Макроскопический способ передачи энергии

Работа всегда связана с перемещением тел или их частей под воздействием сил той или иной природы. Процесс совершения работы сопровождается как превращением, так и передачей энергии. Если, например, тело массой поднимают в поле силы тяжести на высоту то по совершенной работе оценивают количественно как передачу, так и превращение энергии. Действительно, в рассматриваемом примере потенциальная, энергия поднятого тела увеличилась также на величину Соответственно тела, совершившие рассмотренную работу, потеряют такое же количество энергии (например, организм человека, поднявшего груз). При этом, очевидно, при поднятии груза происходит не только передача энергии, но и ее превращение (в потенциальную энергию). Связь работы с превращением энергии впервые была подмечена Энгельсом, который дал наиболее исчерпывающее определение этой величины: «. работа — это изменение формы движения, рассматриваемое с его количественной стороны».

На основании изложенного можно утверждать, что работа есть макроскопический способ передачи энергии от одних тел к другим. Термин «макроскопический» в приведенном определении подчеркивает тот факт, что работа всегда связана с макроскопическими перемещениями тел или их частей. Из изложенного также следует, что работу можно трактовать как энергию в процессе ее передачи.

В общем курсе физики мы в основном будем ограничиваться учетом работы системы, обусловленной изменением ее объема под воздействием давления, оказываемого системой на окружающие тела. Такого рода работа согласно (8.3) выражается интегралом:

Переход из состояния в состояние можёт произойти путем реализации одного из бесконечного множества возможных процессов, переводящих систему из начального состояния

в конечное. На рисунке 2.1 графически изображены только два таких процесса. Работа при этих процессах численно равна площади, расположенной под кривой, характеризующей соответствующий процесс. Как видно из рисунка 2.1, совершаемые при этом работы различны. Из разобранного примера следует важное заключение: работа изменения объема системы зависит от вида процесса (пути) перехода из начального состояния в конечное.

Источник

Формы движения материи, виды энергии, работа и теплообмен

В природе существуют различные формы движения материи: механическая, тепловая, химическая, электрическая, магнитная и др. Так, механическая форма движения состоит в изменении пространственного расположения макроскопических тел, а тепловая форма движения представляет собой хаотическое механическое движение большой совокупности микрочастиц, составляющих макроскопические тела. При передаче движения от одних тел к другим уменьшение движения рассматриваемой формы в одном теле сопровождается эквивалентным увеличением движения той же или иной формы в другом теле в соответствии с принципами сохранения и превращения движения. В случае изменения формы движения наблюдается их количественная эквивалентность. Количественной мерой для всех форм движения материи, способных превращаться одна в другую, является энергия. В природе существует множество видов энергии: кинетическая, химическая, тепловая, гравитационная, электрическая и др. При передаче движения материи с превращением его форм энергия не может быть ни уничтожена, ни создана. Передача движения и энергии от одних тел к другим телам происходит в результате взаимодействия этих тел. Современная физика различает четыре основных вида взаимодействия между элементарными частицами:

— сильное (ядерные реакции) с радиусом взаимодействия 10 -13 см;

— слабое (с радиусом взаимодействия

На микроскопическом уровне проявляются лишь электромагнитные взаимодействия, которые имеют разнообразные проявления для различных макропроцессов. Так, если явления упругости связаны с взаимодействием между одноименно заряженными электронными оболочками соседних атомов твердого тела, то электромагнитное излучение нагретого тела связано с электромагнитным взаимодействием между ядрами и электронными оболочками. Что касается химических реакций, то они связаны с электромагнитным взаимодействием ядер и электронных оболочек различных химических элементов, участвующих в реакции.

Все виды термодинамического взаимодействия (все способы обмена энергией) можно свести к двум принципиально различным способам: совершению работы и теплообмену.

Работа – это передача энергии в результате макроскопического, упорядоченного, организованного, направленного движения тел. Количество передаваемой при этом энергии называют работой или работой процесса. Работа является функцией процесса, т.к. зависит от пути, по которому шел процесс. Это макроскопическая форма передачи энергии.

Различают следующие виды работ:

— механическая работа, совершаемая механической силой по перемещению тел в пространстве;

— работы немеханического характера (электрическая работа перенесения заряда в электрическом поле, магнитная работа, химическая работа и др.).

Теплообмен – это передача энергии под воздействием хаотического, теплового движения микрочастиц, составляющих макроскопические тела, при наличии разности температур соприкасающихся тел. В этом случае количество передаваемой энергии называют теплотой или теплотой процесса. Теплота является функцией процесса, так как зависит от пути процесса. Теплота – это микроскопическая форма передачи энергии.

Надо иметь в виду, что работа и теплота не являются энергией или ее видом, а является лишь двумя способами передачи энергии, двумя способами обмена энергией. Они могут вызывать во взаимодействующих телах изменение движения материи любой формы.

Источник

28. Закон сохранения энергии

В макроскопических процессах.

Способы передачи энергии от одного

Макроскопического тепа другому

XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшему к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия — единая мера различных форм движения материи.

На протяжении более четырех десятилетий формировался этот принцип в науке. Следует отметить, что процесс установления закона сохранения и превращения энергии — это одновременно процесс формирования таких дисциплин в физике, как статистическая физика и термодинамика, процесс установления I и II начал термодинамики, выработка понятий энергии, тепловой (внутренней) энергии, работы, энтропии.

Механическая энергия и внутренняя энергия — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому — в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов.

Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроперемещением. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии.

Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

Невозможен вечный двигатель (перпетуум-мобиле) первого рода. Это является следствием начала термодинамики.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: «Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую».

29. Концепция вероятностного детерминизма в статистической физике

История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическом. С. Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа У. Томсоном «термодинамикой». Термодинамическое рассмотрение ограничивается в основном изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих вещество, то есть без учета молекулярного строения вещества.

Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием кинетической теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XIX в., оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.

При рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, состояние системы характеризуют не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Тогда состояние системы задается с помощью функции распределения, зависящей от координат, импульсов всех частиц системы и от времени. Функция распределения интерпретируется как плотность вероятности обнаружения той или иной физической величины (например, х. или Р) в определенных интервалах от х до X, + ∆х, или от Р. до Р. + АР.. По известной функции распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определенное значение в заданных интервалах.

Статистическая механика в некотором смысле нарушает традиции классического описания физической реальности. Ведь идеалом классического описания считалась динамическая детерминированная форма законов физики. Поэтому первоначально физики негативно относились к введению вероятности в статистические законы. Многие считали, что вероятность в законах свидетельствует о мере нашего незнания. Однако это не так. Статистические законы также выражают необходимые связи в природе. Действительно, во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную характеристику системы, ее уравнения движения по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент. Т.Я. Мякишев подчеркивает, что главное отличие статистических законов от динамических состоит в учете случайного (флуктуации). В философии давно выработано представление о диалектическом тождестве и различии противоположных сторон любого явления. В диалектике необходимое и случайное — это две противоположности единого явления, две стороны одной медали, которые взаимообуславливают друг друга, взаимопревращаются, не существуют друг без друга. Главное различие между динамическими и статистическими законами с философско-методологической точки зрения состоит в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью, а в динамических — как абсолютная противоположность случайного. А отсюда вывод: «Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас мира? статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания».

Источник

Макроскопический способ передачи энергии

1. Все макроскопические тела наряду с механической энергией обладают еще и внутренней энергией, обусловленной их внутренним строением и характером движения частиц, входящих в состав этих тел. При тепловых явлениях механическая энергия системы чаще всего остается неизменной, поэтому для описания таких явлений нужно знать лишь внутреннюю энергию системы. Под внутренней энергией понимают кинетическую энергию частиц, входящих в состав данного тела, и потенциальную энергию их взаимодействия. Вообще говоря, внутренняя энергия системы включает в себя и внутреннюю энергию частиц, входящих в состав тела. Однако в явлениях, изучаемых термодинамикой, частицы, из которых построено тело, остаются неизменными, а, следовательно, их внутренняя энергия постоянна. Это означает, что внутренняя энергия системы может быть определена только с точностью до некоторой постоянной. Но поскольку в процессах, происходящих в системе, интерес представляет только изменение ее внутренней энергии, то конкретное значение этой постоянной несущественно.

Из определения внутренней энергии системы следует, что она определяется скоростями частиц и расстоянием между ними (эти расстояния определяют потенциальную энергию взаимодействия между частицами) в данный момент времени и не зависит от значения этих величин в предыдущие моменты времени. Другими словами, внутренняя энергия системы зависит только от состояния, в котором система находится в данный момент времени, и не зависит от состояний, из которых она перешла в данное. По этой причине внутреннюю энергию, как и другие физические величины, обладающие этим свойством, называют функцией состояния. Это означает, что при переходе системы из состояния 1, в котором внутренняя энергия имела значение U₁, в другое состояние 2 с внутренней энергией U₂, изменение внутренней энергии, равное , зависит только от значений U₁ и U₂ и не зависит от способа перехода системы из первого состояния во второе.

Итак, внутренняя энергия – внутренний параметр термодинамической системы, однозначно определяющийся ее состоянием. Внутренняя энергия подчиняется закону аддитивности: энергия системы равна сумме энергий систем, ее составляющих. В качестве конкретной термодинамической системы рассмотрим идеальный газ. Его состояние можно описать пятью параметрами: P, V, T, m и μ (m – масса газа, μ – молекулярная масса), которые связаны уравнением состояния

(4.15)

и является функцией температуры. При переходе этой системы из состояния 1, определяемое температурой T₁, в состояние с температурой T₂ изменение внутренней энергии равно

2. Изменить внутреннюю энергию системы можно двумя различными способами. Говорят, что существуют два «канала», посредством которых система обменивается энергией с окружающей средой. Если внешнее воздействие на систему носит механический характер, то изменение ее энергии определяется работой внешних сил. Работа не является формой энергии, это лишь один из способов передачи энергии, это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур. Например, поршень перемещается в цилиндре, заполненном газом (рис. 4.6), на расстояние под действием силы . При этом совершается работа. Количество энергии, переданное системой (системе) в процессе механического воздействия, называется работой. Обозначают ее буквой A. Работу A принято считать положительной, если она совершается системой (энергия передается от системы внешним телам). Если работа совершается над системой, то работа считается отрицательной. Работу можно вычислить, зная изменение параметров самой системы. Так, например, при изобарном расширении газа работа силы при перемещении поршня на равна . Поскольку F = РS, где P – давление газа, S – площадь поршня, то . Так как – изменение объема газа, то работа изобарного расширения газа равна

(4.16)

На рис. 4.7 видно, что работа расширения газа при изобарном процессе представляется площадью заштрихованного прямоугольника. Покажем, что в любом процессе работа расширения газа от объема V₁ до объема V₂ графически может быть представлена площадью, ограниченной графиком процесса и ординатами, соответствующими значениям объемов V₁ и V₂ в начальном и конечном состояниях (рис. 4.8). Пусть система совершила переход из состояния 1 в состояние 2 и расширилась при этом от объема V₁ до объема V₂. Разобьем процесс расширения системы на этапы столь малого расширения , в пределах каждого из которых давление можно считать постоянным (фактически оно изменяется пренебрежимо мало). Тем самым процесс 1-2 заменяется последовательностью следующих друг за другом изобарных процессов. Пусть число элементарных расширений – n. Работа на каждом таком этапе равна . Вся работа расширения газа от объема V₁ до объема V₂ равна сумме элементарных работ, то есть

(4.17)

На рис. 4.8 полная работа представляется площадью заштрихованной фигуры. Очевидно, что последнее заключение выполняется тем точнее, чем больше n. Подводя итог, следует особо подчеркнуть, что работа является функцией процесса. 3. Второй способ изменения внутренней энергии связан с внешним воздействием, при котором изменение энергии системы происходит на молекулярном уровне без совершения макроскопической работы в результате хаотического теплового движения на границе рассматриваемой системы с внешними телами. Сообщить какому-либо телу количество теплоты, то есть нагреть его, означает передать ему энергию строго определенным образом (используя разность температур между более и менее нагретым телом). Охладить объект – это значит произвести действие, обратное нагреванию, то есть отвести от него энергию, используя разность температур между охлаждаемым и более холодными телами. Таким образом, теплота – это отнюдь не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии.

Количественной мерой изменения энергии при таком способе, называемом теплопередачей, является количество теплоты, переданное системе. Обозначается эта величина через Q. Теплота Q считается положительной, если она передается от внешних тел системе, и отрицательной, если она передается от системы внешним телам.

Подчеркнем еще раз, что макроскопическая работа и количество теплоты – это не формы энергии, а только различные способы ее изменения и передачи от одного тела к другому. В то время как энергия характеризует состояние системы, теплота и работа характеризуют изменение состояния, то есть происходящие в системе процессы. Других способов передачи энергии при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой, кроме работы и теплоты, не существует.

Работа и теплота, будучи эквивалентными, в качестве возможных способов передачи энергии оказываются не вполне эквивалентными с точки зрения их взаимных переходов друг в друга. Различие, или, как говорят, асимметрия перехода «работа–тепло» и «тепло–работа», станет предметом дальнейшего рассмотрения, а пока отметим, что работа предполагает перенос энергии с использованием упорядоченного движения частиц окружающей систему среды. Совершая над системой работу, мы вынуждаем ее частицы двигаться упорядоченно, и наоборот, если система совершает работу над окружающей средой, она вызывает в ней упорядоченное движение.

Теплота означает перенос энергии с использованием неупорядоченного движения частиц окружающей среды. При нагревании системы мы всегда вынуждаем ее частицы двигаться неупорядоченно, наоборот, когда теплота переходит от системы к окружающей среде, в ней возникает неупорядоченное движение. Именно отмеченное различие между теплотой и работой положено в основу микроскопического обоснования асимметрии при их взаимном преобразовании. Передачей энергии путем совершения работы и путем теплообмена обусловлены все процессы, происходящие с термодинамической системой. Такая передача энергии не должна сопровождаться переходом вещества от внешних тел к системе или от системы к внешним телам.

Источник