ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Первый закон термодинамики из "Термодинамика " Рассмотрим систему, состоящую из некоторой фиксированной поверхности 5 и груза W, прикрепленного к барабану, установленному над поверхностью S в опорах без трения. Назовем состояние этой системы, при котором груз покоится на поверхности S, состоянием 1. [c.9] Система претерпевает процесс, в котором за счет внешней силы барабан приводится во вращение, медлв1НН0 поднимая груз на высоту h над поверхностью 5. Новое состояние системы (рис. 2-1) будем называть состоянием 2. Описанный процесс в соответствии с определением понятия работы сопровождается передачей работы от системы, включающей в себя внешнюю силу, к системе, содержащей груз и барабан. [c.9] Работа передается от одной системы к другой в течение данной операции, если единственным внешним эффектом может быть подъем груза. [c.10] Следовательно, то, что расходуется на систему в виде работы в процессе 1— 2, не уничтожается и даже не уменьшается, шотому что равная величина работы возвращается системой наружу, в то время как восстанавливается первоначальное состояние. Исходя из нашего определения понятия работы, нельзя утверждать, что в состоянии 2 работа содержится в системе, но можно напомнить, что согласно механике система в рассматриваемом нами случае приобретает нотенциальную энергию, обусловленную земным притяжением. [c.10] Первый закон термодинамики является обобщением уравнения (2-1а) в приложении ко всем циклическим процессам в природе для любой системы, совершающей циклический процесс, сумма работы, отданной во внешнюю среду, пропорциональна сумме тепла, полученного извне. [c.11] Необходимо заметить, что опыты, описанные выше, ни в коем случае не являются доказательством первого закона. Не были, в частности, рассмотрены примеры, относящиеся к тому большому классу циклов, ъ итоге совершения которых система отдает во внешнюю среду некоторое положительное количество работы (т. е. dW Q). Кроме того, любое положение, столь общее, как вышеприведенное, не может быть. доказано, если только оно не основывается на каком-либо еще более общем принципе. Если оно достоверно, то, вероятно, его истинность может быть доказана только тем, что его нельзя опровергнуть. [c.11] Посредством любого цикла, выполненного системой, можно найти коэффициент пропорциональности J уравнения (2-1а), соответствующий выбранным единицам работы и тепла. Например, еще до открытия первого закона широко применялись две единицы тепла, которые используются и в настоящее время 15-градусная калория и 60-градусная -британская единица тепла (БЕТ). Количество тепла, выражаемое в 15-градусных калориях, определяется ч.ислом граммов воды, нагреваемой от 14,5 до 15,5° С при давлении, равном одной стандартной атмосфере. Количество тепла, выражаемое в 60-градусных БЕТ, определяется числом фунтов воды, нагреваемой от 59,5 до 60,5° F при давлении в одну стандартную атмосферу. Опыты показали, что коэффициент /, соответствующий 15-градусной калории и килограммометру, равен 0,427, а коэффициент, соответствующий 60-градусной БЕТ и футо-фунту, — 778. [c.11] Величина коэффициента J зависит от выбора единиц для Q и W. Например, если за единицу работы взять килограммометр, то для единицы тепла можно подобрать такую величину, чтобы коэффициент / был равен единице. При определении единицы тепла можно изменять единицу массы, или заданный интервал температуры, или эталонную жидкость. В том случае, когда коэффициент I равен единице, единицы тепла и работы имеют одинаковые названия. Так, например, мы можем измерять количество тепла в килограммометрах или футо-фунтах и, наоборот, работу измерять в 15-градусных калориях, 60-градусных БЕТ и т. д. . [c.11] При таком методе изложение первого закона упрощается, так как отпадает необходимость в использовании различных единиц для тепла и работы. Мы можем при желании отказаться от всех старых тепловых единиц, зависящих от свойств жидкости, единиц массы и температурного интервала и сохранить лишь единицы работы. Такой прием устраняет необходимость корректировки величины коэффициента / после каждого уточнения в измерении тепла и работы. Это также упрощает научную литературу, так как уменьшается число используемых единиц измерения. Однако привычка и удобство существующего определения единицы тепла до сих пор мешают введению такого упрощения. [c.11] Термодинамика не позволяет определить величину El или о, хотя она с помощью уравнения (2-2а) дает возможность вычислять разность между ними. Поскольку оценки абсолютной величины внутренней энергии не имеется, то можно принять ее числовое значение равным нулю для некоторого условного состояния. В таком случае, если измерены тепло и работа, проявляющиеся при переходе системы из этого состояния в какое-то другое состояние, то по уравнению (2-2а) может быть найдена величина внутренней энергии в новом состоянии. Очевидно, что разность между величинами внутренней энергии для любой пары состояний может заменить величину левой части уравнения (2-2а), когда оно применяется к процессу, соединяющему эту пару состояний. [c.13] Следует обратить внимание на различие между свойством Е и величинами Q и которые не являются свойствами. В начале данной главы было указано, что круговой интеграл от dQ или d,W может быть отличен от нуля и, следовательно, интегралы этих величин не являются свойствами. С другой стороны, сочета/ние уравнений (2-16) и (2-26) показывает, что круговой интеграл от dE обязательно равен нулю. [c.13] Дифференциал dE является полным дифференциалом для независимых переменных (свойств), определяющих состояние. Когда величины независимых переменных фиксированы, то с точностью до константы интегрирования фиксирована и величина интеграла dE. Аналогичное заключение нельзя сделать в отношении дифференциалов dQ и dW, поскольку величины их интегралов зависят от вида процессов, с помощью которых было достипнуто данное состояние, а не от численных значений свойств, соответствующих этому состоянию. Так, например, можно использовать символ Ei для обозначения внутренней энергии, соответствующей состоянию 1, но нельзя применять символы Wi и Qu потому что не существует количества тепла, соответствующего состоянию 1. [c.13] Определение понятия энергии. Термин энергия может применяться как общий термин, включающий в себя тепло, работу и внутреннюю энергию. Определения каждого из этих видов энергии были даны выше. [c.14] В других науках внутреннюю энергию определяют как энергию, содержащуюся в системе. Например, в систему, состояш.ую из чаши с шариком, может быть введена работа для того, чтобы придать шарику конечную скорость. Соответствующее увеличение внутренней энергии системы в механике шазывается увеличением кинетической энергии системы. Далее, в систему, содержащую груз в гравитационном поле, может быть введена работа для подъема груза. Соответствующее увеличение внутренней энергии системы в механике называется увеличением потенциальной энергии, обусловленной гравитацией. Аналогично внутренняя энергия может включать потенциальную энергию, обусловленную электростатическим или электромагнитным воздействием. Все ЭТО — разные формы энергии, которая накапливается в системе и может быть увеличена или уменьшена за счет передачи работы. Внутренняя энергия, кроме того, включает в себя все виды энергии, которая накапливается в системе при передаче тепла. [c.14] Из первого закона следует, что в круговом процессе тепло и работа эквивалентны. Как показано в гл. 1, количества тепла и работы оцениваются на границах системы. Если система является куском меди, соприкасающимся с телом иной температуры, то возникает поток тепла. Но если оба тела находятся внутри границ системы, то же воздействие е будет вызывать обмена теплом между системой и средой. Аналогично, если система является грузом, поднимаемым на более высокий уровень за счет опускания другого груза вне системы, то возникает поток работы. Но если оба груза находятся внутри границ системы, то такое же опускание груза не вызывает потока работы. [c.14] Из оказанного следует, что первый закон не может быть приманен,, пока система и ее границы не определены. Границы могут быть перемещающимися они могут расширяться или сокращаться в соответствии с поведением вещества, составляющего систему, но они всегда должны заключать в себе одно и то же количество вещества. В любом случае первым шагом при решении задач термодинамики должно быть определение системы и ее границ. [c.14] Вернуться к основной статье