Главная > Разное > Машины, энергия, энтропия
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ТЕПЛОТА И РАБОТА — НЕ ОДНО И ТО ЖЕ

Мы собираемся немного поговорить по поводу различия между тем, что мы называем теплотой, и тем, что мы называем работой. Приведем здесь для ясности и возможности дальнейших ссылок наше определение) теплоты (точнее, теплообмена. — Ред.).

Теплотой или тепловым взаимодействием мы называем взаимодействие между горячим и холодным телами, которые находятся в контакте друг с другом.

Обычно горячее тело становится холоднее, а холодное — теплее до тех пор, пока они не окажутся одинаково нагретыми. Если никакого дальнейшего теплового взаимодействия не происходит, это означает, что два тела находятся в состоянии теплового равновесия. Равновесием мы называем такое состояние системы или системы и ее окружения, когда никакие изменения невозможны, так как все силы в точности уравновешены. Различие в степени нагретости является движущей силой, вызывающей взаимодействие, которое мы называем тепловым. Когда два объекта находятся в состоянии теплового равновесия, их степень нагретости одинакова.

Иногда тепловое взаимодействие может приводить не к изменению степени нагретости тел, а к изменению их агрегатного состояния, или фазы. В качестве примеров можно назвать плавление льда (переход от твердой фазы к жидкой) или испарение воды (переход от жидкой фазы к газообразной). Тепловому взаимодействию между телами могут препятствовать слой дерева, одежда, мех, перья и т. п. Мы называем эти материалы тепловыми изоляторами. Если мы не уверены, что взаимодействие между двумя телами является тепловым, то можем проверить это, поместив теплоизолятор между телами. Если наблюдаемое изменение в каком-либо из тел начнется позднее или будет происходить медленнее при наличии изолятора, то определенную роль в этом играет и тепловое взаимодействие.

До сих пор мы много говорили о теплоте и теплообмене, а как же обстоит дело с работой? Дадим ее определение:

Работа есть любое взаимодействие, которое не является тепловым.

Вероятно, не всем читателям понравится это определение, по оно отнюдь не плохое. Термодинамика делит все взаимодействия (кроме обмена веществом) на взаимодействия, осуществляющиеся посредством теплообмена, и взаимодействия, осуществляющиеся посредством совершения работы. Следовательно, операционное определение одного из них методом исключения определяет и другое.

Конечно, чтобы понять любое из определений, необходимо точно знать, что такое взаимодействие. Взаимодействие между системой (телом или совокупностью тел) и средой (или другой системой) существует, если существует корреляция, или соответствие, между наблюдаемым изменением в системе и наблюдаемым изменением в среде или в другой системой) существует, если существует корреляция, или соответствие, между наблюдаемым изменением в системе и наблюдаемым изменением в среде или в другой системе.

Мы можем не знать природу взаимодействия или не понимать механизм, с помощью которого оно происходит, но если существует закономерное соответствие между изменением в системе и изменением в среде, то мы категорически утверждаем, что между ними существует взаимодействие.

Мы не можем видеть, обонять, слышать или чувствовать силовое поле между магнитом и стрелкой компаса, по мы замечаем, что всегда, когда магнит движется, стрелка также движется. Следовательно, должно существовать взаимодействие, и мы придумали магнитное поле, чтобы объяснить его. В действительности мы не можем непосредственно наблюдать, что происходит, когда горячий и холодный предметы приводятся в контакт. Мы наблюдаем следствие того, что происходит, а именно охлаждение горячего предмета и нагревание холодного. То, что происходит, мы называем взаимодействием, точнее, теплообменом. Если мы сомневаемся в данном конкретном случае, то можем установить характер взаимодействия, воспользовавшись теплоизолятором. Положим кусок теплоизолятора между телами и посмотрим, повлияет ли это на скорость изменений в каждом теле. Если она уменьшится, то имеет место тепловое взаимодействие; если эффект отсутствует, то взаимодействие осуществляется с помощью работы.

Можно дать более позитивное определение работы. Многие преподаватели и авторы учебников предпочитают такое определение, сформулированное в 1873 г. Джозайей Уиллардом Гиббсом, который был в то время никому не известным профессором Иельского университета, а теперь признан всеми как один из создателей современной термодинамики. Вот это определение, выраженное несколько иными словами:

Работа представляет собой такое взаимодействие между системой и средой, единственным результатом которого является или могло бы являться поднятие груза либо в системе, либо в окружающей среде.

Если груз поднимается (или может быть поднят) в среде, то говорят, что система совершает положительную работу над средой. Если груз поднят (или может быть поднят) в системе, то говорят, что система совершила отрицательную работу над средой или что среда совершила положительную работу над системой. Трудность в этом определении заключена в выражении: «Единственным его результатом могло бы являться...». Не всегда легко решить, что могло бы произойти. Наблюдатель должен быть всеведущим, чтобы прийти к такому решению во всех возможных случаях.

Рис. 1.1. Не всегда то, что мы имеем в действительности, совпадает с тем, что нам кажется. Взаимодействие, единственным результатом которого могло бы быть поднятие груза, является работой независимо от того, что Что могло бы произойти происходит на самом деле.

Рассмотрим пример, показывающий, почему иногда легко ошибиться в том, что могло бы произойти.

Пусть имеется электрическая батарея, соединенная последовательно с выключателем и электроплиткой. На плитке стоит сосуд с водой (рис. 1.1.). Системой, т. е. телом, которое мы рассматриваем, является батарея. Чтобы установить ее связи со средой (включающей все остальные тела), на рисунке вокруг батареи проведена пунктирная линия, представляющая границу. Теперь замкнем выключатель. Батарея разрядится через плитку, и вода нагреется. Какое взаимодействие имело место между батареей и средой: теплота или работа? Ответ, возможно, некоторых удивит: была совершена работа! Почему? Батарея могла бы разрядиться через электромотор, который вращает ворот, поднимающий груз. Приняв необходимые меры, можно уменьшить трение в подшипниках мотора и ворота до пренебрежимо малой величины. Мотор можно было бы сделать со сверхпроводящими обмотками, не имеющими электрического сопротивления, и он бы совсем не нагревался. Если бы мы проявили достаточно искусства, то могли бы создать ситуацию, в которой единственным событием, происходящим в среде (вне границы), было бы поднятие груза. В этих условиях рассматриваемое взаимодействие, согласно нашему позитивному определению, следовало бы считать совершением работы.

Предположим теперь, что мы можем перенести батарею, нагреватель и сосуд с водой на несколько тысячелетий назад, и пусть Чарли попробует ответить на вопрос. Если мы дадим ему определение работы, включающее подъем груза, он станет в тупик, так как он никогда не слышал об электромоторе. Однако он легко может использовать наше определение теплоты, чтобы правильно ответить на вопрос.

Он может обернуть батарею медвежьей шкурой и убедиться на опыте, что это никак не изменяет скорости нагревания воды. Следовательно, взаимодействие не может быть тепловым, потому оно должно осуществляться путем работы. Конечно, поскольку провода должны проходить сквозь шкуру, Чарли должен был бы спросить, не может ли через провода осуществляться тепловое взаимодействие, достаточное для нагрева плитки и воды. Он мог бы устранить эту возможность, пропустив провода через сосуд с горячей, а затем с ледяной водой или изменяя длину проводов. При этом он опять не обнаружил бы никакого различия в скорости нагрева. Поскольку в случае теплового взаимодействия все такие изменения вызывали бы изменение скорости нагрева, Чарли мог бы прийти к заключению, что в данном случае взаимодействие не должно быть тепловым.

Следует подчеркнуть, что мы говорим о взаимодействии между батареей и окружающей средой. Если бы мы определили систему так, чтобы в нее входили плитка и батарея, по не входил сосуд с водой, т. е. если бы мы провели границу между плиткой и сосудом с водой так, как показано на рис. 1.2, то взаимодействие через эту границу было бы действительно тепловым. Медвежья шкура Чарли замедлила бы его. Следует быть очень внимательным в формулировках, ибо то, что происходит, часто зависит от способа определения объектов, особенно от определения системы.

Хотя описанный тест с теплоизолятором для установления теплового характера взаимодействия прост и привлекателен,существуют ситуации, когда он может привести к ошибке.

Рис. 1.2. Многое зависит от того, где провести границу системы. Если система включала бы все, что подвергается изменениям, то не было бы никакого взаимодействия — ни теплового, ни посредством работы.

Вещества, замедляющие тепловое взаимодействие, могут одновременно влиять и на другие взаимодействия, связанные с совершением работы. Примером такого рода могут служить электромагнитные волны, проходящие через границу системы. В частном случае теплообмена посредством излучения такие волны вызывают, очевидно, тепловое взаимодействие. С другой стороны, нетепловое (когерентное) излучение в форме радиоволн и лазерных пучков обычно не вращает моторы, которые поднимают грузы, но в принципе это возможно. Такое излучение ослабляется или отражается зеркальными поверхностями того же типа, какие используются для ослабления теплообмена посредством теплового излучения. Таким образом, как и определение работы, данное Гиббсом, простой тест с теплоизолятором может потребовать в некоторых ситуациях исчерпывающего понимания физики явления и знания природы всех сопровождающих его процессов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление