Учебно-методический комплекс дисциплины «Молекулярная физика» (стр. 14 )

Температура термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, обладает следующими свойствами:

Если две равновесные термодинамические системы, находятся в тепловом контакте и имеют одинаковую температуру, то совокупная

термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия при той же температуре.

Если какая-либо равновесная термодинамическая система имеет одну и ту же температуру с двумя другими системами, то эти три системы находятся в термодинамическом равновесии при одной и той же температуре.

Таким образом, температура есть мера состояния термодинамического равновесия. Для установления этой меры уместно ввести понятие теплопередачи.

Теплопередачей называется передача энергии от одного тела к другому без переноса вещества и совершения механической работы.

Если между телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом, теплопередача отсутствует, то тела имеют одинаковые температуры и находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом.

Если в изолированной системе, состоящей из двух тел, эти тела находятся при разных температурах, то теплопередача будет осуществляться таким образом, чтобы энергия передавалась от более нагретого тела менее нагретому. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температуры тел не сравняются, и изолированная система из двух тел не достигнет состояния термодинамического равновесия.

Для возникновения процесса теплопередачи необходимо создание потоков теплоты, то есть требуется выход из состояния теплового равновесия. Поэтому равновесная термодинамика не описывает процесс теплопередачи, а только его результат - переход в новое равновесное состояние. Описание самого процесса теплопередачи выполнено в шестой главе, посвящённой физической кинетике.

Следует отметить, что если одна термодинамическая система обладает более высокой температурой, чем другая, то она не обязательно будет обладать и большей внутренней энергией, несмотря на возрастание внутренней энергии каждой системы с повышением её температуры. Например, больший объём воды может обладать большей внутренней энергией даже при более низкой температуре, чем у меньшего объёма воды. Однако, в этом случае теплопередача (перенос энергии) будет происходить не от тела с большей внутренней энергией к телу с меньшей внутренней энергией, а наоборот, так как направление переноса энергии определяется не величинами внутренних энергий систем, а их температурами.

       Большинство термодинамических систем находятся в состоянии постоянного теплообмена с окружающими телами.

Первое начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии термодинамической системы (тела) может быть осуществлено двумя путями: путём совершения механической работы и путём теплопередачи. Энергия, переданная системе путём теплопередачи, называется количеством теплоты .

Таким образом, количество теплоты может быть определено как разность изменения внутренней энергии системы и механической работы, совершённой над системой:

,                                                        (3.1)

где Q - количество теплоты, переданной системе, - изменение внутренней энергии системы при её переходе из первого состояния во второе, - работа, совершённая над системой.

Так как работа, совершенная над системой , равна работе, совершенной системой , взятой с обратным знаком: , то первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом:

Теплота , подводимая к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение этой системой работы над внешними телами:

.                                                        (3.2)

Если к термодинамической системе подводится элементарное количество теплоты , то оно расходуется на изменение внутренней энергии dU и совершение элементарной работы :

.                                                        (3.3)

Отметим принципиальное отличие величины dU и величин и . Величина dU представляет собой полный дифференциал, то есть бесконечно малое изменение величины U, и поэтому интеграл от неё равен разности внутренних энергий системы в двух состояниях, конечном и начальном:

.                                                        (3.4)

Интегралы (суммы) от малых величин и являются количеством теплоты Q12, переданной системе, и работой A12, совершенной системой при ее переходе из первого состояния во второе:

                                                               (3.5)

                                                               (3.6)

В отличие от внутренней энергии, являющейся функцией состояния, теплота и работа функциями состояния не являются, а зависят от того, каким образом система переведена из одного состояния в другое.

С учетом формул (3.4) - (3.6)  интегрирование выражения (3.3) дает

.                                                (3.7)

Эта формула представляет собой запись первого начала термодинамики применительно к случаю перехода термодинамической системы из некоторого первого состояния во второе.

По своему физическому смыслу первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения (изменения) энергии в термодинамике. Если, согласно закону изменения энергии в механике, работа неконсервативных сил равна приращению механической энергии системы (в частности, имеющая отрицательный знак работа сил трения равна уменьшению механической энергии

системы), то, согласно первому началу термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме работы внешних сил, совершенной над системой, и энергии, переданной системе путём теплопередачи.

Внешние силы (как и в механике) могут приводить к возникновению внутренних сил. Например, в опыте Джоуля, работа внешних сил приводит к увеличению внутренней механической энергии воды в неравновесном состоянии (возникновению в ней потоков), а работа внутренних сил трения переводит эту механическую энергию во внутреннюю тепловую энергию воды в равновесном состоянии (кинетическую энергию микроскопического движения молекул воды).

В опыте Джоуля пренебрегалось изменением объёма воды (хотя именно изменение объёма воды характеризует, при неизменном внешнем давлении, изменение состояния воды) и считалось, что механическая работа совершается без изменения объёма системы. При этом работа диссипативных сил (вязкого трения) приводила к росту внутренней энергии системы.

Если бы в опыте Джоуля силы вязкого трения отсутствовали (например, вместо воды был бы использован не имеющий вязкости сверхтекучий гелий), то вся потенциальная энергия опускающихся грузов переходила бы в их кинетическую энергию и кинетическую энергию шкивов без изменения термодинамического состояния жидкости.