Почему электрообогрев считается трудовым взаимодействием?

Если вы включаете нагревательный элемент как часть вашей системы, то электрическая установка, поставляющая электрическую энергию в вашу систему, выполняет работу в вашей системе. Если вы включаете нагревательный элемент как часть окружения, то эта часть окружения передает тепло вашей системе. Так что все зависит от того, включаете ли вы нагревательный элемент как часть системы или как часть окружения. В примере из вашей книги нагревательный элемент рассматривается как часть системы.

Я думаю, что вы обнаружили, что вопрос, что именно квалифицируется как работа в термодинамике? нельзя легко ответить одним предложением. Путь вперед, возможно, состоит в том, чтобы начать с рассмотрения условий первого закона термодинамики для системы, которая не меняется по составу, и рассматривать работу как процесс, связанный с передачей энергии.

Существует термин внутренней энергии, а затем термин теплопередачи, который представляет собой передачу энергии между системой и ее окружением из-за разницы температур, которая, что важно, является односторонним процессом, поскольку передача всегда происходит от более высокой температуры к более низкой. температура.
На вашей диаграмме это будет вода (окружение), передающая тепло от резервуара (системы) к воде.

Теперь вы смотрите на другие способы передачи энергии в систему и из нее и называете это работой, и здесь становится сложно, но не для всех примеров.
Возможно, самым простым является изменение объема системы за счет приложения внешних сил при выполнении механической работы.
Что не так очевидно, так это то, как классифицировать воздействие электрического нагревателя, и для этого вам нужно решить, является ли нагреватель частью системы или окружающей среды.
Если электрический нагреватель является частью окружающей среды, то передача между нагревателем и системой осуществляется посредством тепла, но это затрудняет расчеты.
Если нагреватель является частью системы, то передача в систему будет характеризоваться как работа в соответствии с определением падающего груза, при этом падающий груз выполняет работу, вращающую генератор, который производит «электричество», что, в свою очередь, увеличивает внутреннюю энергию системы.

Я знаю, что я не сказал вам, какое из определений работы «одним предложением» я предпочитаю, но я предлагаю вам рассмотреть другие примеры, например, температуру воды в водопаде, инфракрасное излучение, взаимодействующее с системой и т. д., и посмотреть, вы можете исключить теплопередачу, а затем, как это можно рассматривать как работу, с помощью определения падающего веса или определения распределения энергии, которое вы упомянули в своем посте или . . . . .

Как объясняют Фарчер и Чет Миллер, если нагреватель является частью системы, то мы совершаем (электрическую) работу с нагревателем и, следовательно, обеспечиваем работу системы. Мы поставляем эту энергию, даже если система идеально теплоизолирована и не может получать тепло.

Однако в этом случае различие между теплотой и работой является скорее юридическим. Это связано с тем, что работа, которую мы производим, полностью необратима , в отличие от полностью обратимой работы, которую мы могли бы выполнить в системе, медленно толкая поршень без трения. Это обратимая работа, которая «предполагает равномерное изменение энергий всех частиц системы на одинаковую величину без изменения формы распределения энергии частиц в системе». Но при совершенно необратимой работе вы могли бы также поставлять тепло — вы меняете распределение энергии между различными энергетическими уровнями системы, а не сами уровни энергии. И нагреватель может также быть вне системы, снабжая систему теплом.$^*$как внутри системы, имеющей (электрическую) работу, подводимую к ней извне!

$^*$который, для строгой сопоставимости, теперь должен включать в себя неподключенный электрический нагреватель

Так почему же нагрев системы с помощью электрического нагревательного элемента считается рабочим взаимодействием, а не теплообменом?

Необходимо различать передачу энергии между электрическим током и материалом, который повышает температуру материала (передача работы), и передачу энергии между материалом, температура которого повышается под действием тока, в его среду с более низкой температурой (теплопередача).

Тепло определяется как передача энергии исключительно за счет разницы температур. Повышение температуры материала электрическим током происходит не из-за разницы температур между током и температурой материала. На микроскопическом уровне это организованная передача кинетической энергии (КЭ), связанная с потоком электронов (дрейфовым током) к молекулам материала при столкновениях.

Электроны попеременно теряют кинетическую энергию при столкновениях и восстанавливают КЭ за счет работы электрического поля. Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем для поддержания дрейфового тока, передает энергию молекулам материала. Эти столкновения, в свою очередь, увеличивают среднюю случайную KE отдельных молекул, что приводит к увеличению температуры материала. Повышение температуры материала выше температуры его окружающей среды приводит к передаче энергии в окружающую среду в виде тепла. Таким образом, термин Джоулев нагрев относится к последствиям электрической работы. Точно так же нагрев трением относится к последствиям передачи энергии за счет работы трения, которая возникает, когда кто-то трет руки друг о друга, повышая температуру кожи.

Напротив, передача энергии за счет теплопроводности от материала с более высокой температурой (более высокая средняя случайная молекулярная КЭ) к материалу с более низкой температурой (более низкая средняя случайная молекулярная КЭ) происходит из-за столкновений между беспорядочным (неорганизованным) движением молекул материал с более высокой температурой и беспорядочное движение молекул материала с более низкой температурой.

Надеюсь это поможет.