при каком процессе все сообщенное идеальному газу количество теплоты идет на совершение работы
При каком процессе все сообщенное идеальному газу количество теплоты идет на совершение работы
Первый закон термодинамики позволяет вычислить изменение параметров идеального газа при тепловых и механических процессах.
Так, если в газе протекают изопроцессы, первый закон термодинамики может быть записан в частном виде.
При изотермическом процессе изменения внутренней энергии в идеальном газе не происходит и все подводимое к газу количество теплоты идет на совершение им работы.
При изохорном процессе объем газа остается постоянным. Соответственно, не совершается работа и внутренняя энергия газа изменяется исключительно за счет теплообмена с окружающей средой.
(Индекс означает, что процесс протекает при постоянном объеме).
– удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.
Подставляя это выражение в уравнение первого закона термодинамики для изохорного процесса, имеем:
С другой стороны, для одноатомного идеального газа
Приравняв правые части уравнений и произведя соответствующие преобразования, имеем:
При изобарном процессе изменение внутренней энергии газа происходит как за счет теплообмена, так и за счет совершения механической работы. Если к газу подводится некоторое количество теплоты, то оно частично расходуется на увеличение внутренней энергии газа, частично на совершение газом работы при его расширении.
(Индекс означает, что процесс протекает при постоянном давлении).
Таким образом оказывается, что для повышения температуры газа на одно и то же количество градусов при постоянном давлении надо сообщить ему большее количество теплоты, чем при постоянном объеме, так часть теплоты расходуется на совершение работы.
Из уравнения Менделеева–Клапейрона следует, что
Таким образом,
С учетом того, что
Полученное уравнение носит название уравнения Майера.
Кроме рассмотренных, возможен еще вариант, когда термодинамическая система не обменивается теплотой с окружающей средой. Процесс, происходящий при этом с газом, называется адиабатным. При адиабатном процессе работа совершается газом за счет убыли его внутренней энергии, либо наоборот, за счет совершения над газом работы, увеличивается его внутренняя энергия. ;
Адиабатный процесс и его результаты можно пронаблюдать с помощью следующих опытов. Бутылку из светлого стекла закрепим в штативе и закроем пробкой, сквозь которую пропущена трубка. На трубку надет шланг, соединенный с нагнетающим насосом. Будем увеличивать давление воздуха в бутылке до тех пор, пока из нее не будет выбита пробка. Газ, расширяясь, совершает работу. В результате этого его внутренняя энергия уменьшается, соответственно, падает и температура. Об уменьшении температуры газа можно судить по появлению в сосуде тумана.
Насыпем в запаянный с одного конца прозрачный цилиндр легковоспламеняющееся вещество. В качестве такого вещества используется одна раздавленная в пыль головка от спички. Вставим в цилиндр поршень. При резком сжатии газа, находящегося в цилиндре, его внутренняя энергия повышается, соответственно, повышается и температура. Это приводит к воспламенению горючего вещества.
При каком процессе все сообщенное идеальному газу количество теплоты идет на совершение работы
Используя первый закон термодинамики, установите соответствие между особенностями теплового процесса в идеальном газе и его названием.
К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго и внесите в строку ответов выбранные цифры под соответствующими буквами.
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА
НАЗВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА
А) Все передаваемое газу количество теплоты идет на совершение газом работы
Б) Изменение внутренней энергии газа равно количеству переданной теплоты, при этом газ не совершает работы
Согласно первому началу термодинамики, переданное газу тепло идет на изменение его внутренней энергии и на совершение газом работы против внешних сил: В процессе А все передаваемое идеальному газу количество теплоты идет на совершение газом работы, а значит, внутренняя энергия газа не изменяется. Следовательно, не изменяется температура газа, процесс А — изотермический (А — 2). В процессе Б газ не совершает работы. Это означает, что его объем не изменяется. Такой процесс называется изохорным (Б — 1).
Первый закон термодинамики.
Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).
Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Манером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.
Первый закон термодинамики формулируется так:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
где ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа внешних сил, Q — количество теплоты, переданной системе.
При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.
Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение (ΔU = A + Q) записывается в виде:
,
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника (т. е. только за счет внутренней энергии).
Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты, являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.
Изохорный процесс.
Зависимость р(Т) на термодинамической диаграмме изображается изохорой.
Изохорный (изохорический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.
Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.
При изохорном процессе объем газа не меняется (ΔV= 0), и, согласно первому началу термодинамики ,
т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А =рΔV=0) газом не совершается.
Если газ нагревается, то Q > 0 и ΔU > 0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q 0) он совершает положительную работу (A’ > 0). Если газ отдает тепло окружающей среде Q < 0 и A’ < 0. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой p(V).
Изобарный процесс.
Изобарный процесс на термодинамической диаграмме изображается изобарой.
Изобарный (изобарический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением р.
Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.
При изобарном процессе, согласно формуле , передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии ΔU и на совершение им работы A’ при постоянном давлении:
Работа идеального газа определяется по графику зависимости p(V) для изобарного процесса (A’ = pΔV).
Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.
Адиабатический процесс (адиабатный процесс) — это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой (Q = 0).
Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия U может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.
Согласно первому началу термодинамики (ΔU = А + Q), в адиабатной системе
где A — работа внешних сил.
При адиабатном расширении газа А < 0. Следовательно,
,
что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении. Оно приводит к тому, что давление газа уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе. На рисунке ниже адиабата 1-2, проходящая между двумя изотермами, наглядно иллюстрирует сказанное. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатическом расширении от объема V1, до V2.
Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором — уменьшаются).
Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля.
В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы ΔU1 не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,
Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: ΔUi= Qi. Учитывая , получим:
,
Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.
При каком процессе все сообщенное идеальному газу количество теплоты идет на совершение работы
Используя первый закон термодинамики, установите соответствие между особенностями теплового процесса в идеальном газе и его названием.
К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго и внесите в строку ответов выбранные цифры под соответствующими буквами.
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА
НАЗВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА
А) Все передаваемое газу количество теплоты идет на совершение газом работы
Б) Изменение внутренней энергии газа равно количеству переданной теплоты, при этом газ не совершает работы
Согласно первому началу термодинамики, переданное газу тепло идет на изменение его внутренней энергии и на совершение газом работы против внешних сил: В процессе А все передаваемое идеальному газу количество теплоты идет на совершение газом работы, а значит, внутренняя энергия газа не изменяется. Следовательно, не изменяется температура газа, процесс А — изотермический (А — 2). В процессе Б газ не совершает работы. Это означает, что его объем не изменяется. Такой процесс называется изохорным (Б — 1).
Первый закон термодинамики.
Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).
Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Манером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.
Первый закон термодинамики формулируется так:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
где ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа внешних сил, Q — количество теплоты, переданной системе.
При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.
Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение (ΔU = A + Q) записывается в виде:
,
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника (т. е. только за счет внутренней энергии).
Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты, являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.
Изохорный процесс.
Зависимость р(Т) на термодинамической диаграмме изображается изохорой.
Изохорный (изохорический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.
Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.
При изохорном процессе объем газа не меняется (ΔV= 0), и, согласно первому началу термодинамики ,
т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А =рΔV=0) газом не совершается.
В процессе А все передаваемое идеальному газу количество теплоты идет на совершение газом работы, а значит, внутренняя энергия газа не изменяется. Следовательно, не изменяется температура газа, процесс А — изотермический (А — 2). В процессе Б газ не совершает работы. Это означает, что его объем не изменяется. Такой процесс называется изохорным (Б — 1).
,
,
,
