Первый закон термодинамики и уравнение теплового баланса

До сих пор мы рассматривали первый закон термодинамики применительно к газам. Отличительной особенностью газа является то, что его объём может значительно изменяться. Поэтому согласно первому закону термодинамики переданное газу количество теплоты Q равно сумме совершённой газом работы и изменения его внутренней энергии:

Q = ΔU + A_г.

В этом параграфе мы рассмотрим случаи, когда некоторое количество теплоты сообщают жидкости или твёрдому телу. При нагревании или охлаждении они незначительно изменяются в объёме, поэтому совершённой ими при расширении работой обычно пренебрегают. Следовательно, для жидкостей и твёрдых тел первый закон термодинамики можно записать в виде

Q = ΔU.

Простота этого уравнения, однако, обманчива.

Дело в том, что внутренняя энергия тела представляет собой только суммарную кинетическую энергию хаотического движения составляющих его частиц лишь тогда, когда этим телом является идеальный газ. В таком случае, как мы уже знаем, внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре (§ 42). В жидкостях же и в твёрдых телах большую роль играет потенциальная энергия взаимодействия частиц. А она, как показывает опыт, может изменяться даже при постоянной температуре!

Например, если передавать некоторое количество теплоты смеси воды со льдом, то её температура будет оставаться постоянной¹ (равной 0 °С), пока весь лёд не растает. При этом подводимое тепло расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул: чтобы превратить кристалл в жидкость, необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решётки.

¹ Именно по этой причине температуру таяния льда и приняли в своё время в качестве опорной точки при определении шкалы Цельсия.

Похожее явление происходит и при кипении: если передавать некоторое количество теплоты воде при температуре кипения, её температура будет оставаться постоянной² (равной 100 °С при нормальном атмосферном давлении), пока вся вода не выкипит. В этом случае подводимое тепло также расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул.

² Потому её и выбрали в качестве второй опорной точки для шкалы Цельсия.

Может показаться странным, что потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре больше, чем в воде. Ведь молекулы газа почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому потенциальную энергию их взаимодействия естественно принять за нулевой уровень. Так и поступают. Но тогда потенциальную энергию взаимодействия молекул в жидкости надо считать отрицательной.

Окончание >>>