Теплота и работа
В результате многочисленных наблюдений было установлено, что когда совершается работа за счет расходуемой механической энергии, возникает теплота. Причем определенному количеству израсходованной механической энергии (совершенной работы) соответствует всегда вполне определенное количество появившейся теплоты.
В результате был выведен первый закон термодинамики, который сформулирован следующим образом: во всех случаях, когда исчезает некоторое количество теплоты, возникает равное ей количество механической энергии (в виде совершенной работы) и, наоборот, при совершении какой-либо работы за счет расходуемого при этом некоторого количества механической энергии появляется равное ей количество тепловой энергии.
Сказанное отвечает основным положениям закона сохранения энергии, который говорит, что энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Материя вечна. В разного рода процессах она меняет свою форму: из одного вещества получается другое. Изменение массы вещества связано с изменением запаса его энергии. Энергия немыслима без материи, а материя - без энергии.
В общем случае для разомкнутого процесса, если обозначить q - количество теплоты, подведенное к 1 кг газа, a U2 - U1 = ∆U - изменение его внутренней энергии при этом, то исчезнувшее в процессе количество теплоты представится разностью q - ∆V. Если при этом газ совершил работу, то, согласно первому закону термодинамики, должно существовать равенство:
q - ∆U = Al, или q = ∆U +Al
где A - термический эквивалент работы, равный 1/427 ккал/(кг×м); Е = 1/А - механический эквивалент теплоты, (кг×м)/ккал.
Введение в формулу коэффициента А необходимо, так как в системе МКГС теплоту измеряют в ккал, а работу - в кг×м.
В Международной системе СИ теплоту и работу измеряют в одних и тех же единицах - джоулях или кило-джоулях (1 кДж = 1000 Дж). Поэтому уравнение будет иметь вид:
g = ∆U+1
Утверждение первого закона термодинамики способствовало прекращению попыток построить двигатель, который производил бы энергию "из ничего", т. е. такой двигатель, который вырабатывал бы энергию, не потребляя какой-либо другой энергии. Этот двигатель получил название "перпетуум-мобиле (вечный двигатель) первого рода". Коротко первый закон термодинамики можно сформулировать так: "перпетуум-мобиле первого рода" невозможен.
Теплота и работа устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии при их взаимных превращениях. Однако этот закон ничего не говорит о том, при каких условиях такие превращения могут происходить.
На этот вопрос отвечает второй закон термодинамики, который говорит, что невозможно в периодически действующей машине целиком, чтобы вся теплота перевелась в работу, сообщенная рабочему телу от какого-либо источника теплоты ("верхнего", "горячего", или иногда называемого теплоотдатчиком). В процессе работы такой машины часть сообщенной теплоты неминуемо должна быть отдана другому телу с более низкой температурой ("низшему" или "холодному" источнику теплоты), вследствие чего эта часть теплоты с точки зрения преобразования ее в механическую энергию оказывается потерянной.
Таким образом, второй закон термодинамики утверждает невозможность построения машины - двигателя при наличии лишь одного источника теплоты. Такая машина (с одним источником) получила название "перпетуум-мобиле второго рода". Поэтому другая формулировка второго закона термодинамики - "перпетуум - мобиле второго рода" невозможен.
Необходимо отметить, что законы термодинамики явились результатом обобщения многочисленных наблюдений. Они были открыты после того, как изобрели тепловые двигатели.
Поскольку передача энергии может осуществляться как в виде работы, так и в виде теплоты, то в Международной системе единиц СИ теплота, так же, как энергия и работа, выражается общей для всех видов энергии единицей - джоулем (Дж = Н×м).
Для практических расчетов используют внесистемную единицу количества теплоты - калорию. Калорией (кал) называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 °С.
Международная калория (кал) равна 4,19 Дж. Более удобной для практических измерений теплоты является килокалория, равная 1000 калориям и соответственно 4,19 кДж. Тысячу килокалорий называют мегакалорией (Мкал). Миллион килокалорий или миллиард калорий называют гигакалорией (Гкал).
Работы, совершаемую в единицу времени, называют мощностью. Поскольку работа измеряется в Дж, за единицу мощности принимают Дж/с, называемую ваттом (Вт). Так как ватт очень маленькая по величине единица, чаще пользуются единицей измерения называемой киловаттом (кВт) 1кВт×ч = 860 ккал.
