ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Закон сохранения и превращения энергии из "Техническая термодинамика и основы теплопередачи " Заканчивая рассмотрение круга вопросов, связанных с законом сохранения и превращения энергии, его существа и истории развития, следует отметить, что этот круг вопросов далеко выходит за пределы собственно термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии является самым общим, самым фундаментальным законом природы. Первоначально возникнув в ограниченных рамках механики, он постепенно распространился на все известные формы движения. Дальнейшее развитие науки неизбежно приведет к открытию новых форм движения, однако это будет иметь своим следствием только дальнейшее развитие закона, расширение области его применения. В уравнение закона сохранения и превращения энергии придется только ввести дополнительно слагаемые, выражающие количественную меру новых форм движения материи. [c.22] Таким образом, по конкретной форме применения закон относителен, но по своему существу он абсолютен. [c.22] В любом процессе участвует множество различных тел принципиально говоря, процесс надо мыслить вообще ак неограниченный Б пространстве, так как все явления взаимно обусловлены и находятся в той или иной взаимной связи. Из всего множества тел, участвующих в процессе, при термодинамическом изучении в качестве объекта исследования выделяется (в соответствии с конкретной задачей исследования) та или иная группа тел, или единичное тело, или даже отдельные части тела. Область, выделенная в качестве объекта исследования, называется термодинамической системой (или для простоты — телохм). [c.23] Система всегда находится во взаимодействии с окружающей средой. Однако, как показывает опыт, взаимодействия могут быто весьма различными по интенсивности. Во многих случаях мы можем влиять на интенсивность взаимодействий, усиливая или неограниченно ослабляя их по произволу. [c.24] Развивая идею о возможности неограниченного осла 5ления взаимодействия системы с окружающей средой (как результат, непосредственно вытекающий нз опыта), мы приходим к понятию изолированной системы, т. е. системы, не взаимодействующей с окружающей средой. [c.24] Конечно, изолированная система, как и другие предельные понятия физики (например, идеальный газ, идеальный проводник электричества или идеальный электрический изолятор и т. п.), представляет собой абстракцию. Но все такие абстракции имеют в своей основе огромный опытный материал и являются результатом правильного научного осмысления опыта. Они чрезвычай-- но широко и плодотворно используются в технической практике. Понятие изолированной системы — это одна из тех научных абстракций, при построении которых ...мышление, восходя от конкретного к абстрактному, не отходит — если оно правильное— от истины, а подходит к ней... ...все научные (правильные, серьезные, невздорные) абстракции отражают природу глубже, вернее, полнее . [c.24] Применительно к изолированной системе закон сохранения и превращения энергии означает, что энергия системы остается неизменной при любых происходящих в ней процессах. Внутри системы возможны любые взаимные преобразования различных форм движения материи, однако энергия системы от этого не изменяется. Изменение энергии системы может иметь место только при том условии, если изоляция системы будет нарушена, т. е. система приобретет возможность обмена энергией с окружающей средой. Обмен энергией может совершаться в различных формах в зависимости от рода взаимодействий, возникающих на контрольной поверхности. [c.24] Раскрыть глубже физическое содержание этого понятия,, оставаясь в рамках термодинамики, невозможно. Для этого-нужно выйти за пределы макроскопического рассмотрения и обратиться к анализу микрофизической структуры системы, анализу всех различных форм движения материи, которые присущи системе. Движения эти чрезвычайно разнообразны. В настоящее-время мы знаем, что на молекулярное движение частиц накладывается движение внутриатомное (известная модель этого движения уже построена) и внутриядерное (этот вид движения пока изучен весьма мало). [c.25] Весь этот круг представлений находится вне термодинамики. Рассматривая вопрос об энергии системы только с количественной стороны (т. е. без изучения физической природы тех явлений, которыми обусловлена энергия системы), термодинамика вполне удовлетворяется понятием внутренней энергии. При этом, исследуя взаимодействия системы с окружающей средой, вызывающие изменения внутренней энергии, термодинамика не нуждается в оценке абсолютного значения внутренней энергии. Найти же изменение внутренней энергии (т. е. разность ее значений в начале и конце процесса) можно весьма просто, не прибегая к микрофизическим представлениям. Изменение в.чутренней энергии системы сопоставляется с теми физическими величинами (работа, количество теплоты и т. п.), которые являются количественной мерой различного рода взаимодействий и допускают непосредственное измерение. [c.25] Эти физические величины мы будем в дальнейшем называть количествами воздействия (например, количество теплоты — количество термического воздействия и т. п.). [c.25] Для термодинамики процесс усвоения и выделения энергии системой представляет большой интерес под углом зрения того, что одну I ту же систему можно в различных условиях заставить либо передавать окружающей среде часть своей внутренней энергии, либо, наоборот, воспринимать эти воздействия от окружающей среды. Род взаимодействий зависит от свойств (структуры) системы и конкретных условий, в которые она поставлена. [c.26] Предположим, что первоначально изолированная система располагает одной степенью свободы, например тепловой (это означает, что с системы снята тепловая изоляция и ей предоставлена возможность обменив аться теплом с окружающей средой). Очевидно, при этом любые изменения внутренней энергии системы будут сопровождаться только переходом в окружающую среду (или из нее в систему) соответствующего количества теплоты. Иначе говоря, воздействие извне на систему может происходить только в форме подвода или отвода какого-то количества теплоты (количества термического воздействия). [c.26] Предположим далее, что после подвода извне к системе определенного количества теплоты на систему вновь наложена тепловая изоляция и в то же время ей сообщена другая степень свободы, например механическая. Заставим систему в этих условиях отдать в окружающую среду в форме работы часть ее внутренней энергии, равную ранее полученному количеству теплоты. [c.26] В итоге можно обнаружить в окружающей среде существенные качественные изменения (охлаждение тел, перемещения грузов). При этом закон, регулирующий эти изменения с количественной стороны, выражается в виде утверждения, что некоторое количество теплоты преобразовано в механическую работу. Конечно, возможно и обратное преобразование. [c.26] Это простое соотношение получается вследствие того, что в конце процесса восстанавливается первоначальное значение внутренней энергии системы. Сама возможность такого преобразования обусловлена способностью системы различным образом реагировать на разного рода взаимодействия. [c.26] Взаимодействия разного рода могут совершаться не только последовательно, но и одновременно. [c.26] Таким образом, для создания в окружающей среде направленных изменений необходимо располагать системой, обладающей по меньшей мере двумя степенями свободы. [c.26] В современной технике чрезвычайно важную роль играют процессы преобразования теплоты в ра(5оту, осуществляемые в машинах, называемых тепловыми двигателями. На основе изложенного тепловой двигатель с термодинамической точки зрения можно рассматривать как систему с двумя степенями свободы— тепловой и механической термомеханическая система). [c.27] Существенно, что тепловой двигатель с необходимостью должен представлять собой систему, периодически действующую, так как односторонние изменения в системе не могут продолжаться неограниченно долго, даже если система обладает двумя степенями свободы. Например, при подводе теплоты к газу, который заключен в цилиндре с поршнем, работа, обусловленная перемещением поршня в одном направлении, будет совершаться до тех пор, пока поршень не достигнет края цилиндра. Только при условии, что система периодически возвращается в первоначальное состояние, работа двигателя может совершаться неограниченно длительное время. [c.27] Вернуться к основной статье