Билет № 11

Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.

План ответа

1. Внутренняя энергия и ее измерение. 2. Ра-бота в термодинамике. 3. Первый закон термодина-мики. 4. Изопроцессы. 5. Адиабатный процесс.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотиче-ски движутся и взаимодействуют друг с другом, по-этому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия -- это величина, характери-зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си-стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2* т/М * RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутрен-ней энергии: теплопередача и совершение механи-ческой работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача -- это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере-дача бывает трех видов: теплопроводность (непо-средственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излуче-ние (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче яв-ляется количество теплоты (Q).

Закон сохранения энергии: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.

? U = Q + А, где? U - изменение внутренней энергии, Q - кол-во теплоты выделенное системе, А - работа внешних сил

Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда первый закон термодинамики можно записать так: Q = А'+? U

Т.е.: количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами А' = p(V2 - V1)=p? V

Если процесс не является изобарным, величина работы мотет быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и нач. и конеч. Объемами газа. (рис. 13)

Рассмотрим применение первого закона тер-модинамики к изопроцессам, происходящим с иде-альным газом.

В изотермическом процессе температура по-стоянная, следовательно, внутренняя энергия не ме-няется. Тогда уравнение первого закона термодина-мики примет вид: Q = А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому темпе-ратура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и ко-личество теплоты, переданное газу, идет на увеличе-ние его внутренней энергии и на совершение им ра-боты: Q =? U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q =? U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следо-вательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следова-тельно, газ охлаждается, Б' =? U. Кривая, изобра-жающая адиабатный процесс, называется адиабатой.