36. Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам.
Среди равновесных процессов, которые происходят с термодинамическими системами, отдельно рассматриваются изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния остается постоянным.
Изохорный процесс (V=const). Диаграмма этого процесса (изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 1), где процесс 1—2 есть изохорное нагревание, а 1—3 — изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, т. е. δA=pdV=0
Из первого начала термодинамики (δQ=dU+δA) для изохорного процесса следует, что вся теплота, которая сообщается газу, идет на увеличение его внутренней энергии:
δQ=dU
т.к. CV=dUm/dt,
δQ=dU
Тогда для произвольной массы газа получим
δQ=dU=m/M CvdT (1)
Изобарный процесс (p=const). Диаграмма этого процесса (изобара) в координатах р, V изображается прямой, которая параллельна оси V. При изобарном процессе работа газа при увеличения объема от V1 до V2 равна
δQ=dU=m/MCvdT (2)
Если использовать уравнение Менделеева-Клапейрона для выбранных нами двух состояний, то
δQ=dU=m/MCvdT и pV2=m/MRT2
откуда
V2-V1=m/M*R/p (T2-T1)
Тогда выражение (2) для работы изобарного расширения примет вид
A=m/MR(T2-T1) (3)
Из этого выражения вытекает физический смысл молярной газовой постоянной R: если T2 —T1 = 1К, то для 1 моль газа R=A, т. е. R численно равна работе изобарного расширения 1 моль идеального газа при нагревании его на 1 К.
В изобарном процессе при сообщении газу массой m количества теплоты
δQ=m/M(Cp)dT
его внутренняя энергия возрастает на величину (т.к. CV=dUm/dt)
При этом газ совершит работу, определяемую выражением (3).
Изотермический процесс (T=const). Изотермический процесс описывается законом Бойля—Мариотта: dU=m/MCvdT
Диаграмма этого процесса (изотерма) в координатах р, V представляет собой гиперболу, которая расположена на диаграмме тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс.
Исходя из формул для работы газа и уравнения Менделеева-Клайперона найдем работу изотермического расширения газа:
Так как при Т=const внутренняя энергия идеального газа не изменяется: dU=m/MCvdT=0
то из первого начала термодинамики (δQ=dU+δA) следует, что для изотермического процесса
δQ=δA
т. е. все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:
(4)
Значит, для того чтобы при расширении газа температура не становилась меньше, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, равное внешней работе расширения
37. Адиабатический процесс. Работа, совершаемая идеальным газом в адиабатическом процессе.
Адиабати́ческий - термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством . Серьёзное исследование адиабатических процессов началось в XVIII веке.
Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянна[2]. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Некоторые авторы (в частности, Л. Д. Ландау) называли адиабатическими только квазистатические адиабатические процессы[3].
Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона
Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением
P*V^k=const,
где V— его объём, k=Cp/Cv— показатель адиабаты, и Cp и Cv — теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.
С учётом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду T^k*p^(1-k)=const
где T — абсолютная температура газа. Или к виду T*V^(k-1)=const
Поскольку всегда больше 1, из последнего уравнения следует, что при адиабатическом сжатии (то есть при уменьшении ) газ нагревается ( возрастает), а при расширении — охлаждается, что всегда верно и для реальных газов. Нагревание при сжатии больше для того газа, у которого больше коэффициент .
В частном случае, когда работа совершается через изменение объёма, можно определить её следующим способом: пусть газ заключён в цилиндрический сосуд, плотно закрытый легко скользящим поршнем, если газ будет расширяться, то он будет перемещать поршень и при перемещении на отрезок совершать работу dA=Fdh
где F — сила, с которой газ действует на поршень. Перепишем уравнение:
dA=psdh
где s — площадь поршня. Тогда работа будет равна dA=pdV
где p — давление газа, dV— малое приращение объёма. Аналогично видно, что уравнение выполняется и для сосудов с произвольной поперечной формой сечения. Данное уравнение справедливо и при расширении на произвольных объёмах. Для этого достаточно разбить поверхность расширения на элементарные участки на которых расширение одинаково[9].
Основное уравнение термодинамики примет вид dU=-pdV
Это условие будет выполняться, если скорость хода поршня (протекания процесса в общем случае) будет удовлетворять определённым условиям. С одной стороны она должна быть достаточно малой, чтобы процесс можно было считать квазистатическим. Иначе при резком изменении хода поршня давление, которое его перемещает, будет отличаться от давления в целом по газу. То есть газ должен находиться в равновесии, без турбулентностей и неоднородностей давления и температуры. Для этого достаточно передвигать поршень со скоростью, существенно меньшей, чем скорость звука в данном газе. С другой стороны скорость должна быть достаточно большой, чтобы можно было пренебречь обменом тепла с окружающей средой и процесс оставался адиабатическим.