Работа в термодинамике(уч.10кл.Стр.265-267)

Работа газа при расширении и сжатии (на примере поршня).

Формула работы газа и ее смысл

Работа газа при изопроцессах

Изобарное расширение. График и физический смысл площади под ним.

Изотермическое расширение. График и физический смысл площади под ним.

Формула работа при изотермическом расширении

В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.

В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.

При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа. Причина этого состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия. Поршень передает молекулам часть своей механической энергии.

При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как меняется среднее расстояние между молекулами.

Вычислим работу газа при расширении.

Газ действует на поршень с силой F’= pS,

где p - давление газа, S - площадь поверхности поршня.

При расширении газа поршень смещается в направлении силы F’ на малое расстояние ∆h. Если расстояние мало, то давление газа можно считать постоянным.

Работа газа равна:

A’ = F∆h = S∆h = ∆V,

где ∆h - изменение объема газа.

= F/S – среднее давление

∆V = V₁ – V₂ = S∆h – изменение объема

В процессе расширения газ совершает положительную работу, так как направление силы и перемещения совпадают.

В процессе расширения газ отдает энергию окружающим телам.

Работа, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы газа только знаком A = A’, так как сила F, действующая на газ, противоположна силе , с которой газ действует на поршень, и равна ей по модулю (третий закон Ньютона); а перемещение остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил равна:

A = - ∆V.

Работа, совершаемая газом, равна произведению среднего давления газа на изменение его объема

A = (V₁ –V₂)

При расширении ∆V > 0 газ совершает положительную работу, отдавая энергию окружающим телам.

При сжатии ∆V < 0 работа, совершаемая газом, отрицательная. Внутренняя энергия газа при сжатии увеличивается.

Работа, совершаемая газом в процессе его расширения или сжатия при любом термодинамическом процессе, численно равна площади под кривой, изображающей изменение состояния газа на диаграмме p, V

При изохорном процессе ∆V= 0 работа газом не совершается.

При изотермическом расширении газа его давление изменяется по гиперболическому закону.

A = RT ln

Первый закон термодинамики(уч.10кл.Стр.269-273)

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии при тепловых процессах

Формулировка закона через внутреннюю энергию

Физический смысл первого закона термодинамики

Формулировка закона через количество теплоты

Первый закон термодинамики для изопроцессов на примере поршня.

(изотермический, изохорный, изобарный процессы)

Графики процессов и их физический смысл

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса (уч.10кл.стр.273)

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, распространенным на тепловые явления.

Закон сохранения энергии:

энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, а изменяться может лишь внутренняя энергия.

Внутренняя энергия может изменяться двумя способами: теплопередачей и совершением работы.

Первый закон термодинамики:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил, действующих на нее, и количества теплоты, переданного системе извне.

∆U = A_вн + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа и она не обменивается теплотой с окружающими телами. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

∆U = U₂ - U₁ = 0

Внутренняя энергия замкнутой, изолированной системы сохраняется.

Работа, совершаемая газом, отличается от работы внешних сил только знаком:

A_вн = -А (т.к. F_вн = -F)

Работа и количество теплоты – характеристики процесса изменения внутренней энергии.

Система обладает определенной внутренней энергией. Но нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Работа и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в результате того или иного процесса.

На основе множества наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики формулируется именно для общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

U = A + Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А = 0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). В этом случае U = U₂ – U₁ = 0, или U₂ = U₁:

Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется)

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А’ системы над внешними телами.

Учитывая что А’ = -А, первый закон термодинамики можно сформулировать так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Q = ∆U + A

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты:

Q = ∆U = RT₂ - RT₁ = R∆T

i - число степеней свободы молекул газа

Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами.

При изохорном нагревании давление газа возрастает из-за увеличения средней кинетической энергии молекул.

При изотермическом процессе (∆Т=0) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

Q = A

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы.

При изотермическом расширении молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшают свою скорость и соответственно среднюю энергию.

При изотермическом расширении (A>0) и сжатии (A<0) к газу подводят или отводят (Q<0) определенное количество теплоты.

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличение его внутренней энергии (∆U>0) и на совершение работы газом (A>0)

Q = ∆U + A

Для изобарного расширения газа от V₁ до V₂ , при котором увеличивается его температура, требуется большее количество теплоты, чек при изотермическом процессе, где температура газа не изменяется

Адиабатный процесс – процесс в теплоизолированной системе.

Следовательно, изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы (Q = 0):

∆U = A

Реальные процессы близки к адиабатному, если протекают достаточно быстро, чтобы не успевал происходить теплообмен с окружающей средой.

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается. (Пример: дизель)

При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.(Пример: сжижение газов при быстром расширении)