4.1.2 Механические и тепловые взаимодействия

Типичный термодинамический процесс – расширение (сжатие) рабочего тела, например газа в цилиндре поршневого компрессора. Такой процесс характеризуется работой, т. е. затратой или выделением механической энергии. Работа, как известно, определяется произведением приложенной к рабочему телу силы на путь её действия. В рассматриваемом случае можно написать для бесконечно малого перемещения на единицу массы (кг) рабочего тела

. (4.2)

Здесь l – удельная работа. Работа расширения на всём пути действия переменной силы (давления) есть интеграл

. (4.3)

Процесс расширения может быть изображён в декартовых координатах (на p, v- диаграмме) как траектория всех проходимых состояний рабочего тела, как показано на рисунке 4.1. Если на этой диаграмме вычислить площадь полоски бесконечно малой ширины dv, имеющей ординату p, то получим выражение (4.2) для элементарной работы dl. Следовательно, вся площадь под кривой 1-2 определяет работу расширения (изменения объёма). Для другой траектории процесса работа будет иной, т. е. она является функцией процесса. Численное значение работы тем больше, чем сильнее изменяется в процессе объём. Это определяет выбор в качестве рабочих тел хорошо сжимаемых сред: газов и жидкостей, претерпевающих в процессе фазовые превращения – кипение или конденсацию.

Рисунок 4.1 – Процесс расширения рабочего тела

Работа всегда связана с организованным перемещением макроскопических тел в пространстве, поэтому она характеризует упорядоченную (макрофизическую) форму передачи энергии.

Помимо работы существует и другая, микрофизическая форма передачи энергии, осуществляемая на молекулярном (неупорядоченном) уровне взаимодействия системы и окружающей среды. Здесь обмен энергией происходит вследствие неодинаковой интенсивности хаотического движения молекул тел, находящихся в контакте (посредством механизмов теплопроводности или теплообмена) или даже бесконтактно, т. е. на большом удалении друг от друга (излучением). Единственное условие такого протекания процесса является различие в температурах взаимодействующих тел. Мерой количества энергии, переданной без совершения работы, служит теплота (Q, Дж или q, Дж/кг).

Теплота, работа и внутренняя энергия – энергетические характеристики, однако между этими понятиями существует большое различие. Внутренняя энергия – это свойство самой системы, одна из характеристик её состояния. Теплота и работа – это характеристики процессов теплового и механического взаимодействий системы с окружающей средой.