Термодинамическая работа - NiNa.Az

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 (работа как способ/форма передачи энергии, работа как форма обмена энергией, работа как особый вид энергии в процессе перехода (энергия в пути), то есть как функционал процесса, «не существующий» до процесса, после процесса и вне процесса, но воображаемый), так и количественную меру этого действия, то есть величину передаваемой энергии. 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.

Исходное понятие работы термодинамика заимствует из механики. Механическая работа определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения точки приложения силы:

${\displaystyle \delta A=({\overrightarrow {F}}{\overrightarrow {dr}}),}$

где ${\displaystyle {\overrightarrow {F}}}$ — сила, а ${\displaystyle {\overrightarrow {dr}}}$ — элементарное (бесконечно малое) перемещение. 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 ${\displaystyle (p)}$ и изменения объёма ${\displaystyle (dV)}$:

${\displaystyle \delta A=pdV,}$

или в интегральной форме:

${\displaystyle A_{1,2}=\int _{1}^{2}pdV=P_{m}(V_{2}-V_{1}).}$

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 ${\displaystyle F_{i}}$ как множителя пропорциональности между величинами элементарной работы ${\displaystyle \delta A_{i}}$ и обобщённого перемещения (обобщённой деформации, обобщённой координаты) ${\displaystyle dx_{i}}$, где ${\displaystyle i=1,2,...n,~n}$ — число степеней свободы:

${\displaystyle \delta A=\sum _{i=1}^{n}F_{i}dx_{i}.}$

Величина работы зависит от пути, по которому термодинамическая система переходит из состояния ${\displaystyle 1}$ в состояние ${\displaystyle 2}$, 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 ${\displaystyle A}$, в соответствии с рекомендациями ИЮПАК работу в химической термодинамике следует обозначать как ${\displaystyle W}$ , а в технической термодинамике работа обычно обозначается буквами ${\displaystyle L}$ (мольная) и ${\displaystyle l}$ (удельная). Впрочем, авторы могут использовать какие угодно обозначения, если только дадут им расшифровку.

См. также

• Энергия
• Внутренняя энергия
• Количество теплоты
• Первое начало термодинамики

Примечания

1. Физическая энциклопедия, т. 4, 1994, с. 193.
2. Путилов, 1971, с. 51.
3. Крутов В.И. и др., Техническая термодинамика, 1991, с. 19.
4. Герасимов, 1970, с. 25.
5. Сычёв, 2010, с. 9.
6. Валле, 1948, с. 145—146.
7. Белоконь, 1954, с. 19, 21.
8. 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
9. 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.
• В. И. Крутов, Исаев С. И., Кожинов И. А. и др. Техническая термодинамика / Под. ред. В. И. Крутова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1991. — 384 с. — ISBN 5-06-002045-2.
• 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.