Енергія, робота і теплота

ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 7 ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

7.3. Енергія, робота і теплота

У природі існують різні форми руху матерії: механічний, тепловий, хімічний та ін. Ці якісно відмінні форми руху можна кількісно порівнювати тільки тому, що всі форми руху матерії мають спільну міру руху – енергію. Поняття енергії не можна ототожнювати з поняттям самої форми руху. Енергія є однією з характеристик тієї чи іншої форми руху. Це знаходить своє відображення в тому, що та сама форма руху характеризується

кількісно не тільки за допомогою поняття енергії, а й інших понять, що не виводяться з поняття енергії. Наприклад, механічний рух характеризується крім енергії ще імпульсом, моментом імпульсу тощо. В XIX ст. було встановлено закон збереження і перетворення енергії.

З поняттям “енергія” тісно пов’язане поняття “робота”. Робота – це зміна форми руху, яка розглядається з її кількісного боку. Основною умовою будь-якої фізичної роботи є якісна зміна – зміна форми Руху.

Зміна форми руху є завжди процесом, що відбувається принаймні між двома тілами, з яких одне втрачає певну кількість руху

такої-то якості (наприклад, теплоту), а друге дістає відповідну кількість руху такої-то іншої якості (механічний рух, електрика, хімічний розклад). Дуже поширене визначення енергії як здатності тіла виконувати роботу не зовсім правильне, оскільки воно передбачає, що дано визначення поняття “робота”, яке можна сформулювати тільки через поняття “енергія”.

Три величини – енергія, робота й теплота – мають однакову розмірність (можуть виражатися в однакових одиницях), але якісно відрізняються. Теплота, як і робота, є способом передавання енергії від одного тіла до іншого. Отже, функції роботи й теплоти еквівалентні, хоча самі поняття їх не тотожні. Завжди, коли виконується робота або передається теплота, в системі має бути принаймні два тіла: одне, яке віддає енергію, і друге, яке її отримує.

Робота й теплота – це дві єдино можливі форми передавання енергії від одного тіла до іншого. Одна з цих еквівалентних величин – кількість роботи або кількість теплоти – залежно від способу передавання енергії від одного тіла до іншого є кількісною мірою її. Теплота – це така форма передавання енергії, яка є сукупністю мікрофізичних процесів (обмін енергії при зіткненні молекул, випромінювання квантів світла тощо), це мікрофізична форма передавання енергії. Робота – це макрофізична форма передавання енергії. В цьому й полягає істотна відмінність між роботою і теплотою.

Внутрішня енергія термодинамічної системи – це сума всіх енергій системи, крім тієї частини кінетичної енергії молекул, яка зумовлена рухом системи як цілого, і тієї частини потенціальної енергії, що зумовлена положенням системи як цілого.

Теплота й робота є нерівноцінними формами передавання енергії. Вони нерівноцінні насамперед тому, що робота може бути безпосередньо здійснена для поповнення запасу будь-якого виду енергії (наприклад, потенціальної енергії тяжіння, електричної, магнітної), а теплота безпосередньо, тобто без перетворення в роботу, може витрачатися на поповнення лише внутрішньої енергії системи. Нерівноцінність теплоти й роботи в такому розумінні пов’язана з визначенням цих понять: робота – макрофізична, а теплота – мікрофізична форми передавання енергії.

Дослід засвідчує, що одна форма руху матерії може переходити в іншу. Так, механічний рух може перейти в безладний рух молекул тіла, тобто в теплову форму руху. В деяких випадках тепловий рух, навпаки, може частково перейти у впорядкований рух, тобто в механічний. Відомо, що електричний струм спричинює нагрівання провідників. Цей факт свідчить про перехід електричної форми руху матерії в теплову. Можна було б навести багато інших прикладів, проте вже з наведених видно, що різні форми руху матерії взаємно пов’язані між собою і можуть переходити одна в іншу.

Численними дослідами та аналізом було доведено: при переході однієї форми руху матерії в іншу зменшення енергії, що пов’язана з рухом однієї форми, дорівнює приросту енергії, що зумовлена рухом іншої форми. В цьому полягає один з основних законів природи – закон збереження енергії. Оскільки енергія – міра руху, то цей закон має глибокий філософський зміст: рух матерії незнищенний і не може виникнути з нічого. Матерія і рух нероздільні.

Щоб визначити, яка кількість енергії перейшла з однієї форми в іншу, треба підрахувати енергію тіла (системи) до переходу і енергію, що залишилася після того, як частина її перейшла в іншу форму, а після цього знайти різницю цих енергій. Цю різницю енергій називають роботою. Слід зазначити, що робота і кількість теплоти залежать не лише від початкового і кінцевого станів тіла, а й від шляху, яким відбувається перехід. Тому не можна розглядати тепловий ефект процесу як різницю кількостей теплоти в кінцевому і початковому станах. Безглуздість такого поняття особливо наочно виявляється у разі колових процесів, коли система повертається у вихідний стан, тимчасом як загальна кількість теплоти, що поглинається (або виділяється), не дорівнює нулю. Лише внутрішня енергія U є функцією стану: кожному певному стану системи відповідає певне значення внутрішньої енергії. Тому зміна внутрішньої енергії системи є величиною, що залежить лише від кінцевого і початкового станів, тобто вона дорівнює різниці енергій у цих станах U2 – U1. Зокрема, у разі колового процесу зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю, а кількість теплоти Q, що поглинається тілом, і робота А, яку воно виконує, відмінні від нуля.

Отже, предмет термодинаміки, статистичної механіки і молекулярної фізики той самий. Ці три науки однорідні, розвиваються паралельно, але методи їх істотно відмінні. В основу термодинаміки покладено два основних та один додатковий закони фізики, встановлені з повною вірогідністю дослідно. Тому всі висновки є настільки вірогідними, як і закони, покладені в її основу. Термодинаміка як самостійна наука виникла тоді, коли були відкриті два основних її закони. їх ще називають принципами термодинаміки. Третій закон (так звана теплова теорема Нернста) було встановлено пізніше, він є основою тільки для деяких додаткових розділів термодинаміки. Сфера поширення термодинаміки обмежена розмірами об’єктів дослідження, які мають бути досить великими, щоб забезпечити вирівнювання випадкових явищ мікросвіту. Однак цю вимогу задовольняють навіть розміри піщинки, яка містить молекул більше, ніж відер води Каспійське море. Проте завдяки прогресу експериментальної техніки, науковому вивченню стали доступні частинки речовини, які складаються з порівняно невеликої кількості частинок. Зрозуміло, що для з’ясування властивостей окремої такої частинки закони статистики непридатні, до них не можна застосувати і другий принцип термодинаміки.

Властивості великої сукупності частинок (властивості “цілого”) не є простою сумою властивостей окремих молекул (властивостей складових частин). На певному ступені збільшення кількості частинок у системі виникає нова “якість”. Другий принцип термодинаміки не можна застосовувати до окремих молекул і ультрамікроскопічних частинок речовини, але він вступає у свої права при певній (великій) кількості молекул у системі. Отже, термодинаміка вивчає процеси, що відбуваються у тілах скінченних, а не елементарно малих розмірів.