Теплота

Поделись знанием:
(перенаправлено с «Тепловая энергия»)
Перейти к: навигация, поиск
Термодинамические величины
100px
Статья является частью серии «Термодинамика».
Энтропия
Количество теплоты
Термодинамическая работа
Химический потенциал
См. также: Термодинамические потенциалы.
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
[http://o-ili-v.ru/wiki/index.php?title=%D0%A8%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%BE%D0%BD:%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%BD%D1%8B&action=edit править ]
См. также «Физический портал»

Внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой. Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой[1]. Теплота — это одна из основных термодинамических величин в классической феноменологической термодинамике. Количество теплоты входит в стандартные математические формулировки первого и второго начал термодинамики.

Для изменения внутренней энергии системы посредством теплообмена также необходимо совершить работу. Однако это не макроскопическая работа, которая связана с перемещением границы системы. На микроскопическом уровне эта работа складывается из работ сил, действующих на молекулы системы на границе контакта более нагретого тела с менее нагретым, то есть энергия передаётся посредством столкновений молекул. Поэтому с точки зрения молекулярно-кинетической теории различие между работой и теплотой проявляется только в том, что совершение механической работы требует упорядоченного движения молекул на макроскопических масштабах, а передача энергии от более нагретого тела менее нагретому этого не требует.

Энергия может также передаваться излучением от одного тела к другому и без их непосредственного контакта.

Количество теплоты не является функцией состояния, и количество теплоты, полученное системой в каком-либо процессе, зависит от способа, которым она была переведена из начального состояния в конечное.

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — джоуль. Как единица измерения теплоты используется также калория. В Российской Федерации калория допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «промышленность»[2].









Определение

Количество теплоты входит в математическую формулировку первого начала термодинамики, которую можно записать как ΔQ = A + ΔU. Здесь ΔU — изменение внутренней энергии системы, ΔQ — количество теплоты, переданное системе, а A — работа, совершённая системой. Однако определение теплоты должно указывать способ её измерения безотносительно к первому началу. Так как теплота — это энергия переданная в ходе теплообмена, для измерения количества теплоты необходимо пробное калориметрическое тело. По изменению внутренней энергии пробного тела можно будет судить о количестве теплоты, переданном от системы пробному телу. Без использования пробного тела первое начало теряет смысл содержательного закона и превращается в бесполезное для расчётов определение количества теплоты.

Пусть в системе, состоящей из двух тел X и Y, тело Y (пробное) заключено в жёсткую адиабатическую оболочку. Тогда оно не способно совершать макроскопическую работу, но может обмениваться энергией (то есть теплотой) с телом X. Предположим, что тело X также почти полностью заключено в адиабатическую, но не жёсткую оболочку, так что оно может совершать механическую работу, но обмениваться теплотой может лишь с Y. Количеством теплоты, переданным телу X в некотором процессе, называется величина QX = −ΔUY, где ΔUY — изменение внутренней энергии тела Y. Согласно закону сохранения энергии, полная работа, выполненная системой, равна убыли полной внутренней энергии системы двух тел: A = −ΔUxΔUy, где A — макроскопическая работа, совершенная телом X, что позволяет записать это соотношение в форме первого начала термодинамики: ΔQ = A + ΔUx.

Таким образом, вводимое в феноменологической термодинамике количество теплоты может быть измерено посредством калориметрического тела (об изменении внутренней энергии которого можно судить по показанию соответствующего макроскопического прибора). Из первого начала термодинамики следует корректность введённого определения количества теплоты, то есть независимость соответствующей величины от выбора пробного тела Y и способа теплообмена между телами. При таком определении количества теплоты первое начало становится содержательным законом, допускающим экспериментальную проверку, так как все три величины, входящие в выражение для первого начала, могут быть измерены независимо[3].

Неравенство Клаузиуса. Энтропия

Предположим, что рассматриваемое тело может обмениваться теплотой лишь с Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): N бесконечными тепловыми резервуарами, внутренняя энергия которых столь велика, что при рассматриваемом процессе температура каждого остаётся строго постоянной. Предположим, что над телом был совершён произвольный круговой процесс, то есть по окончании процесса оно находится абсолютно в том же состоянии, что и в начале. Пусть при этом за весь процесс оно заимствовало из i-го резервуара, находящегося при температуре Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): T_i , количество теплоты Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): Q_i . Тогда верно следующее неравенство Клаузиуса:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \circ\sum_{i=1}^{N} \frac{Q_i}{T_i} \leqslant 0

Здесь Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \circ обозначает круговой процесс. В общем случае теплообмена со средой переменной температуры неравенство принимает вид

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \oint \frac{\delta Q(T)}{T} \leqslant 0

Здесь Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \delta Q(T)  — количество теплоты, переданное участком среды с (постоянной) температурой Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): T . Это неравенство применимо для любого процесса, совершаемого над телом. В частном случае квазистатического процесса оно переходит в равенство. Математически это означает, что для квазистатических процессов можно ввести функцию состояния, называемую энтропией, для которой

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): S = \int \frac{\delta Q(T)}{T}
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): dS = \frac{\delta Q}{T}

здесь Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): T  — это абсолютная температура внешнего теплового резервуара. В этом смысле Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \frac{1}{T} является интегрирующим множителем для количества теплоты, умножением на который получается полный дифференциал функции состояния.

Для неквазистатических процессов такое определение энтропии не работает. Например, при адиабатическом расширении газа в пустоту

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \int \frac{\delta Q(T)}{T} = 0

однако энтропия при этом возрастает, в чём легко убедиться, переведя систему в начальное состояние квазистатически и воспользовавшись неравенством Клаузиуса. Кроме того, энтропия (в указанном смысле) не определена для неравновесных состояний системы, хотя во многих случаях систему можно считать локально равновесной и обладающей некоторым распределением энтропии.

Скрытая и ощущаемая теплота

Внутренняя энергия системы, в которой возможны фазовые переходы или химические реакции, может изменяться и без изменения температуры. Например, энергия, передаваемая в систему, где жидкая вода находится в равновесии со льдом при нуле градусов Цельсия, расходуется на плавление льда, но температура при этом остаётся постоянной, пока весь лёд не превратится в воду. Такой способ передачи энергии традиционно называется «скрытой» или изотермической теплотой[4] (англ. latent heat), в отличие от «явной», «ощущаемой» или неизотермической теплоты (англ. sensible heat), под которой подразумевается процесс передачи энергии в систему, в результате которого изменяется лишь температура системы, но не её состав.

Теплота фазового превращения

Энергия, необходимая для фазового перехода единицы массы вещества, называется удельной теплотой фазового превращения[5]. В соответствии с физическим процессом, имеющим место при фазовом превращении, могут выделять теплоту плавления, теплоту испарения, теплоту сублимации (возгонки), теплоту перекристаллизации и т. д. Фазовые превращения идут со скачкообразным изменением энтропии, что сопровождается выделением или поглощением тепла, несмотря на постоянство температуры.

О терминах «теплота», «количество теплоты», «тепловая энергия»

Многие понятия термодинамики возникли в связи с устаревшей теорией теплорода, которая сошла со сцены после выяснения молекулярно-кинетических основ термодинамики. С тех пор они используются и в научном, и в повседневном языке. Хотя в строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны[6]. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, не связанное с представлениями теории теплорода, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения[7]. Поэтому некоторые авторы уточняют, что во избежание ошибок теории теплорода под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты»[8]. Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия», который по смыслу совпадает с внутренней энергией[9].

Напишите отзыв о статье "Теплота"

Примечания

  1. Сивухин, Т. II. Термодинамика и молекулярная физика, 2005, с. 57.
  2. [http://www.fundmetrology.ru/depository/01_npa/po879.pdf#page=8 Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.]. Проверено 16 февраля 2014.
  3. Сивухин, Т. II. Термодинамика и молекулярная физика, 2005, с. 58.
  4. Путилов, Термодинамика, 1991, с. 49.
  5. Сивухин, Т. II. Термодинамика и молекулярная физика, 2005, с. 442.
  6. Мякишев Г. Я.. [http://bse.sci-lib.com/article109946.html Теплота] // Большая советская энциклопедия.
  7. Сивухин, Т. II. Термодинамика и молекулярная физика, 2005, с. 13.
  8. Базаров, Термодинамика, 1991, с. 25.
  9. Сивухин, Т. II. Термодинамика и молекулярная физика, 2005, с. 61.

Литература

  • Базаров И. П. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — 376 с.
  • Путилов К. А. Термодинамика. — М.: Наука, 1971. — 375 с.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5 изд., испр.. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.

Отрывок, характеризующий Теплота

– Никого! – обрадовалась она. – Ух ты, какой же это ужас!..
Я, конечно, не вытерпела и полезла за ней. Там и правда был настоящий «ночной кошмар»!.. Рядом с нашим странным «местом заточения», совершенно непонятным способом, повешенные «пучками» вниз головой, висели человеческие сущности... Они были подвешены за ноги, и создавали как бы перевёрнутый букет.
Мы подошли ближе – ни один из людей не показывал признаков жизни...
– Они же полностью «откачаны»! – ужаснулась Стелла. – У них не осталось даже капельки жизненной силы!.. Всё, давайте удирать!!!
Мы понеслись, что было сил, куда-то в сторону, абсолютно не зная – куда бежим, просто подальше бы от всей этой, замораживающей кровь, жути... Даже не думая о том, что можем снова вляпаться в такую же, или же ещё худшую, жуть...
Вдруг резко потемнело. Иссиня-чёрные тучи неслись по небу, будто гонимые сильным ветром, хотя никакого ветра пока что не было. В недрах чёрных облаков полыхали ослепительные молнии, красным заревом полыхали вершины гор... Иногда набухшие тучи распарывало о злые вершины и из них водопадом лилась тёмно-бурая вода. Вся эта страшная картинка напоминала, самый жуткий из жутких, ночной кошмар....
– Папочка, родимый, мне так страшно! – тоненько взвизгивал, позабыв свою былую воинственность, мальчонка.
Вдруг одна из туч «порвалась», и из неё полыхнул ослепительно яркий свет. А в этом свете, в сверкающем коконе, приближалась фигурка очень худого юноши, с острым, как лезвие ножа, лицом. Вокруг него всё сияло и светилось, от этого света чёрные тучи «плавились», превращаясь в грязные, чёрные лоскутки.
– Вот это да! – радостно закричала Стелла. – Как же у него это получается?!.
– Ты его знаешь? – несказанно удивилась я, но Стелла отрицательно покачала головкой.
Юноша опустился рядом с нами на землю и ласково улыбнувшись спросил:
– Почему вы здесь? Это не ваше место.
– Мы знаем, мы как раз пытались выбраться на верх! – уже во всю щебетала радостная Стелла. – А ты поможешь нам вернуться наверх?.. Нам обязательно надо быстрее вернуться домой! А то нас там бабушки ждут, и вот их тоже ждут, но другие.
Юноша тем временем почему-то очень внимательно и серьёзно рассматривал меня. У него был странный, насквозь пронизывающий взгляд, от которого мне стало почему-то неловко.
– Что ты здесь делаешь, девочка? – мягко спросил он. – Как ты сумела сюда попасть?
– Мы просто гуляли. – Честно ответила я. – И вот их искали. – Улыбнувшись «найдёнышам», показала на них рукой.
– Но ты ведь живая? – не мог успокоиться спаситель.
– Да, но я уже не раз здесь была. – Спокойно ответила я.
– Ой, только не здесь, а «наверху»! – смеясь, поправила меня моя подружка. – Сюда мы бы точно не возвращались, правда же?
– Да уж, я думаю, этого хватит надолго... Во всяком случае – мне... – меня аж передёрнуло от недавних воспоминаний.
– Вы должны отсюда уйти. – Опять мягко, но уже более настойчиво сказал юноша. – Сейчас.
От него протянулась сверкающая «дорожка» и убежала прямо в светящийся туннель. Нас буквально втянуло, даже не успев сделать ни шагу, и через какое-то мгновение мы оказались в том же прозрачном мире, в котором мы нашли нашу кругленькую Лию и её маму.
– Мама, мамочка, папа вернулся! И Велик тоже!.. – маленькая Лия кубарем выкатилась к нам навстречу, крепко прижимая к груди красного дракончика.. Её кругленькая мордашка сияла солнышком, а сама она, не в силах удержать своего бурного счастья, кинулась к папе и, повиснув у него на шее, пищала от восторга.
Мне было радостно за эту, нашедшую друг друга, семью, и чуточку грустно за всех моих, приходящих на земле за помощью, умерших «гостей», которые уже не могли друг друга так же радостно обнять, так как не принадлежали тем же мирам...
– Ой, папулечка, вот ты и нашёлся! А я думала, ты пропал! А ты взял и нашёлся! Вот хорошо-то как! – аж попискивала от счастья сияющая девчушка.
Вдруг на её счастливое личико налетела тучка, и оно сильно погрустнело... И уже совсем другим голосом малышка обратилась к Стелле:
– Милые девочки, спасибо вам за папу! И за братика, конечно же! А вы теперь уже уходить будете? А ещё когда-то вернётесь? Вот ваш дракончик, пожалуйста! Он был очень хороший, и он меня очень, очень полюбил... – казалось, что прямо сейчас бедная Лия разревётся навзрыд, так сильно ей хотелось подержать ещё хоть чуть-чуть этого милого диво-дракончика!.. А его вот-вот увезут и уже больше не будет...
– Хочешь, он ещё побудет у тебя? А когда мы вернёмся, ты его нам отдашь обратно? – сжалилась над малышкой Стелла.
Лия сначала ошалела от неожиданно свалившегося на неё счастья, а потом, не в состоянии ничего сказать, так сильно закивала головкой, что та чуть ли не грозилась отвалиться...
Простившись с радостным семейством, мы двинулись дальше.
Было несказанно приятно опять ощущать себя в безопасности, видеть тот же, заливающий всё вокруг радостный свет, и не бояться быть неожиданно схваченной каким-то страшно-кошмарным ужастиком...
– Хочешь ещё погулять? – совершенно свежим голоском спросила Стелла.
Соблазн, конечно же, был велик, но я уже настолько устала, что даже покажись мне сейчас самое что ни есть большое на земле чудо, я наверное не смогла бы этим по-настоящему насладиться...
– Ну ладно, в другой раз! – засмеялась Стелла. – Я тоже устала.
И тут же, каким-то образом, опять появилось наше кладбище, где, на той же скамеечке, дружно рядышком сидели наши бабушки...
– Хочешь покажу что-то?... – тихо спросила Стелла.
И вдруг, вместо бабушек появились невероятно красивые, ярко сияющие сущности... У обоих на груди сверкали потрясающие звёзды, а у Стеллиной бабушки на голове блистала и переливалась изумительная чудо-корона...
– Это они... Ты же хотела их увидеть, правда? – я ошалело кивнула. – Только не говори, что я тебе показывала, пусть сами это сделают.
– Ну, а теперь мне пора... – грустно прошептала малышка. – Я не могу идти с тобой... Мне уже туда нельзя...
– Я обязательно приду к тебе! Ещё много, много раз! – пообещала от всего сердца я.
А малышка смотрела мне вслед своими тёплыми грустными глазами, и казалось, всё понимала... Всё, что я не сумела нашими простыми словами ей сказать.

Всю дорогу с кладбища домой я безо всякой причины дулась на бабушку, притом злясь за это на саму себя... Я была сильно похожа на нахохлившегося воробья, и бабушка прекрасно это видела, что, естественно, меня ещё больше раздражало и заставляло глубже залезть в свою «безопасную скорлупу».... Скорее всего, это просто бушевала моя детская обида за то, что она, как оказалось, многое от меня скрывала, и ни чему пока не учила, видимо считая меня недостойной или не способной на большее. И хотя мой внутренний голос мне говорил, что я тут кругом и полностью не права, но я никак не могла успокоиться и взглянуть на всё со стороны, как делала это раньше, когда считала, что могу ошибаться...
Наконец, моя нетерпеливая душа дольше выдержать молчание была не в состоянии...
– Ну и о чём вы так долго беседовали? Если, конечно, мне можно это знать... – обиженно буркнула я.
– А мы не беседовали – мы думали, – спокойно улыбаясь ответила бабушка.
Казалось, она меня просто дразнит, чтобы спровоцировать на какие-то, ей одной понятные, действия...
– Ну, тогда, о чём же вы там вместе «думали»? – и тут же, не выдержав, выпалила: – А почему бабушка Стеллу учит, а ты меня – нет?!.. Или ты считаешь, что я ни на что больше не способна?
– Ну, во-первых, брось кипятиться, а то вон уже скоро пар пойдёт... – опять спокойно сказала бабушка. – А, во-вторых, – Стелле ещё долго идти, чтобы до тебя дотянуться. И чему же ты хочешь, чтобы я учила тебя, если даже в том, что у тебя есть, ты пока ещё совсем не разобралась?.. Вот разберись – тогда и потолкуем.
Я ошалело уставилась на бабушку, как будто видела её впервые... Как это Стелле далеко до меня идти?!. Она ведь такое делает!.. Столько знает!.. А что – я? Если что-то и делала, то всего лишь кому-то помогала. А больше и не знаю ничего.
Бабушка видела моё полное смятение, но ни чуточки не помогала, видимо считая, что я должна сама через это пройти, а у меня от неожиданного «положительного» шока все мысли, кувыркаясь, пошли наперекосяк, и, не в состоянии думать трезво, я лишь смотрела на неё большими глазами и не могла оправиться от свалившихся на меня «убийственных» новостей...
– А как же «этажи»?.. Я ведь никак не могла сама туда попасть?.. Это ведь Стеллина бабушка мне их показала! – всё ещё упорно не сдавалась я.
– Ну, так ведь для того и показала, чтобы сама попробовала, – констатировала «неоспоримый» факт бабушка.
– А разве я могу сама туда пойти?!.. – ошарашено спросила я.
– Ну, конечно же! Это самое простое из того, что ты можешь делать. Ты просто не веришь в себя, потому и не пробуешь...
– Это я не пробую?!.. – аж задохнулась от такой жуткой несправедливости я... – Я только и делаю, что пробую! Только может не то...
Вдруг я вспомнила, как Стелла много, много раз повторяла, что я могу намного больше... Но могу – что?!.. Я понятия не имела, о чём они все говорили, но теперь уже чувствовала, что начинаю понемножку успокаиваться и думать, что в любых трудных обстоятельствах мне всегда помогало. Жизнь вдруг показалась совсем не такой уж несправедливой, и я понемногу стала оживать...
Окрылённая положительными новостями, все последующие дни я, конечно же, «пробовала»... Совершенно себя не жалея, и вдребезги истязая своё, и так уже измождённое, физическое тело, я десятки раз шла на «этажи», пока ещё не показываясь Стелле, так как желала сделать ей приятный сюрприз, но при этом не ударить лицом в грязь, сделав какую-нибудь глупую ошибку.
Но вот, наконец-то, решила – хватит прятаться и решила навестить свою маленькую подружку.
– Ой, это ты?!.. – сразу же зазвучал счастливыми колокольчиками знакомый голосок. – Неужели это правда ты?! А как же ты сюда пришла?.. Ты что – сама пришла?
Вопросы, как всегда, сыпались из неё градом, весёлая мордашка сияла, и для меня было искренним удовольствием видеть эту её светлую, бьющую фонтаном, радость.