Физический смысл превращения теплоты в работу

[Toolt]

Добрый день! С удовольствием читаю великолепные ответы постоянных участников форума на вопросы раздела «Помогите разобраться». Прошу извинить, если мои вопросы покажутся слишком простыми и касаются тем, достаточно подробно изложенных в школьных учебниках. Но к сожалению, знание формулировок физических законов не всегда позволяет правильно понять их физический смысл.
Итак, помогите разобраться в детском вопросе:
Один из вариантов выражения Первого закона термодинамики выглядит так:
$Q = \Delta U + A$ «Количество теплоты $Q$, передаваемое системе равно суме изменения ее внутренней энергии $\Delta U$ и работы $A$».
Но при этом, мне (и уверяю, очень многим) непонятно, действительно ли выполнение работы (неважно, в замкнутой или незамкнутой системе) в итоге уменьшает количество теплоты, передаваемой окружающим телам? Вопрос, скорее всего, сформулирован неправильно, поэтому поясню на примере:
Допустим, имеется 1 кг топлива с теплотворной способностью $Q$. Если мы просто сожжем это топливо (в камере или просто в атмосфере), то вся теплота сгорания топлива $Q$ полностью поглотится воздухом, атмосферой, стенками камеры и т.д., то есть вся теплота $Q$ превратится в изменение внутренней энергии $\Delta U$ окружающих тел (так как Работа $А=0$). Это вроде бы правильно?
Теперь представим себе, что этот 1 кг топлива сгорел в двигателе автомобиля, который на этом топливе проехал некий участок пути (путь $S$). Соответственно, одна часть образовавшейся в двигателе теплоты (допустим, 50%) преобразовалась в работу по перемещению массы автомобиля на расстояние $S$, а другая часть теплоты (50%) была потеряна через выхлопную трубу и стенки двигателя, то есть, передана окружающим телам (воздуху и т.д.). Для упрощения представим, что автомобиль уже двигался в в начале участка с той же скоростью, что и потом, при сжигании в его двигателе 1 кг топлива, и затем выехал за конец участка с той же скоростью). И в соответствии с Первым законом термодинамики, получается, что $\Delta U$ в этом случае будет вдвое меньше, чем при простом сжигании топлива (понимаю, что в любом случае не точно вдвое, но это в данном случае неважно). Само по себе, это всего лишь следование формуле, и в этом вроде бы ничего удивительного нет. Но означает ли это (физический смысл), что в варианте сжигания топлива в двигателе автомобиля, окружающие тела (воздух и т.д.) нагреются меньше, чем в первом случае (то есть при простом сжигании)?
По правилам форума, пробую предложить решение сам и не знаю, какой из вариантов ответов и рассуждений правилен:
1. Часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива в двигателе, превратилась в механическую работу. Поэтому окружающим телам будет передано меньше теплоты, чем при простом сжигании топлива. Окружающие тела (воздух, колеса, дорога и т.д.) нагреются меньше, чем при простом сжигании топлива (даже с учетом частичного обратного превращения механической энергии в тепло при трении). Это прямо следует из Первого закона термодинамики.
2. Несмотря на превращение части теплоты в работу, вся выделившаяся при сгорании топлива в двигателе теплота в итоге полностью перейдет к окружающим телам, так как при движении автомобиля совершается работа против силы трения (качения, о воздух и т.д.), и выделяющаяся при этом за счет трения теплота количественно равна работе $A$. Окружающие тела (воздух, колеса, дорога и т.д.) в итоге нагреются точно также, как и при простом сжигании топлива. Возможно, это следует из Закона сохранения энергии.
Вот вроде бы простейший вопрос, но разъяснения нигде не нашел. Я по образованию химик, и на вопросы по химии подобного примитивного уровня ответил бы легко. Между тем, знакомый д.т.н., заявивший про себя то же о физике, затруднился ответить. И все же, как правильно? 1-й или 2-й вариант? И почему? (В этой теме у меня потом будут и более сложные примеры, хотя и все о том же, не ругайтесь сильно, просто хочу разобраться).

[realeugene]

Toolt в сообщении #1358401 писал(а):

2. Несмотря на превращение части теплоты в работу, вся выделившаяся при сгорании топлива в двигателе теплота в итоге полностью перейдет к окружающим телам, так как при движении автомобиля совершается работа против силы трения (качения, о воздух и т.д.), и выделяющаяся при этом за счет трения теплота количественно равна работе А. Окружающие тела (воздух, колеса, дорога и т.д.) в итоге нагреются точно также, как и при простом сжигании топлива. Возможно, это следует из Закона сохранения энергии.

И это правильный ответ. Но только при условии, что автомобиль двигался по горизонтальной дороге.

Но можно при помощи этой работы поднять груз. Например, закатить автомобиль на гору. И тогда не вся работа перейдёт в тепло. По крайней мере, до тех пор, пока автомобиль не скатится обратно. Можно вообще с пустым бензобаком и заглушенным двигателем. Но его тормоза нагреются при спуске.

[Walker_XXI]

Toolt в сообщении #1358401 писал(а):

И все же, как правильно? 1-й или 2-й вариант?

Оба варианта правильны, но описывают разные ситуации. Сами верно сослались на з-н сохранения энергии. В чём проблема-то, где видите противоречие?

[Toolt]

realeugene в сообщении #1358402 писал(а):

Toolt в сообщении #1358401 писал(а):

2. Несмотря на превращение части теплоты в работу, вся выделившаяся при сгорании топлива в двигателе теплота в итоге полностью перейдет к окружающим телам, так как при движении автомобиля совершается работа против силы трения (качения, о воздух и т.д.), и выделяющаяся при этом за счет трения теплота количественно равна работе А. Окружающие тела (воздух, колеса, дорога и т.д.) в итоге нагреются точно также, как и при простом сжигании топлива. Возможно, это следует из Закона сохранения энергии.

И это правильный ответ. Но только при условии, что автомобиль двигался по горизонтальной дороге.

Но можно при помощи этой работы поднять груз. Например, закатить автомобиль на гору. И тогда не вся работа перейдёт в тепло. По крайней мере, до тех пор, пока автомобиль не скатится обратно. Можно вообще с пустым бензобаком и заглушенным двигателем. Но его тормоза нагреются при спуске.

Правильный-то, может, и правильный, да только все равно удивительно: за счет теплоты выполнилась работа, при выполнении работы за счет трения выделилась теплота, количественно равная этой работе. То есть теплота перешла в теплоту полностью, и при этом как-то выполнилась работа (заодно). Трудно осознать это. И вроде бы как бы нарушается то самый Первый закон, поскольку в уравнении справа появляется третий член не равный нулю... Хорошо, сделаю гигантское усилие над своим мозгом (я не физик и мне простительно не понимать некоторых вещей и придется их принять), пусть это всего лишь способ перехода энергии из одного вида в другой (в том числе и через работу) и в итоге вся теплота перешла к окружающим телам.
А вот насчет подъема в гору - это был мой следующий пример. То есть, если при сжигании топлива в двигателе имеет место прирост потенциальной энергии, накопленной за счет выполнения работы против силы тяжести (лучше не автомобиль с его шинами и подшипниками и трением, а гидравлический подъемник с двигателем или еще более экономичный подъемник), то все-таки часть теплоты перейдет в работу "в чистом виде" и убавит итоговое тепловыделение, и окружающие тела нагреются меньше, чем при простом сжигании топлива?

[realeugene]

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

и при этом как-то выполнилась работа (заодно)

Всё зависит от того, где вы поставите границу рассматриваемой вами системы. Мотор совершает работу, крутя вал. Но потом эта работа преобразуется в конце концов в тепло.

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

то все-таки часть теплоты перейдет в работу "в чистом виде" и убавит итоговое тепловыделение, и окружающие тела нагреются меньше, чем при простом сжигании топлива?

Нет никакой "работы в чистом виде" как сохраняемой величины. Работа - это процесс. Как и "тепло", кстати. Совершая работу по подъёму груза, мотор увеличивает потенциальную энергию груза. И, да, закон сохранения энергии непоколебим. Если часть энергии сожженного топлива израсходована на увеличение потенциальной энергии груза, значит, в атмосферу рассеяно меньше тепла.

[Toolt]

Walker_XXI в сообщении #1358422 писал(а):

Toolt в сообщении #1358401 писал(а):

И все же, как правильно? 1-й или 2-й вариант?

Оба варианта правильны, но описывают разные ситуации. Сами верно сослались на з-н сохранения энергии. В чём проблема-то, где видите противоречие?

Вот это для меня неожиданно, что оба варианта правильные. Ведь что значит "описывают разные ситуации", ситуацию я описал одну (автомобиль проехал путь за счет 1 кг топлива с одной скоростью и добавим теперь- горизонтально), но попытался дать два противоположных ответа с попыткой их объяснения.
А в чем для меня проблема и противоречие?
В первом варианте ответа "исчезает" теплота, снижается нагрев. Колдовство какое-то. Сожгли 1 кг топлива, не трогая груз, - и все 40 тыс. кдж перешли в воздух, нагрев его до определенной температуры (легко ее посчитаю, если есть еще кое-какие данные). А тут раз - передвинули груз с места на место (или подняли вверх) - и воздух нагрелся меньше. Колдовство. Как химику, мне это взрывает мозг. Неужели это может быть? Поставить эксперимент, что ли? Не верю, теперь ночами спать не буду.
Во втором варианте мне чуть более "комфортно", поскольку для химика более близок Закон Гесса (о том, что итоговый тепловой результат химических реакций не зависит от пути и количества превращений, а только от начальной и конечной стадии). Но в описываемом варианте ответа появляется "работа", которая сама себя делает, ничего на себя не тратит, непонятно за счет чего осуществляется. Но здесь по крайней мере можно напрячься и представить одновременное существование работы и выделяемой за ее счет теплоты, ну наверное так.
То есть, второй вариант я хоть как-то могу понять, но первый...

[Walker_XXI]

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

Правильный-то, может, и правильный, да только все равно удивительно: за счет теплоты выполнилась работа, при выполнении работы за счет трения выделилась теплота, количественно равная этой работе. То есть теплота перешла в теплоту полностью, и при этом как-то выполнилась работа (заодно). Трудно осознать это. И вроде бы как бы нарушается то самый Первый закон, поскольку в уравнении справа появляется третий член не равный нулю...

Да ничего ж удивительного и никакого третьего члена! Все процессы просто описывают превращения энергии из одного вида в дугой. При этом в замкнутой системе полная сумма всех видов энергии сохраняется. Работа - это просто часть энергии, которая на данном этапе не является тепловой. Да, потом она может быть преобразована в тепловую. Но при этом не останется никакой "заодно" выполненной работы. Тут Вы, наверное, чисто по бытовому забываете, что перемещение тела в потенциальном поле по замкнутой траектории (или вдоль эквипотенциальной поверхности) не требует затрат энергии: сначала она берётся взаймы (кинетическая энергия), потом полностью возвращается, когда тело в конце снова неподвижно.

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

при сжигании топлива в двигателе имеет место прирост потенциальной энергии, накопленной за счет выполнения работы против силы тяжести (лучше не автомобиль с его шинами и подшипниками и трением, а гидравлический подъемник с двигателем или еще более экономичный подъемник), то все-таки часть теплоты перейдет в работу "в чистом виде" и убавит итоговое тепловыделение, и окружающие тела нагреются меньше, чем при простом сжигании топлива?

Полностью "убить тепловыделение" не получится. Вспоминайте второй з-н термодинамики.

-- 03.12.2018, 15:54 --

Toolt в сообщении #1358452 писал(а):

А тут раз - передвинули груз с места на место (или подняли вверх) - и воздух нагрелся меньше. Колдовство. Как химику, мне это взрывает мозг.

Как химик, Вы должны помнить закон сохранения энергии и не воспринимать его, как колдовство. Я уже писал выше, что перемещение автомобиля по горизонтальной [эквипотенциальной] поверхности не требует затрат энергии, энергия нужна на преодоление силы трения (т.к. в процессе трения она в тепло и переходит). Баланс сохраняется, никакой "левой" работы не остаётся.

Ответы Ваши не противоположные, а относятся к разным моментам процесса движения автомобиля. Пока он в пути, часть тепла перешла в работу, которая есть увеличение кинетической и потенциальной энергии авто. В конце пути эта энергия обратно перейдёт в тепловую (сила трения совершит работу с противоположным знаком). Ну может немного потенциальной энергии останется, но и её можно в тепло перевести, столкнув автомобиль с горки.

[Toolt]

realeugene в сообщении #1358450 писал(а):

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

и при этом как-то выполнилась работа (заодно)

Всё зависит от того, где вы поставите границу рассматриваемой вами системы. Мотор совершает работу, крутя вал. Но потом эта работа преобразуется в конце концов в тепло.

Toolt в сообщении #1358447 писал(а):

то все-таки часть теплоты перейдет в работу "в чистом виде" и убавит итоговое тепловыделение, и окружающие тела нагреются меньше, чем при простом сжигании топлива?

Нет никакой "работы в чистом виде" как сохраняемой величины. Работа - это процесс. Как и "тепло", кстати. Совершая работу по подъёму груза, мотор увеличивает потенциальную энергию груза. И, да, закон сохранения энергии непоколебим. Если часть энергии сожженного топлива израсходована на увеличение потенциальной энергии груза, значит, в атмосферу рассеяно меньше тепла.

Ну, вроде для меня вопрос проясняется. Все-таки теплота реально расходуется на работу, и в случае "отложенного процесса" (переход в потенциальную, а наверное и в кинетическую, энергию) в атмосферу передается меньше тепла. Я хотел привести еще более изощренный пример, где вообще нет трения и прочих теплообразующих потерь при осуществлении работы, например разгон тела внутри орбитальной станции с помощью какого-либо двигателя (почему внутри станции, а не в космосе? чтобы не возник вопрос о передаче теплоты окружающим телам, а на станции тот же воздух. Работа, совершаемая при этом (чуть не сказал "против силы инерции", но не скажу, знаю чем это грозит) не сопровождается трением и тепловыделением, соответственно теплоты при этом выделится меньше, чем если бы мы удерживали это тело от движения. Ну, трудно это осознать, но могу сказать - теперь понимаю. И все-таки колдовство...

[realeugene]

Toolt в сообщении #1358460 писал(а):

И все-таки колдовство...

Порешайте задачи на школьную физику - ощущение колдовства пропадёт.

[Toolt]

Спасибо всем за разъяснения, вроде бы все понял. И думаю, еще кому-нибудь, кто будет читать форум и хочет повысить свою грамотность, эти разъяснения тоже будут полезными. (Знаете, у нас 90% людей с высшим техническим образованием считают, что на орбитальной станции невесомость, потому что там нет гравитации. И что ракета отталкивается своей струей от воздуха...)
Но не прощаюсь, у меня будут еще вопросы.

[Walker_XXI]

Toolt в сообщении #1358452 писал(а):

Но в описываемом варианте ответа появляется "работа", которая сама себя делает, ничего на себя не тратит, непонятно за счет чего осуществляется.

Не понимайте работу в бытовом смысле, как работу грузчика по перетаскиванию ящика из одного угла в другой. В бытовом смысле грузчик проделал работу, вспотел и устал, а в физическом смысле его работа по перемещению ящика равна нулю - энергия ящика осталась прежней. Отчего ж потел грузчик? А второй з-н термодинамики и трение. Ему пришлось "взять взаймы" энергию, чтобы совершить работу по "разгону" ящика, приданию ему и себе кинетической энергии. При этом какое-то тепло рассеялось впустую. Кроме того, пришлось преодолевать силу трения: один вид энергии перешёл в другой (тепло трущихся тел). Ну и останавливал грузчик ящик не самым оптимальным способом - превратил его кинетическую энергию в тепло за счёт силы трения, а не в свою химическую энергию (а то восполнил бы силы :)). Как видите, везде баланс энергии соблюдён, никакой волшебной "саму себя делающую" работы и вся работа совершена понятно за счёт какой энергии и на что потрачена (в какую энергию перешла). Работа - это всего лишь обозначение процесса перехода одного вида энергии в другой.

[Emergency]

Toolt в сообщении #1358452 писал(а):

Вот это для меня неожиданно, что оба варианта правильные.

В первом варианте вы не уточнили состояние аккумулятора - был ли он полностью заряжен или нет.

Представим, что аккумулятор был полностью разряжен, и вы заводили автомобиль "с толкача".
То есть в аккумуляторе у вас были почти голые сульфат свинца и водица. А после поездки там уже и свинец, и диоксид свинца, и серная кислота. Значит в любой момент вы можете использовать их энергию на освещение, подогрев или верчение стратером вала мотора.