- •Тема 1 механика с элементами теории относительности
- •1.1 Кинематика
- •1.2 Динамика
- •1.2.1 Основная задача динамики. Сила. Масса
- •1.2.2 Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения
- •1.2.3 Гравитационное поле. Сила тяжести. Сила упругости и трения. Вес и невесомость. Понятие релятивистской массы.
- •1.3 Законы сохранения в механике
- •1.3.1 Импульс тела. Закон сохранения. Реактивное движение
- •1.3.2 Работа и мощность. Механическая энергия и её виды
- •1.3.3 Закон сохранения энергии. Принцип относительности Галилея
- •Тема 2 молекулярная физика и термодинамика
- •2.1 Основы молекулярно–кинетической теории
- •2.1.1 Молекулярная физика: от атома к молекуле. Масса атомов и молекул. Количество вещества. Число Авогадро
- •2.1.2 Идеальный газ: основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Температура, тепловое равновесие, абсолютная температура
- •2.1.3 Уравнение состояния идеального газа. Закон Авогадро. Изопроцессы в газах: газовые законы
- •2.2 Основы термодинамики
- •2.2.1 Внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия идеального газа
- •2.2.2 Первый закон термодинамики
- •2.2.3 Тепловые двигатели. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики
- •2.2.4 Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы
2.2.2 Первый закон термодинамики
Энергия замкнутой системы взаимодействующих между собой тел, зависящая от их скоростей, положения, температуры, формы, химического состава и т.п., остаётся неизменной.
Молекулярная физика объясняет свойства тела, рассматривая движение молекул или атомов, из которых оно состоит, и взаимодействие между ними. Однако во многих случаях характеристики движения и взаимодействия между частицами тела остаются неизвестными, и тогда для описания свойств тела используют его макроскопические параметры, например, давление, внутреннюю энергию, температуру и объём. Раздел физики, изучающий тепловые процессы без использования характеристик движения и взаимодействия молекул или атомов, называют термодинамикой. Закон сохранения и превращения энергии в замкнутых системах применительно к тепловым явлениям называют первым законом термодинамики. Этот закон впервые был сформулирован немецкими учёными Г. Гельмгольцем и Р. Майером, а также английским учёным Д. Джоулем.
Внутренняя энергия любого тела может изменяться либо путём теплообмена с другими телами, либо в результате совершения работы над этим телом. Однако согласно первому закону термодинамики изменение внутренней тела, DU, при переходе из одного состояния в другое должно быть равно сумме количества теплоты, Q, перешедшего к телу, и работы, А, совершённой над телом внешними силами. Поэтому первый закон термодинамики применительно к данному телу может быть записан в следующей форме:
DU = Q + A . (51)
Во многих случаях при переходе из одного состояния в другое само тело совершает работу А1. Так как А1= -А, то для этих случаев уравнение (30.1) удобно переписать в виде:
Q = DU + A1 . (52)
Таким образом, количество теплоты, перешедшее к телу, расходуется на изменение его внутренней энергии и работу, которую оно совершает.
Первый закон термодинамики делает невозможным создание вечного двигателя – механизма, способного совершать работу без каких либо затрат внешней энергии и изменений внутренней энергии механизма. Согласно уравнению (52), если механизм представляет собой замкнутую систему (Q=0), то максимальная работа, которую он может совершить, равна его внутренней энергии. Поэтому вечные двигатели невозможны.
Запишем первый закон термодинамики для идеального газа, расширяющегося под поршнем в изотермическом процессе. Как было показано внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, а значит, при изотермическом процессе его внутренняя энергия не изменяется. Подставляя DU=0 в (52), получаем, что A1=Q. Таким образом, работа, совершённая расширяющимся газом при изотермическом процессе, равна количеству теплоты, которое газ получил извне.
Работа, совершаемая газом при расширении, зависит от его давления, p, и объёма, V, следующим образом. Пусть газ в цилиндре расширился, приподняв чуть-чуть поршень на Dh. Если площадь поршня равна S, то сила, F, действующая снизу на поршень со стороны газа, равна pS, и поэтому работа A1, совершаемая газом при движении поршня, составляет:
A1=F.Dh = pS.Dh = p.DV , (53)
где DV – изменение объёма газа, произошедшее при подъёме поршня на Dh. Если построить график зависимости давления p, газа от его объёма V, между его состояниями 1 и 2, то согласно (53) работа, совершаемая газом, при его расширении на DV, будет равна заштрихованной площади под кривой графика. Тогда очевидно, что работа газа между состояниями 1 и 2 равна площади под всей кривой на графике.