3. Теплота

Теплота – такая форма передачи энергии, при которой осуществляется непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел. Процесс передачи внутренней энергии без совершения работы называется теплообменом. Мерой энергии, переданной в форме теплоты в процессе теплообмена, служит величина, называемая количеством теплоты Q.

Теплота, как и работа, является не видом энергии, а формой ее передачи. Теплота и работа обладают тем общим свойством, что они существуют лишь в процессе передачи энергии, а их численные значения зависят от вида этого про­цесса. Если телу передается энергия в форме теплоты, то это увеличивает энергию хаотического теплового движения его частиц и непосредственно приводит только к увеличению внутренней энергии тела.

Рассмотрим нагревание и последующее охлаждение вещества (рис. 7.3.1). Пусть в точке 1 вещество находится в кристаллическом состоянии.

Рис. 7.3.1

Процессы, происходящие с веществом:

1-2  нагрев твердого тела от исходной температуры до температуры плавления,

2-3 – плавление твердого тела,

3-4 – нагрев жидкости до температуры кипения,

4-5 – кипение (парообразование) жидкости,

5-6 – нагрев пара,

6-7 – охлаждение пара до температуры конденсации равной температуре кипения,

7-8 – конденсация пара,

8-9 – охлаждение жидкости до температуры кристаллизации, равной температуре плавления,

9-10 – кристаллизация жидкости,

10-11 – охлаждение твердого тела.

Из графика следует, что на этапах 1-6 система получает количество теплоты (Q>0), а на этапах 6-11 – отдает (Q<0). Следует отметить, что на этапах 1-6 внутренняя энергия системы U увеличивается, а на этапах 6-11 уменьшается, включая горизонтальные участки, соответствующие неизменной температуре. Это объясняется тем, что при достижении определенных температур (плавления, кипения), все подводимое тепло расходуется на изменение агрегатного состояния, а не на изменение ее температуры. Количество теплоты на разных этапах определяется следующими соотношениями:

• количество теплоты, которое поглощается (выделяется) при нагревании

(охлаждении) вещества: Q=cmΔT, (7.3.1)

• количество теплоты, которое поглощается (выделяется) при плавлении

(кристаллизации) вещества: Q=λm, (7.3.2)

• количество теплоты, которое поглощается (выделяется) при

парообразовании (конденсации) вещества: Q=rm. (7.3.3)

В формулах (7.3.1) – (7.3.3) c – удельная теплоемкость при постоянном давлении, λ – удельная теплота плавления, r – удельная теплота парообразовании.

4. Адиабатический процесс

А диабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (Q=0) между системой и окружающей средой. К адиабатическим процессам можно отнести все быстропротекающие процессы. Например, адиабатическим процессом можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д. На PV  диаграмме адиабатический процесс изображают кривой, называемой адиабатой (рис. 7.4.1). Видно, что адиабата более крута по сравнению с изотермой. Это объясняется тем, что при адиабатическом расширении уменьшение давления газа обусловлено не только увеличением объема, как при изотермическом процессе, но и понижением температуры.

Уравнение адиабатического процесса, или уравнение Пуассона, имеет вид

. (7.4.1)

При переходе с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона к другим параметрам получим

и . (7.4.2)