ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Энергия из "Термодинамика равновесных процессов " Читатель уже имеет некоторое представление об этих четырех понятиях, но тем не менее ему, вероятно, будет непросто дать им краткие и строгие определения. В особенности это справедливо по отношению к теплу, о котором многие непрофессионалы думают, что оно присуще телу, что, разумеется, неверно. Каждое из этих понятий со временем будет строго определено, однако мы встретились бы со значительными неудобствами, если бы нам было запрещено пользоваться этими понятиями до введения строгих определений. Поэтому на данном предварительном этапе мы воспользуемся имеющимися у читателя знаниями. В то же время необходимо учитывать, что это может привести к некоторым неточностям или даже ошибкам. [c.21] Поскольку мы начнем обсуждение с энергии, следует отметить, что ее строгое определение (гл. 5) основывается на строгом определении работы (гл. 3). [c.21] Грубо энергию определяли как способность производить действие . Однако в научных целях такое определение неприемлемо. [c.21] ХОТЯ ДЛЯ читателя оно и может быть в какой-то мере содержательным в связи с использованием таких выражений, как потенциальная энергия, кинетическая энергия, тепловая энергия (в отличие от тепла) и ядерная энергия. Все это различные виды энергии, которыми может обладать система, и поэтому ясно, что нам необходимо такое строгое определение, которое позволило бы объединить все эти конкретные виды энергии в единое представление о термодинамической характеристике, называемой энергией. [c.22] Известно, что энергия не только может содержаться в системе, но ее можно также переносить от системы к системе. Такой перенос энергии — всего лишь временное явление в том смысле, что он связан с взаимодействием между системами и существует лишь в процессе взаимодействия. Работа, тепло и электромагнитное излучение являются разновидностями переноса энергии, и, как уже отмечалось, определение работы мы дадим раньше определения энергии. [c.22] Легче всего читателю представить такой вид работы, как механическая работа, выполняемая при перемещении некоторого тела за счет приложения к нему силы в направлении перемещения. Однако, как будет показано, существуют и другие виды переноса энергии, которые в наших целях также можно рассматривать как работу. К ним относятся электрическая работа, совершаемая батареей над мотором, который используется для поднятия груза, а также магнитная работа, представляющая собой перенос энергии между обмотками электрического трансформатора. Здесь мы снова сталкиваемся с необходимостью точного определения, которое охватывало бы все виды переноса энергии. [c.22] Работа возникает как следствие взаимодействия между системами, и нам представляется удобным ввести такой термин, который характеризовал бы взаимодействия, осуществляющие только работу. Им является слово адиабатический . Если граница системы такова, что она допускает взаимодействия с окружающей средой, допускающие лишь совершение работы, то эту границу мы будем называть адиабатической перегородкой, а процессы, протекающие в ограниченной таким образом системе,— адиабатическими. [c.22] По сравнению с другими терминами, встречающимися в термодинамике, термин тепло гораздо чаще употребляется в неверном смысле не только не слишком опытными людьми, но и многими учеными и инженерами. Довольно часто можно встретить такие выражения, как тепло, содержащееся в море , тепло, заключенное в нагретом теле и т. д., в то время как на самом деле речь идет не о количестве тепла, содержащемся в теле, а о количестве энергии. Как уже отмечалось в разд. 1.15.1, тепло есть способ передачи энергии, реализующийся лишь при наличии теплового взаимодействия. Нам потребуется дать строгое определение этому частному способу взаимодействия между системами, что и будет сделано в гл. 6, после того, как будут определены работа и затем энергия. До тех пор мы будем обращаться с термином тепло без его строгого определения, что достаточно для наших ближайших нужд. В связи с этим можно отметить, что если ртутный термометр привести в контакт с телом, ощущаемым нами как более теплое, то столбик термометра поднимется выше, чем при установлении контакта с более холодным телом. Высота ртутного столбика служит некоторым произвольным индикатором того, что мы называем температурой тела, причем для определенной таким способом температуры мы будем использовать обозначение 9. Позднее нам потребуется более точное и более научное определение этой характеристики тела. Такая потребность будет удовлетворена в гл. 11 путем введения термодинамической температуры, обозначаемой буквой Т. Тем не менее на каком-то отрезке мы будем пользоваться приведенным выше произвольным понятием о температуре. Следует отметить, что такой прибор, как ртутный термометр, в действительности лишь позволяет нам установить возможное существование разности температур между двумя телами, что будет выражаться в разных высотах ртутного столбика при последовательном приведении термометра в контакт с различными телами. Равенство высот ртутных столбиков говорит о равенстве температур, однако судить об абсолютной температуре тела по высоте столбика невозможно. [c.23] Изложенные выше соображения позволяют сделать вывод о том, что движущей силой теплопередачи является разность температур. Следовательно, на данном этапе можно было бы попытаться определить тепло как переходную форму энергии, обусловленную разностью температур , как это и делают, по существу, многие авторы. Это соответствовало бы обратной логической последовательности по сравнению с принятой здесь, поскольку вначале (разд. 6.2) мы определим тепловое взаимодействие, а затем (разд. 6.6) разность температур будет введена на основе представления о тепловом взаимодействии. [c.24] Поскольку мы выяснили, что и работа, и тепло являются разновидностями передачи энергии, может показаться, что нет особой необходимости в проведении четкого различия между ними. Однако в процессе дальнейшего изучения термодинамики будет показано, что существуют такие обстоятельства, при которых с научной точки зрения установление указанного различия становится чрезвычайно важным, хотя на практике различить эти типы взаимодействия иногда практически невозможно. Такого рода трудность возникает в тех случаях, когда существенную роль играет трение. Так, когда мы передвигаем брусок по шероховатой поверхности, очевидно, над бруском совершается работа. При этом наблюдается незначительное нагревание как бруска, так и самой поверхности, что указывает на присутствие переноса энергии в форме тепла. В связи с этим возникает вопрос о том, какие же процессы происходят на трущихся поверхностях. И здесь, как только мы попытаемся разделить два рассматриваемых типа взаимодействия некоторой дискретной границей, сразу же возникают затруднения. На практике инженеры и ученые могут рассчитать поток тепла и работу лишь в случаях, когда имеется четкое различие между ними. Однако иногда с целью достижения такого различия, хотя бы мысленного, реальную ситуацию приходится несколько идеализировать. [c.24] Термодинамика как наука занимается изучением состояний и свойств физических систем, а также изучением изменений этих состояний и свойств, обусловленных протекающими в системах процессами. [c.26] В общем случае протекание процесса сопровождается взаимодействием между системой и ее окружением. Существует, однако, важный класс процессов, когда состояние системы может изменяться даже при полном отсутствии взаимодействия с окружающей средой. К этому классу относятся процессы перехода изолированной системы из неравновесного состояния в конечное неизменяющееся состояние устойчивого термодинамического равновесия, которое для краткости мы будем называть просто устойчивым состоянием. В качестве простейщего примера можно привести случай перемешиваемой жидкости, на которую в определенный момент времени все внешние воздействия уже не оказывают влияния. Вследствие того что жидкость характеризуется вязкостью, созданные в процессе перемешивания вихри разрушаются за счет вязкой диссипации и в конечном итоге в жидкости устанавливается неизменяющееся устойчивое макроскопическое состояние, хотя случайные перемещения отдельных молекул продолжаются. [c.26] Как уже отмечалось, состояние системы может изменяться не только в результате взаимодействия системы с окружающей средой, но и в отсутствие такого взаимодействия, если в начальном состоянии система неравновесна. [c.27] При изучении термодинамики мы будем рассматривать тепловые взаимодействия между системами и взаимодействия, осуществляющие работу. Оба этих типа взаимодействия могут реализоваться одновременно. Они являются промежуточными формами передачи энергии. [c.27] Изолированной называется система, в которой устранены все возможные взаимодействия с окружающей средой, т. е. с остальными системами. Понятие об изолированной системе является некоторой идеализацией, к которой реальные системы могут приближаться в различной степени в зависимости от конкретных обстоятельств. [c.27] Диапазон состояний, в которых теоретически может находиться данная система, чрезвычайно велик. Однако при определенных условиях связи, наложенные на систему, позволяют ей принимать (за счет взаимодействия с окружающей средой или другим способом) лишь некоторые из полного набора состояний, достижимых системой в иных условиях. Эти связи могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к системе, причем в последнем случае они обусловлены внешними телами. [c.27] С целью введения терминов и понятий, используемых в дальнейшем, мы вначале рассмотрим несколько очень простых систем. Это даст нам возможность более общего рассмотрения свойств систем. [c.27] На рис. 2.1 показан математический маятник, состоящий из шарика, подвешенного на нерастяжимой нити в поле силы тяжести с ускорением g. Маятник помещен в жесткий ящик с воздухом. [c.27] Нашу систему мы определим как содержимое ящика, находящееся внутри указанной на рисунке границы. В нашу задачу входит анализ связей, наложенных на систему, и описание допустимых состояний, к которым относятся все состояния, потенциально достижимые системой за счет взаимодействия с окружающей средой или иным путем при условии сохранения наложенных связей. [c.28] Наличие поля силы тяжести также налагает определенное ограничение на систему, поскольку положение и скорость маятника могут принимать только такие значения, которые допускаются законами механики в присутствии данного поля. В частности, можно отметить, что существует лишь единственное положение покоя маятника, в которое он возвращается после начального отклонения за счет вязкого затухания колебаний в воздухе. Это состояние покоя, в котором шарик находится вертикально под точкой подвеса, является единственным состоянием механического устойчивого равновесия маятника при наличии связи, реализуемой данным гравитационным полем. Следовательно, это поле выступает как внешняя связь по отношению к определенной нами системе. [c.28] Вернуться к основной статье