Термодинамічні величини
Thermodynamics navigation image.svg
Стаття є частиною серії " Термодинаміка ".
Ентропія
Кількість теплоти
Термодинамічна робота
Хімічний потенціал
.
Розділи термодинаміки
Початку термодинаміки
Рівняння стану
Термодинамічні величини
Термодинамічні потенціали
Термодинамічні цикли
Фазові переходи
правити
Див також "Фізичний портал"

Кількість теплоти - енергія, яку одержує або втрачає тіло при теплопередачі. Кількість теплоти є однією з основних термодинамічних величин.

Кількість теплоти є функцією процесу, а не функцією стану, тобто кількість теплоти, отримане системою, залежить від способу, яким вона була приведена в поточний стан.

Одиниця виміру: Джоуль.


Визначення

Розглянемо систему, що складається з двох тіл \ Mathrm A і \ Mathrm B . Припустимо, що тіло \ Mathrm B укладено майже повністю в жорстку адіабатичному оболонку, так що воно не здатне здійснювати макроскопічну роботу, а обмінюватися теплом (тобто енергією) за допомогою мікроскопічних процесів може лише з тілом \ Mathrm A . Припустимо, що тіло \ Mathrm A також укладено в адіабатичному оболонку майже повністю, так що для нього можливий теплообмін лише з \ Mathrm B , Але не будемо припускати, що оболонка жорстка. Кількістю теплоти, повідомленої тілу \ Mathrm A в деякому процесі, будемо називати величину Q_A = - \ Delta U_B , Де \ Delta U_B - Зміна внутрішньої енергії тіла \ Mathrm B . Згідно закону збереження енергії,

A = \ Delta U_A + \ Delta U_B,

де A - Макроскопічна робота зовнішніх сил над тілом \ Mathrm A . Якщо врахувати, що

A = - A_ {int},

де A_ {int} - Робота, здійснена тілом \ Mathrm A , То за законом збереження енергії можна надати форму першого початку термодинаміки:

A = \ Delta U_A + A_ {int}.

З першого початку термодинаміки виходить коректність введеного визначення кількості теплоти, тобто незалежність відповідної величини від вибору пробного тіла \ Mathrm B і способи теплообміну між тілами. Зауважимо, що для визначення кількості теплоти необхідно пробне тіло, в іншому випадку перший початок втрачає сенс змістовного закону і перетворюється в визначення кількості теплоти (вельми даремне в такому вигляді). При визначенні кількості теплоти незалежно від A і \ Delta U_A перший початок стає змістовним законом, допускає експериментальну перевірку.

Відзначимо, що, як і досконала робота, кількість переданої теплоти залежить від конкретного процесу, вчиненого над тілом.


Нерівність Клаузіуса. Ентропія

Припустимо, що аналізованих тіло може обмінюватися теплотою лише з N нескінченними тепловими резервуарами, внутрішня енергія яких настільки велика, що при розглянутому процесі температура кожного залишається строго постійною. Припустимо, що над тілом був здійснений довільний круговий процес, тобто по закінченні процесу воно знаходиться абсолютно в тому ж стані, що і на початку. Нехай при цьому за весь процес воно запозичило з i-го резервуару, що знаходиться при температурі T_i , Кількість теплоти Q_i . Тоді вірно наступне нерівність Клаузіуса:

\ Circ \ sum_ {i = 1} ^ {N} \ frac {Q_i} {T_i} \ leqslant 0

Тут \ Circ позначає круговий процес. У загальному випадку теплообміну із середовищем змінної температури нерівність набуває вигляду

\ Oint \ frac {\ delta Q (T)} {T} \ leqslant 0

Тут \ Delta Q (T) - Кількість теплоти, передане ділянкою середовища з (постійної) температурою T . Це нерівність застосовне для будь-якого процесу, здійснюваного над тілом. В окремому випадку квазістатичного процесу воно переходить в рівність. Математично це означає, що для квазістатичних процесів можна ввести функцію стану, звану ентропією, для якої

S = \ int \ frac {\ delta Q (T)} {T}
dS = \ frac {\ delta Q} {T}

тут T - Це абсолютна температура зовнішнього теплового резервуара. У цьому сенсі \ Frac {1} {T} є інтегруючим множником для кількості теплоти.

Для неквазістатіческіх процесів таке визначення ентропії не працює. Наприклад, при адіабатичному розширенні газу в порожнечу

\ Int \ frac {\ delta Q (T)} {T} = 0

однак ентропія при цьому зростає, в чому легко переконатися, перевівши систему в початковий стан квазістатичного і скориставшись нерівністю Клаузіуса. Крім того, ентропія (у зазначеному сенсі) не визначена для нерівноважних станів системи, хоча в багатьох випадках систему можна вважати локально рівноважної і володіє деяким розподілом ентропії.


Література

  • Сивухин Д. В. Загальний курс фізики. - Т. II. Термодинаміка і молекулярна фізика.