Билет № 11
Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.
Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.
План ответа
1. Внутренняя энергия и ее измерение. 2. Работа в термодинамике. 3. Первый
закон термодинамики. 4. Изопроцессы. 5. Адиабатный процесс.
Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц,
которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое
тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина,
характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического
(теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер
и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия
одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2• т/М • RT.
Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его
взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения
внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы
(например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при
расширении).
Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы:
энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача
бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между
хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и
того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и
излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной
энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).
Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии,
который для тепловых процессов читается так. Изменение внутренней энергии
замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и
работы, внешних сил, совершенной над системой. ? U= Q + А, где ? U—
изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданной системе, А
— работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно
обозначают А'. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов,
который называется первым законом термодинамики, можно записать так: Q = ?'
+ ? U, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение
системой работы и изменение ее внутренней энергии.
При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами ?' =
p(V1-V2) = p?V, где
V1, и V2 — начальный и конечный объем газа. Если процесс не является
изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры,
заключенной между линией, выражающей зависимость p(V) и начальным и
конечным объемом газа (рис. 13).
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам,
происходящим с идеальным газом.
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно,
внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона
термодинамики примет вид: Q = А', т. е. количество теплоты, переданное
системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно
поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное
газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:
Q = ? U + А'.
При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно,
работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет
вид:
Q = ? U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней
энергии газа.
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей
средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет
уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, ?' = ?
U. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
