кількість теплоти
Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи називається теплообміном або теплопередачей. Теплообмін відбувається між тілами, що мають різну температуру. При встановленні контакту між тілами з різними температурами відбувається передача частини внутрішньої енергії від тіла з вищою температурою до тіла, у якого температура нижче. Енергія, передана тілу в результаті теплообміну, називається кількістю теплоти.
Питома теплоємність речовини:
Якщо процес теплопередачі не супроводжується роботою, то на підставі першого закону термодинаміки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла:
Середня енергія безладного поступального руху молекул пропорційна абсолютній температурі. Зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює сумі алгебри змін енергії всіх атомів або молекул, число яких пропорційно масі тіла, тому зміна внутрішньої енергії і, отже, кількість теплоти пропорційно масі і зміни температури:
Коефіцієнт пропорційності в цьому рівнянні називається питомою теплоємністю речовини. Питома теплоємність показує, яка кількість теплоти необхідно для нагрівання 1 кг речовини на 1 К.
Робота в термодинаміці:
У механіці робота визначається як добуток модулів сили і переміщення і косинуса кута між ними. Робота відбувається при дії сили на рухоме тіло і дорівнює зміні його кінетичної енергії.
У термодинаміки рух тіла як цілого не розглядається, йдеться про переміщення частин макроскопічного тіла відносно один одного. В результаті змінюється обсяг тіла, а його швидкість залишається рівною нулю. Робота в термодинаміці визначається так само, як і в механіці, але дорівнює зміні не кінетичної енергії тіла, а його внутрішньої енергії.
При здійсненні роботи (стисканні або розширенні) змінюється внутрішня енергія газу. Причина цього полягає в наступному: при пружних зіткненнях молекул газу з рухомим поршнем змінюється їх кінетична енергія.
Обчислимо роботу газу при розширенні. Газ діє на поршень з силою
, де
У процесі розширення газу здійснює позитивну роботу, так як напрямок сили і переміщення збігаються. У процесі розширення газ віддає енергію оточуючим тілам.
Робота, що здійснюється зовнішніми тілами над газом, відрізняється від роботи газу тільки знаком
Перший закон термодинаміки:
Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії, поширеним на теплові явища. Закон збереження енергії: енергія в природі не виникає з нічого і не зникає: кількість енергії незмінно, вона тільки переходить з однієї форми в іншу.
У термодинаміки розглядаються тіла, положення центра ваги яких практично не змінюється. Механічна енергія таких тіл залишається постійною, а змінюватися може лише внутрішня енергія.
Внутрішня енергія може змінюватися двома способами: теплопередачей і вчиненням роботи. У загальному випадку внутрішня енергія змінюється як за рахунок теплопередачі, так і за рахунок здійснення роботи. Перший закон термодинаміки формулюється саме для таких загальних випадків:
Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданого системі:
Якщо система ізольована, то над нею не здійснюється робота і вона не обмінюється теплотою з навколишніми тілами. Відповідно до першого закону термодинаміки внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною.
Враховуючи що
Кількість теплоти, передане системі, йде на зміну її внутрішньої енергії і на здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.
Другий закон термодинаміки: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої при відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.