Термодинамическая работа
Под работой в термодинамике, в зависимости от контекста, понимают как действие обмена энергией между термодинамической системой и окружающей средой, не связанное с переносом вещества и/или теплообменом[1] (работа как способ/форма передачи энергии[2], работа как особый вид энергии в процессе перехода[3], то есть как функционал процесса, «не существующий» до процесса, после процесса и вне процесса[4]), так и количественную меру этого действия, то есть величину передаваемой энергии[1]. Общая черта всех видов термодинамической работы — изменение энергии объектов, состоящих из очень большого числа частиц, под действием каких-либо сил: поднятие тел в поле тяготения, переход некоторого количества электричества под действием разности электрических потенциалов, расширение газа, находящегося под давлением, и другие. Работа в различных ситуациях может быть качественно своеобразна, но любой вид работы всегда может быть полностью преобразован в работу поднятия груза и количественно учтён в этой форме[3].
Исходное понятие работы термодинамика заимствует из механики. Механическая работа определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения точки приложения силы:
- δA=(F→dr→),{displaystyle delta A=({overrightarrow {F}}{overrightarrow {dr}}),}
где F→{displaystyle {overrightarrow {F}}} — сила, а dr→{displaystyle {overrightarrow {dr}}} — элементарное (бесконечно малое) перемещение[5].
Современная термодинамика, следуя Клаузиусу, вводит понятие обратимой или термодинамической работы.
В случае простой термодинамической системы (простого тела) термодинамической работой называется работа сжимаемого тела в зависимости от абсолютного давления (p){displaystyle (p)} и изменения объёма (dV){displaystyle (dV)}:
- δA=pdV,{displaystyle delta A=pdV,}
или в интегральной форме:
- A1,2=∫12pdV=Pm(V2−V1).{displaystyle A_{1,2}=int _{1}^{2}pdV=P_{m}(V_{2}-V_{1}).}
Интегральное определение удельной термодинамической работы изменения объёма возможно лишь при наличии уравнения процесса в форме уравнения связи давления и удельного объёма рабочего тела.
В общем определении термодинамической работы любых тел и систем тел используется термин обобщённой силы Fi{displaystyle F_{i}} как множителя пропорциональности между величинами элементарной работы δAi{displaystyle delta A_{i}} и обобщённого перемещения (обобщённой деформации, обобщённой координаты) dxi{displaystyle dx_{i}}, где i=1,2,...n, n{displaystyle i=1,2,...n,~n} — число степеней свободы:
δA=∑i=1nFidxi.{displaystyle delta A=sum _{i=1}^{n}F_{i}dx_{i}.}[6]
Величина работы зависит от пути, по которому термодинамическая система переходит из состояния 1{displaystyle 1} в состояние 2{displaystyle 2}, и не является функцией состояния системы. Это легко доказать, если учесть, что геометрический смысл определённого интеграла — площадь под графиком кривой. Так как работа определяется через интеграл, то в зависимости от пути процесса площадь под кривой, а значит, и работа, будет различна. Такие величины называют функциями процесса.
Несмотря на то, что до сих пор и в физической химии используется обозначение работы A{displaystyle A}, в соответствии с рекомендациями ИЮПАК работу в химической термодинамике следует обозначать как W{displaystyle W} [7]. Впрочем, авторы могут использовать какие угодно обозначения, если только дадут им расшифровку[8].
См. также |
- Энергия
- Внутренняя энергия
- Количество теплоты
- Первое начало термодинамики
Примечания |
↑ 12 Физическая энциклопедия, т. 4, 1994, с. 193.
↑ Путилов, 1971, с. 51.
↑ 12 Герасимов, 1970, с. 25.
↑ Сычёв, 2010, с. 9.
↑ Валле, 1948, с. 145—146.
↑ Белоконь, 1954, с. 19, 21.
↑ англ. E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008), p. 56
↑ англ. E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008), p. 11
Литература |
- Белоконь Н. И. Термодинамика. — Госэнергоиздат, 1954. — 417 с.
- Валле Пуссен. Лекции по теоретической механике. Т. 1. — 1948. — 339 с.
- Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
- Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
- Сычёв В. В. Дифференциальные уравнения термодинамики. — 3-е изд. — М.: Изд-во МЭИ, 2010. — 251 с. — ISBN 978-5-383-00584-2.
- Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга—Робертсона эффект — Стримеры. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.
 | Для улучшения этой статьи по физике желательно: |
