Конспект уроку: Робота в термодинаміці. Перший закон термодинаміки

Робота в термодинаміці

Робота газу за умови сталого тиску дорівнює:

де (V₂ – V₁) - приріст об’єму газу.

При розігріві газу в термоізольованому поршні його об’єм зростається, а тиск залишається постійним. Величина роботи газу за умови сталого тиску чисельно дорівнює площі паралелепіпеду між прямими 1-2 і їх проекцією на вісь абсцис (виділено синім кольором).

Рис. Робота газу

Процес ізобарний. Отже, діюча на поршень сила визначається як:

F = р S,

де S - площа поршня.

Робота газу рівна:

А =F_l = р S_l,

де S_l - приріст об’єму газу (V₂ – V₁).

Остаточно отримаємо:

A = p (V₂-V₁)

Перший закон термодинаміки

Повна енергія термодинамічної системи - це сума енергій:

• величезного числа частинок з яких складається система, які неперервно рухаються і взаємодіють між собою;

• енергії руху системи як єдиного цілого;

• потенціальної енергії системи у полі зовнішніх сил.

Внутрішня енергія системи - сума кінетичної енергії теплового руху молекул й потенціальної енергії їх взаємодії.

Для ідеального газу його внутрішня енергія є кінетичною енергією руху його молекул, яка залежить від температури газу і не залежить від об'єму.

Можливі два способи передачі енергії:

• перший - виконання механічної роботи (деформація, рух із тертям, тощо);

Робота виконується проти сил тертя, що виникають між рухомим тілом і поверхнею. В результаті температура в зоні тертя зростає, що свідчить про передачу енергії механічного руху в внутрішню енергію тіла.

Рис. Способи передачі енергії через роботу

В результаті деформації стальної пластинки температура її зростає Т2>Т1 що свідчить про перетворення механічної енергії деформування пластинки в її внутрішню енергію. Т1 - температура пластинки в стані спокою, Т2 - температура пластинки після багаторазової деформації.

Рис. Способи передачі енергії через роботу

Механічна робота обертання палички виконується проти сил тертя. Кількість тепла, що виділяється в результаті тертя, може привести до загорання.

• другий - теплообмін (нагрівання, плавлення, пароутворення, тощо); передану енергію в цьому випадку називають кількістю теплоти.

Рис. Теплопередача. В результаті безпосереднього контакту двох тіл з температурами Т: і Т2 відбувається передача тепла шляхом теплопровідності від більш нагрітого до менш нагрітого тіла і температури тіл стають однаковими Т3.

Рис. Кипіння. При кипінні відбувається передача енергії в вигляді теплообміну між нагрівником і водою.

Названі два способи передачі енергії не є рівноцінними, оскільки механічна робота може йти на збільшення будь-якого виду енергії (пружної, потенціальної, електричної, тощо), в результаті теплообміну може змінюватись лише внутрішня енергія системи.

Формулювання першого закону термодинаміки:

У теплових процесах кількість теплоти, яку отримує система йде як на збільшення внутрішньої її енергії так і на виконання роботи.

Q = ∆U + А

в залежності від характеру процесу величини Q, ∆U, А можуть бути як додатними, так і від'ємними:

Q > 0: система отримує кількість теплоти;

Q <0: система віддає тепло;

∆U > 0: внутрішня енергія системи зростає;

∆U < 0: внутрішня енергія системи зменшується;

A > 0: система виконує роботу над зовнішніми тілами;

A < 0: зовнішні тіла виконують роботу над системою.

Перший закон термодинаміки записати можна і так:

∆U = Q - A

Зміна внутрішньої енергії системи здійснюється за рахунок приросту кількості теплоти й виконання над системою роботи зовнішніми тілами.

Інше формулювання першого закону:

Побудувати вічний двигун першого роду неможливо, або неможливо побудувати теплову машину, яка могла б виконувати роботу без одержання енергії ззовні (чи виконувала би більшу роботу, ніж одержана із зовні енергія).