ – U₁ º DU.

Заметим теперь, что в экспериментах Джоуля работа приводила к увеличению температуры в адиабатической системе. Но известно, что если система не является адиабатической, то температуру можно увеличить, приведя систему в контакт со средой, имеющей более высокую температуру. В этом случае говорят, что окружающая среда передаёт системе теплоту. Поскольку результат эквивалентен совершению работы, то термины "теплота" и "работа" следует понимать как два способа передачи энергии. Причем различие этих способов является условным и зависит от того, где именно проходит граница между системой и окружающей средой.

Смысл сказанного можно пояснить сравнением рис. 1.2 и 1.3. На рис. 1.2 спираль электрического проводника находится в системе, и система окружена тепловой изоляцией. На рис. 1.3 та же спираль находится в окружающей среде, а система лишена тепловой изоляции. Очевидно, эффект пропускания электрического тока через спираль должен быть качественно одним и тем же, если только между спиралью и оболочкой системы на рис. 1.3 находится теплопроводная среда. Мы привычно говорим в обоих случаях, что спираль выделяет тепло. Однако необходимо иметь в виду, что на рис. 1.2 вместо спирали могло быть другое устройство для превращения электрической энергии во внутреннюю энергию системы. Например, внутри мог быть двигатель, питающийся от источника во внешней среде и приводящий в движение вал с лопастями, или могли быть два электрода, вызывающие электролиз воды. Для наблюдателя в окружающей среде важно, что на входе и выходе из системы имеется падение электрического напряжения и, следовательно, совершается работа. С другой стороны, на рис. 1.3 вместо спирали с источником тока могло быть солнце, излучение которого нагревает теплопроводную оболочку системы. То есть, существенным является способ обмена энергией между окружающей средой и системой. Когда он связан с разностью температур, речь идёт о теплоте. Когда он связан с известным физическими силами, речь идёт о работе.