МЫ РОЖДЕНЫ… часть3

ЗАКОН — ЕСТЬ ЗАКОН

Название франко-итальянского фильма с участием Фернанделя

 

От работы и конь дохнет

Русская народная пословица

 

Прежде чем приступить к рассмотрению Первого Закона Термодинамики, очень полезно вспомнить некоторые элементарные сведения из физики, которые помогут впоследствии более четко осознать его влияние на жизнедеятельность.

 

1. Сила — (обозначение — F ) мера воздействия на предмет извне, измеряется в ньютонах (обозначение ньютона — Н), 1 ньютон равен 1 кг массы, умноженный на 1 метр и деленный на 1 секунду в квадрате:

 

 

 

Для того чтобы ощутить величину 1 ньютона, можно представить себе такую ситуацию: 1 ньютон — это такая сила, приложив которую, мы можем за 1 секунду переместить строго горизонтально без трения до того покоящийся груз массой 1 кг на 1 метр.

Механическая работа — (обозначение — L ) произведение силы на путь, измеряется в джоулях (обозначение — Дж), 1 джоуль равен произведению 1 ньютона на 1 метр пути:

 

 

При этом обычно рассматривают следующий пример:

 

 

На плоскости покоится некоторое тело массой m, которое под действием силы тяжести G = m·g , где g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с², прижимается к плоскости движения. Тело перемещают слева — направо на величину пути S. При этом возникает сила трения F_ТР, противодействующая движению и равная произведению силы тяжести G на коэффициент трения f_ТР. Для того чтобы тело двигалось равномерно (без ускорений) и прямолинейно, его нужно “тащить” с силой F, которая равна силе трения F_ТР. В этом случае работа, которая будет совершена, окажется равной произведению F·S.

 

Пусть тело имеет массу 1 кг, коэффициент трения — 0,1, а пройденный путь — 1 м. В этом случае вес (сила веса) G = 9,81 Н, сила трения F_ТР и усилие F, с которым мы “тащим” тело, равны 0,981 Н, а механическая работа L, которую мы совершим, передвинув тело на 1 метр, будет равна 0,981 Дж (примерно 1 Дж).

 

 

 

3. Мощность — (обозначение — N) работа, произведенная в единицу времени, измеряется в ваттах (сокращенно — Вт). 1 ватт — мощность, соответствующая произведенной работе величиной в 1 джоуль за 1 секунду.

 

 

 

4. Энергия — (обозначение — Е ) единая количественная мера движения материи во всех формах ее проявления, измеряется в джоулях. Существует в различных видах — механическая, тепловая, электромагнитная и т.д.

 

4.1. Механическая энергия — подразделяется на потенциальную (Е_П) и кинетическую (Е_К).

 

4.1.1 Потенциальная энергия Е_П — “законсервированная” энергия. Это, например, энергия, хранящаяся в поднятом теле или в деформированной пружине и т.д. Если мы подняли какой-либо предмет на некоторую высоту, или сжали пружину, то мы затратили работу, зависящую от массы предмета и высоты подъема, от жесткости пружины и величины ее деформации. Если теперь мы прекратим удерживать массивный предмет или пружину и дадим им вернуться в исходное состояние, то мы “вернем” затраченную работу. Массивный предмет, например, совершит удар по свае или гвоздю, пружина вытолкнет дискету из дисковода и т.д.

 

 

 

4.1.2.Кинетическая энергия — Е_К — энергия, которой обладает движущееся со скоростью v тело массой m, — Е_К = mv²/2. Если во время движения соскоростью v₁ тело массой m преодолевает какое-либо препятствие и затем снова продолжает движение с меньшей скоростью v₂, то энергия Е_К(1-2) , которую оно передаст препятствию, будет равна — Е_К(1-2) = m(v₁² — v₂²)/2. Именно так “отбирается” энергия у движущейся воды в гидроэлектростанциях или энергия движущегося воздуха в ветроэнергетических установках.

 

5. Температура — (обозначение — Т), мера интенсивности теплового движения молекул, степень “нагретости” тела, измеряется в градусах Кельвинах (К) — абсолютная температура и в градусах Цельсия (С).

 

Разность температур, измеренная в К или в С одинакова (один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия), но шкалы разные. Так, например, 0⁰ Цельсия соответствует +273,15⁰ Кельвина. Знак “+” поставлен условно, шкала Кельвина знаков не имеет, и 0⁰ К соответствует состоянию полного покоя молекул, т.е. состоянию, которое достижимо только теоретически (материя “мертва”), что по шкале Цельсия, имеющей положительные и отрицательные знаки, соответствует ‑273,15⁰.

 

6. Тепловая энергия, теплота — (обозначение — Q), количественная мера, показывающая, сколько энергии в тепловом виде подведено или отведено от отдельного тела или системы тел, измеряется в джоулях.

 

Подводимая (или отводимая) тепловая энергия расходуется (уходит) на изменение температуры (внутренней энергии) тела и на совершение работы. Для пояснения данного явления рассмотрим следующий пример.

Предположим, что в абсолютно нетеплопроводном цилиндре (изолированном от окружающей среды) находится порция газа, ограниченная абсолютно герметичным поршнем. Если мы очень медленно подведем к газу ограниченное количество теплоты Q, то газ нагреется, и давление его повысится (все знают, что при нагреве тела расширяются). Возросшее давление начнет перемещать поршень из положения А в направление точки Б, при этом будет совершаться механическая работа, затрачиваемая на преодоление сил трения между поршнем и стенками цилиндра и против давления внешней среды. Поскольку газ изолирован от окружающей среды, а количество переданной ему теплоты Q конечно, в конце концов, поршень остановится в точке Б.  

 

 

 

Феноменологически (словесно) это процесс можно описать так: подведенная в изолированной системе теплота израсходована на повышение внутренней энергии газа (его температуры) и совершение механической работы.

Обозначив внутреннюю энергию как U, мы можем записать классическое уравнение Первого Закона термодинамики в виде:

 

 

 

В этом уравнении знак  означает приращение (прирост, разность между начальным и конечным состоянием), которое может быть как положительным (энергия подводится, внутренняя энергия повышается), так и отрицательным (теплота отводится, внутренняя энергия понижается). Величина L также может быть положительной (газ расширяется и совершает работу) и отрицательной (над газом совершается работа и он сжимается).

 

7. Теплоемкость — (обозначение — С), характеризует количество теплоты, необходимое для нагрева тела, обычно используется удельная теплоемкость — количество теплоты, затрачиваемое на нагрев одного килограмма массы на один градус, измеряется в Дж/кг·градус.

 

При расчете газовых процессов различают теплоемкость при постоянном давлении (С_Р) и постоянном объеме (С_V), при расчетах нагрева твердых тел и жидкостей при атмосферном давлении, обычно, используют величину С_Р. Теплоемкость зависит от температуры, поэтому чаще всего в небольшом диапазоне температур (до 100⁰) используют ее средние значения.

Удельная теплоемкость некоторых веществ (С_Р, кДж/кг*градус)

 

 

Вещество	СР	Вещество	СР	Вещество	СР
Воздух	1,005	Асбест	0,837	Бетон сухой	0,84
Лед	2,300	Мел	0,880	Парафин	2,26
Бумага	1,507	Графит	0,837	Железобетон	0,84
Картон	1,507	Слюда	0,879	Кирпич сухой	0,88
Текстолит	1,500	Тефлон	1,050	Пенокерамика	0,84
Фарфор	1,089	Вода	4,200	Алюминий	0,90

 

 

 

 

 

Примечание: кДж — означает — килоджоуль, т.е. 1000 Дж, соответственно — чтобы узнать величину С_Р в Дж/кг·градус, нужно данные, приведенные в таблице, умножить на 1000.

 

8. Теплотворная способность — (обозначение — С_В), количество тепловой энергии, выделяющейся при сгорании вещества, обычно используют удельную величину С_В, измеряемую в Дж/кг.

 

Величина С_В для некоторых видов топлива, кДж/кг :

Водород — 11500, природный газ 36000, каменный уголь бурый — от 10000 до 17000, антрацит — от 19000 до 27000, дрова — 10000, горючие сланцы — 6300-8400, торф — 8400-11000, бензин — 44100, керосин — 43000, дизельное топливо — 42700, мазут — 40000, этиловый спирт — 27200. 

То есть, например, если сжечь 1 кг водорода, то выделится 11500 килоджоулей тепловой энергии.

                 9. Теплопроводность — способность вещества проводить теплоту, в расчетах используют коэффициент теплопроводности , который измеряется в Вт/м·градус. Если = 1, это означает, что через стенку толщиной в 1 метр при перепаде на ней температуры в 1 градус интенсивность “пропускания” энергии будет равна 1 Вт.

Чтобы определить количество теплоты, прошедшей за время через стенку площадью F и толщиной  с разностью температур на поверхностях стенки равной (Т₁ — Т₂), необходимо воспользоваться формулой:

 

 

Сравнение теплопроводности λ некоторых материалов

Необходимо отметить очень важное следствие Первого Закона термодинамики (см. уравнение 1) — теплота и работа эквивалентны друг другу. Это означает, что механическая работа имеет тепловой эквивалент, то есть, совершенная механическая работа всегда снова превращается в теплоту.

Это очень хорошо иллюстрируется процессом трения. Если мы будем совершать механическую работу, допустим, перемещая какой-либо предмет по плоскости, то вся наша работа уйдет на преодоление сил трения, в результате которого и само тело и плоскость, по которой мы его “тащим”, нагреются на величину, зависящую от затраченной работы, теплоемкости материалов, из которых изготовлены трущиеся тела, и их массы. Если система тел не изолирована от окружающей среды, то эта теплота в течение некоторого времени будет рассеяна и уйдет на нагрев этой среды.

 

Выделившуюся в результате превращения работы L₁ в теплоту (тепловую энергию) можно снова собрать и снова превратить в механическую работу L₂, однако невозможно добиться равенства L₁ = L₂ , поскольку реально в процессе превращения теплоты в работу и наоборот неизбежны потери, определяющие КПД (коэффициент полезного действия) системы, который, как известно, не может быть равным или больше единицы.