Работа газа. 
Молекулярная физика и термодинамика

Изменение внутренней энергии газа (системы) может происходить при передаче энергии молекулам газа от какого-либо внешнего тела при механическом взаимодействии тела и газа, т. е. при действии сил между телом и газом, которые совершают некоторое количество работы А. Так, в случае сжатия газа, когда поршень в цилиндре сжимает газ, скорость молекул газа после удара о поршень становится больше, чем непосредственно перед ударом. Причиной этого является надвигающийся на газ поршень, который передает часть своей кинетической энергии отскакивающим от поршня молекулам газа.

При последующем хаотическом соударении молекул газа между собой средняя скорость хаотического движения молекул и их средняя кинетическая энергия возрастают, что вызывает повышение температуры газа. Чтобы эффект был заметным, необходимо исключить тепловой контакт цилиндра с окружающей средой. Теплоизоляционную оболочку цилиндра, исключающую теплообмен, называют адиабатной. На практике, чтобы исключить теплообмен, сжатие газа должно происходить достаточно быстро.

При расширении газа, когда происходит расширение газа, скорость отскакивающих при ударе о поршень молекул уменьшается, так как часть своей кинетической энергии молекулы теперь передают удаляющемуся от них поршню. В результате этого понижается средняя кинетическая энергия хаотически движущихся молекул газа, а, следовательно, снижается и температура газа.

Повышение температуры газа при его сжатии означает возрастание внутренней энергии газа U, а снижение температуры при расширении газа свидетельствует об уменьшении внутренней энергии газа.

В соответствии с законом сохранения энергии уменьшение механической энергии поршня при сжатии газа в точности равно увеличению внутренней энергии газа, а увеличению энергии поршня при расширении газа соответствует уменьшение внутренней энергии газа.

Имеем случай перехода энергии из одной ее формы, называемой механической энергией, в другую ее форму — внутреннюю энергию. При расширении газа, наоборот, имеет место переход внутренней энергии в механическую.

Количественной мерой перехода энергии из одной ее формы в другую является работа сил, с которыми взаимодействуют два тела: газ и поршень. Так, при сжатии газа в цилиндре с адиабатической оболочкой работа А' внешней силы, т. е. действующей на газ (систему) со стороны поршня, будет равна убыли механической энергии поршня и, соответственно, равна приращению д (/ внутренней энергии газа:

где — & W — убыль механической энергии поршня.

Это равенство следует из закона сохранения и превращения энергии.

Можно привести и другие примеры перехода механической энергии во внутреннюю в процессе совершения работы, т. е. в процессе направленного действия силы на некотором пути. Так при распиливании дерева происходит нагревание пилы, заметное на ощупь; при сверлении кирпичной кладки или металлической детали сверло становится горячим.

Не следует думать, что процесс работы, т. е. действие силы на некотором пути, связан с переходом механической энергии только во внутреннюю. В механике было показано, что действие силы тяжести при падении тела, т. е. в процессе работы силы тяжести приводит к переходу механической энергии из одного ее вида (потенциальная энергия) в другой ее вид (кинетическая энергия).

Возможен переход механической энергии в электрическую, магнитную энергию и др.

В процессе работы силы, действующей со стороны расширяющегося в цилиндре газа на поршень, происходит переход внутренней энергии газа в механическую энергию поршня.

При выполнении работы имеется, по крайней мере, два тела, создающие при своем взаимодействии равные по модулю, противоположно направленные силы, одна из которых приводит к перемещению. При этом одно тело отдает запас своей энергии, второе его получает как энергию этого же или совсем другого вида, но в равном количестве. В процессе работы, как и в процессе теплообмена, происходит передача энергии от одного тела к другому. Таким образом, процесс выполнения работы является формой передачи энергии.

В отличие от работы теплообмен является такой формой передачи энергии, которая характерна для обмена только внутренней энергии.

Например, хлеб из печи вынимают горячим В связи с обсуждаемым вопросом о смысле термина «работа» уместно привести высказывание крупного советского ученого в области термодинамики К. А. Путилова: «Процесс работы и „теплообмен“ (лучше сказать „теплопроцесс“) является двумя единственно возможными, с точки зрения термодинамики, формами передачи энергии, а количество работы и количество тепла являются мерами энергии, передаваемой в указанных формах».

Таким образом, термин «работа» имеет двоякий смысл: как процесс работа означает передачу энергии при направленном действии силы на определенном пути; как физическая величина работа является мерой изменения энергии.