4. Процессы в газах

4.1 Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам в газах

Если тело не получает извне никакой энергии, то работа А при расширении совершается за счет внутренней энергии U (U = кинетической энергии теплового движения атомов вещества + потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом).

Нужно учесть еще и то, что энергия может передаваться от одного тела к другому путем теплопередачи. Эту энергию, называемую количеством тепла Q, будем считать: ΔQ> 0 – тело получает тепло, ΔQ< 0 – тело отдает тепло.

Таким образом, бесконечно малое изменение внутренней энергии складывается из двух частей и может быть записано в дифференциальной форме в виде:

dU = δQ δA, (42)

где dU – изменение внутренней энергии тела;

δQ – сообщенное телу количество тепла;

δA – (знак «+») – работа, совершенная внешними силами (сжатие газа); (знак «–») – работа, совершенная телом (расширение газа).

Уравнение (42) – первое начало термодинамики или закон сохранения энергии в тепловых процессах. Если произошли конечные изменения системы, то первое начало термодинамики можно записать в виде:

ΔQ = ΔU ΔA (43)

Рассмотрим применение первого начала к изопроцессам в газах.

1. Изохорический процесс (V = const)

–

dU = dQ

все подводимое тепло идет на увеличение внутренней энергии

–

dU ~ dT

закон Джоуля

2. Изобарический процесс (P = const)

dU = dQ – dA (44)

R = C_pμ – C_vμ – уравнение Майера (45)

3. Изотермический процесс (T = const)

dU = dQ – dA,

dQ = dA – подводимое тепло идет на внешнюю работу (расширение).

4.2 Адиабатический процесс

Процесс, протекающий без теплообмена с внешней средой, называется адиабатическим (не переходимым).

Адиабатическими можно считать быстропротекающие процессы. Так как передачи теплоты нет, то dQ = 0.

dU+dA = 0

Уравнение адиабаты идеального газа

TVγ-1 = const , (46)

используя уравнение состояния можно получить уравнение адиабаты в координатах P и V.

Уравнение Пуассона

РVγ = const , (47)

Показатель степени в уравнении Пуассона γ называется показатель адиабаты, т.к. С_Рμ>C_Vμ, то γ> 1.

Рис.31.

Опыт№4.1 Адиабатическое расширение.

Цель работы: рассмотреть ситуацию, в которой происходит адиабатическое расширение газа с понижением температуры.

Оборудование:

1. Сосуд

2. Небольшое количество воды со спиртом в сосуде.

3. Компрессор, который накачивает воздух в сосуд через шланг.

Рис.32. Демонстрация опыта

Ход работы

1. Добавим в сосуд небольшое количество воды и спирта.

2. Плотно присоединим шланг к горлышку сосуда.

3. Включим компрессор, начнем накачивать воздух в сосуд, пока давление в бутыли не вытолкнет шланг.

4. Далее наблюдается образование тумана в сосуде.

Рис.33. Демонстрация опыта

Вывод: при резком отделении пробки от сосуда происходит адиабатическое расширение паров спирта, воды и воздуха. Газ охлаждается, и появляются микроскопические капельки, так как температура упала ниже точки росы.