§ 2. Работа расширения газа

И ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Работа совершается только при изменении объема газа. Если происходит расширение газа, то работа совершается против внешних сил; при сжатии, наоборот, газ воспринимает работу внешних сил. В соответствии с этим работа расширения газа положительна, а работа сжатия – отрицательна.

В -диаграмме (рис. 2) кривая 1-2 изображает процесс расширения газа, а кривая 2-1 – процесс сжатия.

Рис. 2. Работа расширения газа в -диаграмме.

Пусть в цилиндре тепловой машины перемещается без трения поршень площадью f от верхней мертвой точки (ВМТ) 1 к нижней мертвой точке (НМТ) 2. Перемещение происходит под действием расширяющегося газа с давлением . Так как работа силы, действующей в направлении движения точки ее приложения, определяется произведением величины этой силы на пройденный путь, то элементарная работа ℓ при перемещении поршня на величину s составит

ℓ = pf s = p  (36)

Следовательно, работа расширения газа в процессе 1-2 в -диаграмме измеряется площадью, ограниченной кривой 1-4 и 2-3 и отрезком 4-3 оси абсцисс. Диаграмма называется рабочей. Поскольку величина площади 1-2-3-4 зависит от того пути, по которому протекает процесс между точками 1 и 2, то и работа расширения газа не является функцией состояния, а является функцией процесса. Кроме того, работа всегда связана с перемещением тел в пространстве, например поршня в цилиндре двигателя, вала турбины, поэтому она характеризует упорядоченную форму передачи энергии (макроскопическую) и является мерой энергии.

Молекулы газа, находящиеся в состоянии непрерывного хаотического движения, обладают внутренней энергией, которая включает в себя: 1) кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, зависящую от температуры; 2) потенциальную энергию взаимодействия молекул, зависящую от расстояния между ними и от их взаимного расположения.

Работа в системе СИ измеряется в джоулях (Дж), удельная работа (то есть работа, отнесенная к 1 кг газа) – в Дж/кг.

Формула внутренней энергии:

u = u_к + u_n.

В идеальных газах силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, поэтому внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения молекул:

u = u_к.

Изменение внутренней кинетической энергии определяется изменением температуры газа от Т₁ в начале процесса до Т₂ в конце процесса:

u = f(T₂) – f(T₁).

Внутренняя энергия измеряется в Дж/кг.

В любом термодинамическом процессе изменение внутренней кинетической энергии идеального газа равно ее изменению в процессе, протекающем при постоянном объеме ( = const), поскольку в этом случае вся теплота, сообщаемая газу, затрачивается на изменение внутренней энергии:

u₂ – u₁ = u = c_ (T₂ – T₁).

В технической термодинамике определяется не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение при переходе газа из состояния 1 в состояние 2. Следовательно, отсчет внутренней энергии может производиться от любого условного нуля. Для идеальных газов внутреннюю энергию считают равной нулю при нормальных условиях (t = 0 ⁰C,  = 760 мм рт. ст.).