2. Два способи зміни внутрішньої енергії тіла.

Зміна внутрішньої енергії тіла завжди пов’язана з його взаємодією з іншими тілами і може відбуватися шляхом здійснення над тілом роботи або шляхом передачі теплоти.

Процес передачі енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла називають теплообміном, а порцію переданої енергії називають кількістю теплоти.

Якщо способом передачі енергії є виконання механічної роботи, то кількість переданої енергії називають роботою.

У випадку зміни внутрішньої енергії лише за рахунок теплообміну зміна внутрішньої енергії тіла ΔU згідно з законом збереження енергії дорівнює кількості переданої теплоти Q.

Тобто

ΔU = Q.

При нагріванні чи охолодженні:

ΔU = Q = c∙m∙ΔT = c∙m∙ (T₂ – T₁),

де m – маса тіла, Т₁ і Т₂ – початкова та кінцева температури, ΔT – зміна температури, с – питома теплоємність, що залежить від роду речовини і характеру процесу.

Питома теплоємність – це величина, що дорівнює кількості теплоти, необхідної для нагрівання 1 кг речовини на 1 К.

Випаровування (конденсація) рідини та плавлення (кристалізація) твердих тіл відбувається за сталої температури, але вимагає передачі теплоти, яка називається прихованою.

При випаровуванні (конденсації) рідини:

Q = r·m,

де r – питома теплота пароутворення, m – маса пари (рідини).

При плавленні (кристалізації) твердих тіл:

Q = λ·m,

де λ – питома теплота плавлення (кристалізації), m – маса твердого тіла (рідини).

Таким чином, внутрішня енергія тіла може змінюватися двома способами: за допомогою теплообміну та внаслідок виконання механічної роботи.

3. Перший закон (початок) термодинаміки.

Закон збереження енергії: енергія замкненої системи ніколи не зникає і не створюється із нічого. Вона лише перетворюється з одного виду в інший або передається від одного тіла до іншого, не змінюючись кількісно.

Отже, згідно з першим початком (законом) термодинаміки підведена до системи кількість теплоти Q частково йде на збільшення внутрішньої енергії ΔU і частково – на виконання цією системою роботи А:

Q = ΔU + А

Перший закон термодинаміки носить загальний характер і може застосовуватися до усіх без винятку явищ природи.

Задача 62. Яку кількість теплоти треба витратити, щоб з 0,5 кг льоду за температури 0 °С отримати воду з тією самою температурою? Питома теплота плавлення льоду 330 кДж/(кг·К).

Д. З. 1. §§ 57 – 59.

2. §§ 5.9, 5.10, 6.1 – 6.4, 6.7, 6.9.

Задачі 5.12, 4.32.

Заняття 18. Робота газу у термодинамічному процесі..

1. Робота газу.

Стиснутий газ може виконувати роботу. Уявіть собі циліндр з рухомим поршнем (рис. 28). Доки тиск газу всередині циліндру і оточуючого зовнішнього повітря однаковий, поршень нерухомий. Нехай при цьому температура газу і оточуючого середовища дорівнює Т₁, а тиск дорівнює р₁. Будемо повільно нагрівати газ у циліндрі до температури Т₂. Газ при цьому починає ізобарно розширюватися (зовнішній тиск р залишається незмінним), і поршень зміститься із положення 1 у положення 2 на відстань ℓ.

Тоді робота газу:

А = F∙ℓ = p∙S∙ℓ = p∙ (V₂ – V₁)

Таким чином, робота газу при ізобарному нагріванні:

А = pΔV = p (V₂ – V₁)

Із наведеного на рис. 28 графіку видно, що робота газу при ізобарному нагріванні чисельно дорівнює площі прямокутника висотою р і основою V₂ – V₁.

При ізобарному стисканні газу роботу над ним виконують зовнішні сили, збільшуючи його потенціальну енергію. Графічно ця робота виражається тією самою площею.

При ізотермічному розширенні газу (Т = const) за незмінної маси газу добуток тиску газу р на його об’єм V є величина стала. Тобто, рV = const .

Графік ізотермічного процесу у системі координат рV (рис. 29) являє собою рівнобічну гіперболу, а робота газу дорівнює площі, обмеженій цим графіком (ізотермою), віссю V і ординатами, що відповідають тискам р₁ і р₂ у початковому і кінцевому станах газу.

При ізохорному процесі об’єм газу не змінюється V = const, Δ V = 0, змінюються його тиск і температура. Оскільки об’єм газу не змінюється, то робота газу А = 0. Тобто при ізохорному нагріванні газу уся надана йому теплота повністю витрачається на збільшення його внутрішньої енергії: Q = ΔU.