Почему на полезную работу затрачивается лишь часть теплоты
Теплота — одно из наиболее важных понятий термодинамики. По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. И то и другое — и теплота и работа — являются формами передачи энергии. Поэтому не имеет смысла говорить, что тело обладает каким-то запасом теплоты или работы. Можно лишь констатировать, что телу сообщена (или от тела отнята) определенная теплота или определенная работа.
Различие между теплотой и работой состоит в том, что они являются различными формами передачи энергии. Теплота представляет собой такую форму передачи энергии, которая определяется либо непосредственным контактом между телами (теплопроводность, конвекция), либо лучистым переносом энергии. Работа представляет собой иной механизм передачи энергии. В случае механической работы обязательно имеет место изменение объема тела.
Принято считать, что подвод теплоты связан с повышением температуры тела, определяемой энергией микрочастиц тела. В большинстве случаев так действительно и бывает. Но, как мы увидим в дальнейшем, бывает, что несмотря на подвод к телу теплоты его температура понижается. Все зависит от баланса энергии, подводимой к телу и отводимой от него. В частном, но наиболее распространенном случае изменение температуры тела определяется соотношением теплоты и механической работы, переданных телу и отнятых от него.
В 1844—1854 гг. английский физик Д. Джоуль провел опыты, которым было суждено сыграть большую роль в науке. Цель, которую поставил перед собой Джоуль, состояла в том, чтобы установить соотношение между работой, затрачиваемой при выделении теплоты, и количеством выделившейся теплоты. Схема опыта Джоуля была следующей:
Рис.1. Схема опыта Джоуля
В теплоизолированный медный сосуд 1, заполненный водой, погружена мешалка 2, снабженная лопатками. К стенкам сосуда также прикреплены лопатки 3, затрудняющие движение воды при вращении мешалки. Мешалка приводится во вращение посредством опускания связанного с ней тросом через блок 5 груза 4 весом G. При опускании на высоту Δz работа, производимая грузом (и, следовательно, мешалкой), равняется убыли потенциальной энергии груза GΔz. Теплота, выделившаяся в сосуде с водой, вычисляется по повышению температуры воды, измеряемой термометром.
Следует заметить, что еще до того, как была окончательно установлена природа теплоты, удалось разработать достаточно точные методы измерения теплоты (калориметрия). Масса воды была заранее измерена. Учитывалось поглощение теплоты стенками сосуда, лопатками и мешалкой. Теплоемкость воды и металла была известна. В результате серии тщательно поставленных опытов Джоуль установил, что между затраченной работой L и количеством полученной теплоты Q существует прямая пропорциональность:
Q = AL
А – коэффициент пропорциональности. Джоуль нашел, что коэффициент пропорциональности А всегда сохраняет одно и то же значение независимо от способа получения теплоты, вида работы, температуры тела и т.д.
Иными словами, Джоуль установил, что при затрате одного и того же количества работы выделяется всегда одно и то же количество теплоты. Таким образом, было показано, что количество полученной теплоты эквивалентно количеству затраченной работы; понятно, что это соотношение справедливо и при совершении работы за счет затраты теплоты.
По результатам своих измерений Джоуль вычислил величину А, которая носит наименование теплового эквивалента работы, и J — механического эквивалента теплоты:
А = 0,002345 ккал/(кгс*м) , и
J = 427 (кгс*м)/ккал
Как уже отмечалось, достаточно точные методы измерения теплоты (калориметрия) были разработаны еще в XVIII в., т.е. задолго до окончательного выяснения природы теплоты, на основе использования представлений о температуре и теплоемкости тела. В свое время наиболее часто употребляемой единицей измерения теплоты была калория, которую определяли как количество теплоты, необходимой для нагрева 1 г воды на 1 °С (соответственно килокалория, ккал, — это количество теплоты, необходимой для нагрева 1 кг воды на 1 °С). Однако впоследствии было обнаружено, что теплоемкость воды несколько изменяется с температурой и поэтому при разных температурах для нагрева 1 г воды на 1 °С требуются различные количества теплоты.
В этой связи потребовалось уточнить понятие калории, и была введена так называемая 15-градусная калория — количество теплоты, расходуемой на нагревание воды от 14,5 до 15,5 °С. В настоящее время для измерения количества теплоты и работы могут применяться различные единицы, соотношение между которыми приведено в табл. 1. Наиболее удобной для практического использования единицей является джоуль; ранее часто употреблялась международная (интернациональная) калория (1 калинт = 4,1868 Дж). Употреблялись также так называемая термохимическая калория (1 калтх = 4,1840 Дж) и упомянутая выше 15-градусная калория (1 кал15° = 4,1858 Дж).
Табл.1. Cоотношение между единицами измерения работы и теплоты
Вскоре после опытов Джоуля была разработана молекулярно-кинетическая теория вещества, в соответствии с которой теплота является энергией хаотического теплового движения микрочастиц, составляющих тело. Как правило, для упрощения обозначений в термодинамических уравнениях не используют коэффициенты А и J — теплоту и работу измеряют в одинаковых единицах.
Спасибо за просмотр данного материала. В следующий материал будет посвящен закону сохранения и превращения энергии.
Передача теплоты от нагретого тела к среде будет происходить до полного температурного равновесия с окружающей средой. Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты.
Это свойство теплоты резко отличает ее от работы.
Превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источником теплоты и теплоприемником. При этом вся теплота не может быть превращена в работу.
Закон, позволяющий указать направление теплового потока и устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах, представляет собой новый закон, полученный из опыта. Это и есть второй закон термодинамики, имеющий общее значение для всех тепловых процессов.
В 50-х годах прошлого столетия Клаузиусом была дана наиболее общая и современная формулировка второго закона термодинамики в виде следующего постулата: «Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой даровым процессом (без компенсации)». Постулат Клаузиуса, как и все другие формулировки второго закона, выражает собой один из основных, но не абсолютных законов природы, так как он был сформулирован применительно к объектам, имеющим конечные размеры в окружающих нас земных условиях.
В 1851 г. Томсоном была высказана другая формулировка второго закона термодинамики, из которой следует, что не вся теплота, полученная, от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только некоторая ее часть. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник.
Для получения работы необходимо иметь источник теплоты с высокой температурой, или теплоотдатчик, и источник теплоты с низкой температурой, или теплоприемник.Кроме того, постулат Томсона показывает, что построить вечный двигатель, который бы создавал работу за счет использования только одной внутренней энергии морей, океанов, воздуха не представляется возможным. Это положение можно формулировать как второй закон термодинамики: «Осуществление вечного двигателя второго рода невозможно» (Оствальд). Под вечным двигателем второго рода подразумевается такой двигатель, который способен целиком превращать в работу всю
теплоту, полученную только от одного источника.
1.19. Круговые термодинамические процессы.
В любом процессе расширения газа в цилиндре все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды и на этом прекратится получение работы.
Рис. 1.19.1
Следовательно, для повторного получения работы необходимо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние. Из рис. 1.19.1 следует, что если рабочее тело расширяется по кривой 1-3-2, то оно производит работу, изображаемую на p/v – диаграмме пл.13245. По достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвращено в начальное состояние (в точку 1), для того чтобы оно снова могло произвести работу. Процесс возвращения тела в начальное состояние может быть осуществлен тремя путями.
Кривая сжатия 2-3-1 совпадает с кривой расширения 1-3-2. В таком процессе вся полученная при расширении работа равна нулю.
Кривая 2-6-1 располагается над линией расширения 1-3-2; при этом на сжатие затрачивается большее количество работы (пл. 51624), чем ее будет получено при расширении (пл. 51324).
Кривая сжатия 2-7-1 располагается под линией расширения 1-3-2. В этом круговом процессе работа расширения (пл. 51324) будет больше работы сжатия (пл. 51724). В результате вовне будет отдана положительная работа, изображаемая пл. 13271 внутри замкнутой линии кругового процесса, или цикла.
Цикл в результате которого получается положительная работа, называется прямым циклом (или циклом теплового двигателя). Цикл называется обратным, в нем работа сжатия больше работы расширения. По обратным циклам работают холодильные установки.
Циклы бывают обратимые и необратимые. Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, называют обратимым. Рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям.
Если хоть один из процессов, входящих в состав цикла, является необратимым, то и весь цикл будет необратимым.
1.20. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов.
Следовательно, для создания теплового двигателя необходимо иметь бесконечно большое количество теплоотдатчиков, теплоприемников и рабочее тело.
На пути 1-3-2 (рис. 1.19.1) рабочее тело совершает удельную работу расширения , численно равную пл. 513245, за счет удельного количества теплоты .
На пути 2-7-1 затрачивается удельная работа сжатия , численно равная пл. 427154, часть которой в виде удельного количества теплоты отводится в теплоприемники, а другая часть расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела до начального состояния.
Эта работа .
Соотношение между удельными количествами теплоты и и положительной удельной работой определяется первым законом термодинамики
Так как в цикле конечное состояние тела совпадает с начальным, то внутренняя энергия рабочего тела не изменяется и поэтому .
Отношение удельного количества теплоты, превращенного в положительную удельную работу за один цикл, ко всему удельному количеству теплоты, подведенному к рабочему телу, называется термическим коэффициентом полезного действия прямого цикла:
(1.20.1)
Значение является показателем совершенства цикла теплового двигателя. Чем больше , тем большая часть подведенного удельного количества теплоты превращается в полезную работу. Термический КПД цикла всегда меньше единицы и мог бы быть равен единице, если бы или , чего осуществить нельзя.
Полученное уравнение (1.20.1) показывает, что все подведенное в цикле к рабочему телу удельное количество теплоты полностью превратить в удельную работу невозможно без отвода некоторого удельного количества теплоты в теплообменник.
В замкнутом круговом процессе теплота может превратиться в механическую работу только при наличии разности температур между теплоотдатчиками и теплоприемниками. Чем больше эта разность, тем выше КПД цикла теплового двигателя.
Рассмотрим теперь обратный цикл, который проходит в направлении против часовой стрелки и изображается на – диаграмме пл.13261 (рис. 20.1). Расширение рабочего тела в этом цикле совершается при более низкой температуре, чем сжатие, и работа расширения (пл.132451) получается меньше работы сжатия (пл. 162451). Такой цикл может быть осуществлен только при затрате внешней работы.
В обратном цикле от теплоприемников подводится к рабочему телу удельное количество теплоты и затрачивается удельная работа , переходящая в равное удельное количество теплоты, которые вместе передаются теплоотдатчикам:
.
Без затраты работы сам собой такой переход невозможен. Степень совершенства обратного цикла определяется так называемым холодильным коэффициентом цикла.
1.21. Прямой обратимый цикл Карно.
Указанный цикл изображен на – диаграмме (рис. 1.21.1)
Рис. 1.21.1
Для лучшего уяснения порядка осуществления данного цикла представим себе тепловую машину, цилиндр которой может быть по мере надобности как абсолютно теплопроводным, так и абсолютно нетеплопроводным. Сообщив рабочему телу удельное количество теплоты по изотерме 1-2, совершит работу. Расширяясь по адиабате 2-3 до температуры теплоприемника , совершит работу.
Термический КПД цикла:
.
Подведенное удельное количество теплоты по изотерме 1-2 определяем так:
.
Абсолютное значение отведенного удельного количества теплоты по изотерме 3-4 находим так:
.
Для адиабатного процесса расширения и сжатия соответственно имеем
и
Откуда
или .
Термический КПД обратимого цикла Карно зависит только от абсолютных температур теплоотдатчика и теплоприемника.
Рис. 1.21.2
Обратимый цикл Карно, осуществленный в интеграле температур и, изображается на –диаграмме прямоугольником 1234 (рис. 1.21.2)
1.22. Обратный обратимый цикл Карно.
Цикл Карно может протекать не только в прямом, но и в обратном направлении. На рис. 1.22.1 представлен обратный цикл Карно. Цикл состоит из обратимых процессов и в целом является обратимым.
Рис. 1.22.1
Рабочее тело от начальной точки 1 расширяется по адиабате 1-4 без теплообмена с внешней средой, при этом температура уменьшается до . Затем следует дальнейшее расширение газа по изотерме 4-3 с подводом теплоты , которое отнимается от источника с низкой температурой . Далее следует адиабатное сжатие 3-2 с увеличением температуры рабочего тела от до . В течение последнего процесса происходит изотермическое сжатие 2-1, во время которого к теплоприемнику с высокой температурой отводится удельное количество теплоты .
Рассматривая обратный цикл в целом, можно отметить, что затрачиваемая внешняя работа сжатия больше работы расширения на величину пл. 14321 внутри замкнутой линии цикла. Эта работа превращается в теплоту и передается вместе с теплотой источнику с температурой . Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла удельную работу , можно перенести от теплоприемника к теплоотдатчику единиц теплоты. При этом теплота, получаемая теплоприемником, .
Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной машиной.
Из рассмотрения обратного цикла Карно можно сделать вывод, что передача теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой, как это следует из постулата Клаузиуса, обязательно требует затраты энергии (не может совершаться даровым процессом без компенсации).
Характеристикой эффективности холодильных машин является холодильный коэффициент
, (1.22.1)
или для обратного цикла Карно
. (1.22.2)
Холодильный коэффициент обратного цикла Карно зависит от абсолютных температур и источников теплоты и обладает наибольшим значением по сравнению с холодильными коэффициентами других циклов, протекающих в тех же пределах температур.
После рассмотрения прямого и обратного циклов Карно можно несколько подробнее объяснить формулировку второго закона термодинамики, данную Клаузиусом.
Клаузиус показал, что все естественные процессы, протекающие в природе, являются процессами самопроизвольными их иногда называют положительными (или некомпенсированными) процессами и не могут «сами собой» без компенсации протекать в обратном направлении.
К самопроизвольным процессам принадлежат: переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому; превращение работы в теплоту; взаимная диффузия жидкостей или газов; расширение газа в пустоту и т. п.
К не самопроизвольным процессам относятся процессы, противоположные вышеприведенным самопроизвольным процессам: переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому; превращение теплоты в работу; разделение на составные части диффундировавших друг в друге веществ и т. п. Процессы не самопроизвольные возможны, но они никогда не протекают «сами собой», без компенсации. Когда в не самопроизвольных процессах происходит преобразование теплоты в работу, то одновременно с охлаждением теплоотдатчика происходит еще изменение термодинамического состояния одного или нескольких тел. Это изменение называют в термодинамике компенсацией превращения теплоты в работу. Приведем несколько примеров.
При изотермическом расширении идеального газа его внутренняя энергия остается без изменения, а вся сообщаемая газу теплота полностью превращается в работу. Компенсацией этого превращения теплоты в работу здесь является самопроизвольный процесс расширения газа. Если бы, не меняя температуры, вернуть объем газа к начальному состоянию, то необходимо было бы затратить на сжатие газа работу в том же количестве, в котором работа была получена, причем обратно выделилось бы то же количество теплоты. В итоге никакого превращения теплоты в работу не было бы.
Тщательное и всестороннее изучение окружающих нас физических явлений показало, что не самопроизвольные процессы только тогда возможны, когда они сопровождаются процессами самопроизвольными. Следовательно, самопроизвольный процесс может произойти «сам собой», не самопроизвольный – только вместе с самопроизвольным. Поэтому, например, в любом прямом круговом процессе не самопроизвольный процесс превращения теплоты в работу компенсируется одновременным самопроизвольным процессом передачи части подведенной теплоты от теплоотдатчика к теплоприемнику .
При осуществлении обратного цикла не самопроизвольный процесс переноса теплоты от менее нагретого тела к более нагретому также возможен, но здесь он компенсируется самопроизвольным процессом превращения затраченной извне работы в теплоту .
Таким образом, всякий не самопроизвольный процесс может только тогда произойти, когда он сопровождается компенсирующим самопроизвольным процессом.
Терморегуляция – так называют процесс выработки тепла в организме и её отдачи во внешнюю среду. Как у большинства млекопитающих, так и у человека терморегуляция протекает по одинаковому принципу. Какой орган отвечает за отопление тела и каким образом организму удается поддерживать постоянную температуру?
Как работает наша печка?
В отличие от пресмыкающихся, чья жизнь зависима от температуры окружающей среды, терморегуляция млекопитающих позволяет обеспечивать нормальный обмен веществ независимо от времен года и погоды. Возможность держать постоянную температура тела также обеспечивает оптимальные условия для работы ферментов, ускоряющих наши биохимические процессы.
Разные участки тела отапливаются не одинаково. Например, если в подмышечной впадине у здорового человека температура колеблется от 36.5 до 36.9 °С, то температура стоп и кистей варьируется от 24.4 до 30 °С, шея разогрета до 34 °С, а голова – до 33.5 °С.
Ввиду того, что у внутренних органов меньшая теплоотдача, чем у кожи, то температура там несколько выше. Самый горячий орган в нашем теле печень. Она разогревается от 37,8 до 38.5 °С. Такая разница обусловлена задачами, которые она выполняет. Печень – центральная химическая лаборатория в организме, отвечающая за выработку пищеварительной желчи, фильтрацию (очищение) крови и переработку поступающего с пищей сырья в необходимые химические элементы для работы остальных органов.
При этом существует определенный график подачи тепла в течения суток. В 3-4 часа утра организм отапливает тело меньше всего и, наоборот, в 16-18 часов включает печку на полную.
Правда, стоит заметить, что в зависимости от особенностей организма конкретного человека, указанные выше цифры могут немного отличаться.
Кто в нашем организме главный энергетик?
Выработку тепла называют химической терморегуляцией, а её потерю – физической терморегуляцией.
Так вот, химической терморегуляцией, то есть выработкой тепла, занимаются все клетки нашего тела, все ткани и каждый внутренний орган. Кто-то вырабатывает тепла меньше, кто-то больше.
Однако существуют три наиболее интенсивных источника тепла. Это мускулы, вышеописанная печень и бурая жировая ткань. Главным энергетиком, руководящим всем процессом отопления, можно назвать гипоталамус – небольшую область в головном мозге.
Топливом для печки является потребляемая нами пища, которая расщепляется на белки, жиры и углеводы. При окислении этого богатства высвобождается нужная энергия.
Мышцы производят примерно 20% всего тепла в организме и, даже если мы будем лежать неподвижно, мускулы свою работу не бросят. Если лежать неподвижно, но при этом напрячься, то теплообразование увеличится на 10%. Незначительная физическая нагрузка увеличит нагрев еще на 50-80%, а тяжелая мышечная работа – на все 500%.
Если происходит перегрев, то включается процесс конвекции, кондукции, потоотделения и радиации (инфракрасного излучения). Это будет уже физическая терморегуляция – отдача тепла.
В ситуации, когда организм, напротив, переохлажден, мышцы “включают” режим дрожи – беспорядочного сокращения.
О пищеварительной системе и печени мы уже немного рассказали. Тепло вырабатывается в процессе расщепления пищи. Логично, что органы, работающие с топливом напрямую, будут жить теплее остальных. Более любопытна бурая жировая ткань.
Жир, сам по себе, это запас энергии. Однако бурый жир, в отличие от обычного белого, расходуется легче и быстрее. Когда мышцы и остальные органы не справляются с обогревом тела, организм оперативно сжигает бурый жир, получая дополнительное тепло.
Беда в том, что у взрослого человека бурого жира почти нет. Наиболее развит он лишь у новорожденных и составляет около 5% от массы тела. Так природа позаботилась о том, чтобы мы не замерзли в первые месяцы своей жизни. Бурым жиром богаты животные, особенно те, которые впадают в зимнюю спячку, например, медведи.
Интересные факты
Тепло по организму разносит кровь. Однако если организм почувствует холод, то кровеносные сосуды сужаются, уменьшая приток крови. Если ситуация будет отличной – тело испытывает перегрев, то кровеносные сосуды расширяются. Казалось бы, все должно быть наоборот. Как согреть, например, руки, если организм уменьшил подачу крови туда?
Дело в том, что при суженых сосудах кровь теряет меньше тепла. При увеличенных сосудах физическая терморегуляция, напротив, больше. Другими словами, если у организма не получается согреть ваши руки, он перестанет тратить на них энергию, чтобы не замерзли другие участки тела. Тут вам придется греть их самому, засунув конечности, например, в карманы.
Гипоталамус ответственный начальник, но наивный. Обмануть его могут пирогены – вещества, вырабатываемые самим организмом, либо вредоносными микробами.
Мошенники-пирогены уверяют гипоталамус в том, что ему необходимо увеличить отопление. Так мы переживаем лихорадку во время болезни. Определенное нагревание полезно для организма – так мобилизуются все ресурсы для борьбы с инфекцией. Однако, продолжительный и сильный перегрев становится губителен. При 42 °С происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, а при 43 °С наступает смерть. Поэтому, принимая пациентов в больнице, медики, в первую очередь, сбивают ему температуру.