Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Мы уже отмечали, что тепловое равновесие с точки зрения молекулярно-кинетической теории представляет собой динамическое равновесие: механическое состояние системы вследствие теплового движения^ молекул непрерывно изменяется, но термодинамическое состояние не меняется. Динамический характер теплового равновесия отчетливо виден на примере равновесия жидкости и ее насыщенного пара: в такой системе непрерывно идет процесс испарения жидкости и обратный ему процесс конденсации пара. Другой пример — равновесие газа в закрытом сосуде, находящемся в поле тяжести. С молекулярной точки зрения можно считать, что здесь происходят два компенсирующих друг друга процесса: вызываемый силой тяжести направленный вниз дрейф молекул компенсируется направленным вверд диффузионным потоком, который обусловлен различием концентрации молекул по высоте.
Если достаточно медленно изменять внешние условия так, чтобы при этом скорость протекающего в рассматриваемой системе процесса была значительно меньше скорости релаксации, то такой процесс будет фактически представлять собой цепочку близких друг к другу равновесных состояний.' Поэтому такой процесс описывается теми же самыми макроскопическими параметрами, что и состояние
§ 5. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
161
равновесия. Эти медленные процессы называются равновесными или квазистатическими. Только при таких процессах систему можно характеризовать такими параметрами, как давление, температура и т. д. Ясно, что реальные процессы являются неравновесными и могут считаться равновесными с большей или меньшей точностью.
Одной из самых важных величин, характеризующих физическую систему, является ее энергия. Понятие энергии применимо ко всем формам движения материи и объединяет самые разнообразные явления природы. Наиболее фундаментальный закон природы, установленный на основании многочисленных экспериментальных фактов и наблюдений,— это закон сохранения энергии. Согласно этому закону энергия не возникает и не исчезает: энергия неуни-чтожима, в явлениях природы она только переходит из одной формы в другую' или от одной физической системы к другой.
Изменить энергию выделенной физической системы можно, как показывает опыт, тремя различными способами. Если внешнее воздействие на систему носит механический характер, то изменение ее энергии определяется работой внешних сил, действующих на систему. Возможно термическое внешнее воздействие, при котором изменение энергии системы происходит на молекулярном уровне без совершения макроскопической работы в результате хаотического теплового движения на границе рассматриваемой системы с другими телами. Количественной мерой изменения энергии при таком способе, называемом теплопередачей, является количество тепла, переданное системе. Наконец, изменить энергию системы можно, изменяя саму систему, например добавляя к ней или удаляя частицы, направляя на нее электромагнитное излучение и т.д. В дальнейшем мы будем рассматривать только первые два способа воздействия на систему.
Подчеркнем, что макроскопическая работа и количество тепла — это не формы энергии, а только различные способы ее изменения и передачи от одного тела к другому. Поэтому в то время как энергия характеризует состояние рассматриваемой системы, теплота и работа характеризуют изменение состояния, т. е. происходящие в системе процессы.
Полная энергия системы состоит из механической энергии и внутренней. В термодинамике обычно рассмат-
162
' ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ривают покоящиеся тела, механическая энергия которых не меняется. В этом случае закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом: изменение внутренней энергии системы AU во время процесса перехода из начального состояния в конечное равно сумме совершенной над системой внешними телами работы А и полученного системой количества тепла Q:
A U = Ot—Ui = A+Q. (5.1)
Принцип сохранения энергии применительно к термодинамическим системам (5.1) носит название первого закона термодинамики.
Процесс перехода системы из данного начального состояния в определенное конечное состояние можно осуществить различными способами. При этом совершаемая над системой работа А и передаваемое ей тепло Q зависят от способа перехода.. Разумеется, их сумма, равная изменению энергии системы, во всех случаях будет одна и та же.
Поясним это на примере простейшей термодинамической системы — идеального газа. Равновесное состояние одного моля идеального газа характеризуется заданием двух параметров, например давления и объема. Третий параметр — температура — находится при этом из уравнения состояния Менделеева — Клапейрона. Поэтому состояние моля идеального газа можно изобразить точкой на двумерной р — V-диаграмме (рис. 5.1), а квазистатический процесс, представляющий собой последовательность равновесных состояний,— непрерывной линией. Пусть точка 1 изображает начальное состояние газа, а точка 2 — конечное. Работа АЛ', совершаемая газом при изменении его объема на малую величину AV, равна произведению давления на изменение объема:
