7. Термодинамика Vp VVpA ) ( AU Q ` AQU AU Q U Q 0 T

7. Термодинамика
Работа идеального газа. Первый закон термодинамики.
В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, и речь идет о перемещении частей
макроскопического тела (чаще – газа) относительно друг друга. При совершении работы меняется объем тела, а его
скорость остается раной нулю. Но скорости молекул тела меняются, поэтому меняется температура тела. Причина в том,
что при столкновении с движущимся поршнем (сжатие газа) кинетическая энергия молекул изменяется - поршень
отдает часть своей механической энергии. При столкновении с удаляющимся поршнем (расширение) скорости молекул
уменьшаются, газ охлаждается. При совершении работы в термодинамике меняется состояние макроскопических тел:
их объем и температура. При расширении работа газа положительна. При сжатии - отрицательна.
Работу при изобарном процессе (p = const ) можно рассчитать по формуле:
A
p (V2 V1)
p
V,
где A — работа газа (Дж);
A' — работа над газом (Дж),
причем A = –А';
P — давление газа (Па);
ΔV = V2 –V1 — изменение объема (м3);
V2 и V1 — конечный и начальный объемы газа соответственно (м3).
Если объем увеличивается, то ΔV > 0 и A > 0, а A' < 0, если объем уменьшается, то ΔV < 0 и A < 0, а A' > 0.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ИСТОЛКОВАНИЕ РАБОТЫ
В изобарном процессе площадь под графиком в координатах (p,V) численно равна работе (вспомните перемещение на графике скорости):
В общем случае надо процесс разбить на малые части и сосчитать элементарные работы, а затем их сложить
(процесс интегрирования):
Таким образом, в любом процессе работа над газом численно равна площади фигуры в осях (p,V), ограниченной
графиком, осями и перпендикулярами к крайним точкам графика.
В изохорном процессе объем не меняется, следовательно, в изохорном процессе работа не совершается!
Если рассматривать все тела, участвующие в процессе, и учитывать изменение и механической, и внутренней
энергии всех тел, то в итоге получим, что полная энергия - величина постоянная. Это закон сохранения полной энергии.
В термодинамике он носит название первого закона (или первого начала) и формулируется следующим образом:
количество теплоты Q, сообщенное системе извне, расходуется на увеличение ее внутренней энергии ΔU и на
работу A, совершаемую системой против внешних сил:
Q
U
A
Есть и другая формулировка первого закона термодинамики:
изменение внутренней энергии системы ΔU происходит частично за счет сообщенного системе количества
теплоты Q и частично – за счет работы А', произведенной над системой внешними телами:
U
Q A'
При изобарном процессе (р
U A.
= const) Q
При изохорном процессе (V = const) A = 0, поэтому Q
счет теплообмена.
При изотермическом процессе (T = const,
T
U , т.е. внутренняя энергия системы изменяется только за
0 ) ΔU = 0, поэтому Q
количество теплоты идет на совершение ею работы.
A , т.е. все полученное системой
Процесс, при котором передача теплоты настолько ничтожна, что ею можно пренебречь, называется
адиабатическим. При таком процессе Q=0, A
U , т.е. работа совершается системой за счет за счет убыли ее
внутренней энергии. Либо работа внешних сил идет на увеличение внутренней энергии, температура системы
возрастает. Адиабатный процесс может быть осуществлен либо в теплоизолированной системе, либо очень быстро
(чтобы не успеть передать тепло, например, взрыв). Используется для получения жидких газов.