Свойства теплоты как формы обмена энергией

По аналогии с работой количество теплоты в равновесном процессе может быть выражено в виде произведения потенциала термического взаимодействия (температуры Т) на изменение координаты термического состояния (энтропии S):

dQ = TdS,

или для удельного количества теплоты:

dq = Tds.

Так как термодинамическая температура всегда положительна, то алгебраический знак количества теплоты в представленных выражениях совпадает со знаком изменения энтропии. При подводе теплоты (dq > 0) энтропия системы возрастает (ds > 0), при отводе теплоты (dq < 0) энтропия убывает (ds < 0). Поэтому с определенной точностью говорить о том, получает или отдает система теплоту в некотором процессе, можно лишь по изменению энтропии, но не по изменению температуры.

Для определения полного количества теплоты конечного процесса необходимо проинтегрировать выражение для элементарного количества теплоты от начального состояния 1 до конечного состояния 2:

.

Для выполнения интегрирования, необходимо знать функциональную зависимость температуры системы от ее энтропии в данном процессе Т = Т(s). Эта функциональная зависимость может быть представлена графически на энтропийной Ts-диаграмме (рис. 2.6). Заштрихованная площадь участка процесса 1-2 определяется произведением Тds и поэтому представляет собой бесконечно малое количество теплоты dq на элементарном участке процесса. Площадь под кривой 1-2 (линией процесса) представляет собой полное количество теплоты, которым обмениваются между собой система и окружающая среда в процессе 1-2.

Рис. 2.6. Ts-диаграмма термодинамического процесса

Количество теплоты как форма обмена энергией обладает тем же свойством, что и количество работы: количество теплоты зависит от вида термодинамического процесса, переводящего систему из начального состояния в конечное. Следовательно, количество теплоты не является функцией состояния системы, то есть не может быть вычислено только по начальному и конечному состояниям системы, и поэтому не обладает свойствами полного дифференциала.

Как и в случае работы, при интегрировании выражения для элементарного количества теплоты по замкнутому контуру, в общем случае будет получена величина теплоты цикла, не равная нулю:

.

Это означает, что в замкнутом термодинамическом процессе (цикле) система получает из окружающей среды (или отдает ей) некоторое количество энергии q_ц в форме теплоты, причем в состоянии самой системы не происходит никаких изменений.