Термодинамическая работа

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^[1] (работа как способ/форма передачи энергии^[2], работа как форма обмена энергией^[3], работа как особый вид энергии в процессе перехода^[4], то есть как функционал процесса, «не существующий» до процесса, после процесса и вне процесса^[5]), так и количественную меру этого действия, то есть величину передаваемой энергии^[1]. 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^[4].

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^[6]. 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:

${\displaystyle \delta A=\sum _{i=1}^{n}F_{i}dx_{i}.}$^[7]

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 ${\displaystyle W}$ ^[8], 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^[9].

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

• 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.