Kaasun puolelta mäntään vaikuttava voima. Työskentele termodynamiikassa. Sisäinen energia. Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö. adiabaattinen prosessi

>>Fysiikka: Työskentely termodynamiikassa

Minkä prosessien seurauksena sisäinen energia voi muuttua? Tiedät jo, että tällaisia ​​prosesseja on kahdenlaisia: työnteko ja lämmönsiirto. Aloitetaan työstä. Mitä se on kaasun ja muiden kappaleiden puristumisen ja laajenemisen aikana?
Työskentele mekaniikan ja termodynamiikan parissa. SISÄÄN mekaniikka työ määritellään voimamoduulin, sen soveltamispisteen siirtymämoduulin ja niiden välisen kulman kosinin tulona. Kun voima vaikuttaa liikkuvaan kappaleeseen, työ on yhtä suuri kuin sen liike-energian muutos.
SISÄÄN koko kehon liikettä ei oteta huomioon, me puhumme makroskooppisen kappaleen osien liikkumisesta toisiinsa nähden. Tämän seurauksena kehon tilavuus voi muuttua ja sen nopeus pysyy nollassa. Termodynamiikassa työ määritellään samalla tavalla kuin mekaniikassa, mutta se ei ole yhtä suuri kuin kehon liike-energian muutos, vaan sen sisäisen energian muutos.
Muutos sisäisessä energiassa työnteon aikana. Miksi kehon sisäinen energia muuttuu, kun keho supistuu tai laajenee? Miksi erityisesti ilma lämpenee, kun täytät polkupyörän rengasta?
Syy kaasun lämpötilan muutokselle sen puristuksen aikana on seuraava: kaasumolekyylien elastisten törmäysten aikana liikkuvan männän kanssa niiden kineettinen energia muuttuu. Joten liikkuessaan kohti kaasumolekyylejä mäntä siirtää osan mekaanisesta energiastaan ​​niille törmäysten aikana, minkä seurauksena kaasu lämpenee. Mäntä toimii kuin jalkapalloilija, joka potkaisee lentävää palloa. Jalka antaa pallolle nopeuden, joka on paljon suurempi kuin se, joka sillä oli ennen iskua.
Kääntäen, jos kaasu laajenee, törmäyksen jälkeen väistyvän männän kanssa molekyylien nopeudet pienenevät, minkä seurauksena kaasu jäähtyy. Sama koskee jalkapalloilijaa, jotta lentopallon nopeutta voidaan hidastaa tai pysäyttää - jalkapalloilijan jalka siirtyy pois pallosta, ikään kuin antaisi sille tietä.
Puristuksen tai laajennuksen aikana myös molekyylien keskimääräinen vuorovaikutuksen potentiaalienergia muuttuu, koska molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys muuttuu tässä tapauksessa.
Työn laskelma. Lasketaan tilavuuden muutoksesta riippuva työ käyttämällä esimerkkiä kaasusta sylinterissä männän alla ( kuva 13.1).

Helpoin tapa on ensin laskea ei kaasuun ulkorungon (männän) puolelta vaikuttavan voiman työtä, vaan kaasun painevoiman tekemää työtä, joka vaikuttaa mäntään voimalla. Newtonin kolmannen lain mukaan . Kaasun puolelta mäntään vaikuttava voimamoduuli on yhtä suuri kuin , Missä s on kaasun paine ja S on männän pinta-ala. Anna kaasun laajeta isobarisesti ja mäntä siirtyy voiman suunnassa pienen matkan verran . Koska kaasun paine on vakio, kaasun työ on:

Tämä työ voidaan ilmaista kaasun tilavuuden muutoksena. Sen alkuperäinen määrä V 1 \u003d Sh 1, ja finaali V 2 \u003d Sh 2. Siksi

missä on kaasun tilavuuden muutos.
Laajentuessaan kaasu tekee positiivista työtä, koska voiman suunta ja männän liikesuunta ovat samat.
Jos kaasu puristetaan, niin kaasun toiminnan kaava (13.3) pysyy voimassa. Mutta nyt , ja siksi (kuva 13.2).

Job A, jonka kaasulle suorittavat ulkoiset kappaleet, eroaa itse kaasun toiminnasta A Ainoa merkki: , koska kaasuun vaikuttava voima on suunnattu voimaa vastaan ​​ja männän siirtymä pysyy samana. Siksi kaasuun vaikuttavien ulkoisten voimien työ on yhtä suuri:

Kun kaasu puristetaan, kun , työskentele ulkoinen voima osoittautuu positiiviseksi. Näin sen pitäisi olla: kun kaasua puristetaan, voiman suunnat ja sen kohdistamispisteen siirtymä ovat samat.
Jos painetta ei pidetä vakiona, kaasu menettää paisumisen aikana energiaa ja siirtää sen ympäröiviin kappaleisiin: nousevaan mäntään, ilmaan jne. Kaasu jäähtyy. Kun kaasua puristetaan, päinvastoin, ulkoiset kappaleet siirtävät siihen energiaa ja kaasu lämpenee.
Teoksen geometrinen tulkinta. tehdä työtä A´ kaasu vakiopaineelle voidaan antaa yksinkertainen geometrinen tulkinta.
Rakennamme kaavion kaasun paineen riippuvuudesta sen miehittämästä tilavuudesta ( kuva 13.3). Tässä on suorakulmion alue abdc, rajoitettu aikataulun mukaan p1=vakio, akseli V ja segmentit ab Ja CD, yhtä kuin kaasun paine, on numeerisesti yhtä suuri kuin työ (13.3):

Yleensä kaasun paine ei pysy vakiona. Esimerkiksi isotermisessä prosessissa se pienenee käänteisesti tilavuuden kanssa ( kuva 13.4). Tässä tapauksessa työn laskemiseksi sinun on jaettava yleinen muutos volyymi pieniksi osiin ja laske perustyö (pieni) ja laske sitten kaikki yhteen. Kaasun työ on edelleen numeerisesti yhtä suuri kuin riippuvuuskäyrän rajoittaman kuvan ala s alkaen V, akseli V ja segmentit ab Ja CD, yhtä suuri kuin paineet p1, p2 kaasun alku- ja lopputilassa.

???
1. Miksi kaasut kuumenevat puristuessaan?
2. Positiivista tai negatiivista työtä tekevät ulkoiset voimat kuvan 13.2 mukaisen isotermisen prosessin aikana?

G.Ja.Mjakišev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotski, fysiikka luokka 10

Jos sinulla on korjauksia tai ehdotuksia tälle oppitunnille,

JA historiallinen viittaus.

1) M.V. Lomonosov, suoritettuaan johdonmukaisen päättelyn ja yksinkertaisia ​​kokeita, tuli johtopäätökseen, että "lämmön syy piilee sidotun aineen hiukkasten sisäisessä liikkeessä ... On hyvin tunnettua, että lämpö kiihtyy liikkeestä: kädet lämpenevät keskinäisestä kitkasta, puu syttyy, kipinät lentävät ulos kun pii osuu teräkseen, rauta hehkuu, kun sen hiukkasia takotaan voimakkailla iskuilla »

2) Tykkitehtaalla työskentelevä B. Rumford huomasi, että tykin piippua porattaessa se kuumenee hyvin. Hän esimerkiksi laittoi noin 50 kg painavan metallisylinterin vesilaatikkoon ja porasi sylinterin poralla kiehumaan laatikossa olevan veden 2,5 tunnissa.

3) Davy teki mielenkiintoisen kokeen vuonna 1799. Kaksi jääpalaa alkoivat sulaa ja muuttua vedeksi hieroessaan toisiaan vasten.

4) Laivan lääkäri Robert Mayer vuonna 1840 Jaavan saarelle purjehtiessaan huomasi, että myrskyn jälkeen vesi meressä on aina lämpimämpää kuin ennen sitä.

Työn laskelma.

Mekaniikassa työ määritellään voiman ja siirtymän moduulien tuloksi: A=FS. Termodynaamisia prosesseja tarkasteltaessa ei oteta huomioon makroelimien mekaanista liikettä kokonaisuutena. Työn käsite liittyy tässä kehon tilavuuden muutokseen, ts. makrorungon liikkuvat osat suhteessa toisiinsa. Tämä prosessi johtaa hiukkasten välisen etäisyyden muutokseen ja usein myös niiden liikkumisnopeuden muutokseen, eli kehon sisäisen energian muutokseen.

Anna olla kaasua sylinterissä, jossa on liikkuva mäntä lämpötilassa T 1 (kuvio). Kuumennamme kaasun hitaasti lämpötilaan T 2. Kaasu laajenee isobarisesti ja mäntä liikkuu paikaltaan 1 paikalleen 2 etäisyys Δ l. Tässä tapauksessa kaasun painevoima vaikuttaa ulkoisiin kappaleisiin. Koska s= const, sitten painevoima F = PS myös vakio. Siksi tämän voiman työ voidaan laskea kaavalla A=F Δ l=PS Δ l=s Δ V, A = p Δ V

missä ∆ V- kaasun tilavuuden muutos. Jos kaasun tilavuus ei muutu (isokorinen prosessi), niin kaasun tekemä työ on nolla.

Miksi kehon sisäinen energia muuttuu supistumisen tai laajenemisen aikana? Miksi kaasu lämpenee puristuessaan ja jäähtyy, kun se laajenee?

Syy kaasun lämpötilan muutokselle puristuksen ja laajenemisen aikana on seuraava: molekyylien elastisten törmäysten aikana liikkuvan männän kanssa niiden kineettinen energia muuttuu.

• Jos kaasu puristetaan, niin molekyylejä kohti liikkuva mäntä siirtää törmäyksessä osan mekaanisesta energiastaan ​​molekyyleille, minkä seurauksena kaasu lämpenee;

• Jos kaasu laajenee, molekyylien nopeudet pienenevät törmäyksen jälkeen vetäytyvän männän kanssa. jonka seurauksena kaasu jäähtyy.

Puristuksen ja laajennuksen aikana myös molekyylien keskimääräinen vuorovaikutuksen potentiaalienergia muuttuu, koska molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys muuttuu tässä tapauksessa.

Kaasuun vaikuttavien ulkoisten voimien työ

• Kun kaasu puristetaan, milloinΔ V = V 2 - V 1 < 0 , A>0, voiman ja siirtymän suunnat ovat samat;
• Kun laajenee, milloinΔ V = V 2 - V 1 > 0, A<0, направления силы и перемещения противоположны.

Kirjoitetaan Clapeyron-Mendeleev yhtälö kahdelle kaasutilalle:

pV 1 = m/M*RT 1 ; pV 2 =m/M* RT 2 ⇒

s(V 2 − V 1 )= m/M*R(T 2 − T 1 ).

Siksi isobarisessa prosessissa

A= m/M*RΔ T.

Jos m = M(1 mol ideaalikaasua), sitten Δ Τ = 1 K saamme R = A. Tästä seuraa yleisen kaasuvakion fyysinen merkitys: se on numeerisesti yhtä suuri kuin työ, jonka tekee 1 mooli ideaalikaasua, kun sitä kuumennetaan isobarisesti 1 K:lla.

Teoksen geometrinen tulkinta:

Jos prosessi ei ole isobarinen (kuva b), käyrä s = f(V) voidaan esittää katkoviivana, joka koostuu suuresta määrästä isokoreja ja isobareja. Isokooristen osien työ on yhtä suuri kuin nolla, ja kaikkien isobaristen osien kokonaistyö on yhtä suuri kuin varjostetun kuvan pinta-ala. Isotermisessä prosessissa ( T= const) työ on yhtä suuri kuin kuvassa c näkyvän varjostetun kuvan pinta-ala.

Termodynamiikassa tarkastellaan makroskooppisen kappaleen hiukkasten liikettä suhteessa toisiinsa. ystävä. Kun työ on tehty, kehon tilavuus muuttuu. Itse kehon nopeus pysyy nollassa, mutta nopeus

Riisi. 1. A' = p∆V

kehon molekyylit muuttuvat! Siksi myös lämpötila muuttuu.kehon. Syynä on se, että törmäyksessä liikkuvan männän kanssa (kaasupuristus) molekyylien liike-energia muuttuu - mäntä luovuttaa osan mekaanisesta energiastaan. Törmäyksessä väistyvän männän kanssa (laajeneminen) molekyylien nopeudet pienenevät, kaasu jäähtyy. Termodynamiikkaa tehtäessä makroskooppisten kappaleiden tila muuttuu: tilavuus ja lämpötila.

Männän alla oleva astiassa oleva kaasu vaikuttaa mäntään voimalla F' = pS , Missä s - kaasun paine, S - männän alue. Jos mäntä liikkuu, kaasu toimii. Oletetaan, että kaasu laajenee vakiopaineessa p. Sitten voimaa F' , jolla kaasu vaikuttaa mäntään, on myös vakio. Anna männän liikkua jonkin verran ∆x(Kuva 1). Kaasun toiminta on: A’ = F’ ∆x = pS∆x = p∆V . on kaasutyö isobaarisen laajenemisen alaisena. Jos V 1 Ja V 2 - kaasun alkuperäinen ja lopullinen tilavuus, sitten kaasun toimintaa varten meillä on: A' = p(V2 − V1) . Laajennettaessa kaasun työ on positiivista. Pakattuna se on negatiivinen. Täten: A' = pΔV on kaasun työtä. A= - pΔV on ulkoisten voimien työtä.

Isobarisessa prosessissa graafin alla oleva pinta-ala koordinaatteina p, V on numeerisesti yhtä suuri kuin työ (kuva 2). Järjestelmän ulkoinen työ on sama kuin järjestelmän työ, mutta päinvastaisella merkillä A = - A'.

Isokoorisessa prosessissa tilavuus ei siksi muutu , mitään työtä ei tehdä isokorisessa prosessissa! A = 0

Jokaisella kappaleella (kaasulla, nesteellä tai kiinteällä) on energiaa, vaikka sillä ei olisi nopeutta ja se olisi maan päällä. Tätä energiaa kutsutaan kotimainen, se johtuu kehon muodostavien hiukkasten kaoottisesta (lämpö)liikkeestä ja vuorovaikutuksesta. Sisäinen energia koostuu järjestelmän mikropartikkelien translaatio- ja värähtelyliikkeiden hiukkasten kineettisestä ja potentiaalienergiasta. Monatomisen ideaalikaasun sisäenergia määräytyy kaavalla: Kehon sisäinen energia voi muuttua vain sen vuorovaikutuksen seurauksena muiden kappaleiden kanssa. Olemassa kaksi tapaa muuttaa sisäistä energiaa: lämmönsiirto ja mekaaniset työt(esim. lämmitys kitkalla tai puristamalla, jäähdytys paisuttamalla).
Lämmönsiirto - tämä on muutos sisäisessä energiassa ilman työtä: energiaa siirtyy kuumennetuista kappaleista vähemmän kuumennettuihin kappaleisiin. Lämmönsiirtoa on kolmea tyyppiä: johtuminen(suora energian vaihto vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden tai saman kehon osien satunnaisesti liikkuvien hiukkasten välillä); konvektio(energian siirto neste- tai kaasuvirroilla) ja säteilyä(energian siirto sähkömagneettisten aaltojen avulla). Lämmönsiirron aikana siirretyn energian mitta on lämmön määrä (K).
Nämä menetelmät yhdistetään kvantitatiivisesti energian säilymisen laki , joka lämpöprosesseissa lukee muodossa : suljetun järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään siirtyneen lämmön määrän ja järjestelmään kohdistuvien ulkoisten voimien työn summa., Missä ΔU - sisäisen energian muutos, K - järjestelmään siirretyn lämmön määrä, A - ulkoisten voimien työ. Jos järjestelmä itsessään toimii, niin se merkitään tavanomaisesti A' . Sitten lämpöprosessien energian säilymislaki, jota kutsutaan termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö , voidaan kirjoittaa näin: järjestelmään siirretty lämpömäärä käytetään järjestelmän suorittamaan työhön ja sen sisäisen energian muuttamiseksi).
Harkitse hakemusta termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö isoprosesseihin, jotka tapahtuvat ihanteellisen kaasun kanssa.

Isotermisessä prosessissa lämpötila on vakio, joten sisäinen energia ei muutu. Sitten termodynamiikan ensimmäisen lain yhtälö saa muodon: Q = A' eli järjestelmään siirtyvä lämpömäärä menee työhön isotermisen laajenemisen aikana, minkä vuoksi lämpötila ei muutu.

Isobarisessa prosessissa kaasu laajenee ja kaasuun siirtyvä lämpömäärä menee lisäämään sen sisäistä energiaa ja tekemään työtä: Q \u003d ΔU + A '

Isokoorisessa prosessissa kaasu ei muuta tilavuuttaan, joten se ei tee mitään työtä, ts. A = 0 . Lain yhtälöllä I on muoto Q = ΔU (siirretty lämpömäärä menee lisäämään kaasun sisäistä energiaa).

Prosessia kutsutaan adiabaattiseksi. virtaa ilman lämmönvaihtoa ympäröivien kappaleiden kanssa. Esimerkki lämpöeristetystä astiasta on termospullo. Adiabaattiseen prosessiin Q = 0 siksi kaasu toimii paisumisen aikana vähentämällä sisäistä energiaansa, joten kaasu jäähtyy, A' = - ΔU . Jos pakotat kaasun tekemään riittävän paljon työtä, voit jäähdyttää sen hyvin. Kaasujen nesteytysmenetelmät perustuvat tähän. Sitä vastoin adiabaattisen puristuksen prosessissa A'< 0 , Siksi ∆U > 0 : Kaasu lämmitetään. Adiabaattista ilmalämmitystä käytetään dieselmoottoreissa polttoaineen sytyttämiseen

Lähes kaikkiin todellisiin prosesseihin liittyy lämmönsiirtoa: adiabaattiset prosessit ovat harvinainen poikkeus.

Kuvaavia esimerkkejä adiabaattisista prosesseista:

1. Korkilla suljetussa astiassa, jonka läpi on pujotettu pumpun letku, on vesipisaroita. Kun alukseen on pakotettu tietty määrä ilmaa, korkki lentää nopeasti ulos ja aluksessa havaitaan sumua (kuva).
2. Liikkuvan männän sulkemassa sylinterissä on pieni määrä polttoainetta. Kun mäntää painetaan nopeasti, polttoaine syttyy.

« Fysiikka - luokka 10 "

Mitkä prosessit voivat muuttaa sisäistä energiaa?
Miten työ määritellään mekaniikassa?

Työskentele mekaniikan ja termodynamiikan parissa.

SISÄÄN mekaniikka työ määritellään voimamoduulin, sen soveltamispisteen siirtymämoduulin ja voiman ja siirtymän vektorien välisen kulman kosinin tulona. Kun voima vaikuttaa liikkuvaan kappaleeseen, tämän voiman työ on yhtä suuri kuin sen liike-energian muutos.

Työskennellä termodynamiikka määritellään samalla tavalla kuin mekaniikassa, mutta se ei ole yhtä suuri kuin kehon liike-energian muutos, vaan sen sisäisen energian muutos.

Muutos sisäisessä energiassa työnteon aikana.

Miksi kehon sisäinen energia muuttuu, kun se supistuu tai laajenee? Miksi erityisesti ilma lämpenee, kun täytät polkupyörän rengasta?

Syy kaasun lämpötilan muutokselle sen puristuksen aikana on seuraava: kaasumolekyylien elastisten törmäysten aikana liikkuvan männän kanssa niiden kineettinen energia muuttuu.

Puristuksen tai laajennuksen aikana myös molekyylien keskimääräinen vuorovaikutuksen potentiaalienergia muuttuu, koska molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys muuttuu tässä tapauksessa.

Joten liikkuessaan kohti kaasumolekyylejä mäntä siirtää osan mekaanisesta energiastaan ​​niille törmäysten aikana, minkä seurauksena kaasun sisäinen energia kasvaa ja se lämpenee. Mäntä toimii kuin jalkapalloilija potkaisee häntä kohti lentävää palloa. Jalkapalloilijan jalka antaa pallolle nopeuden, joka on paljon suurempi kuin mitä hänellä oli ennen törmäystä.

Kääntäen, jos kaasu laajenee, törmäyksen jälkeen väistyvän männän kanssa molekyylien nopeudet pienenevät, minkä seurauksena kaasu jäähtyy. Sama koskee jalkapalloilijaa lentopallon nopeuden vähentämiseksi tai sen pysäyttämiseksi - jalkapalloilijan jalka siirtyy pois pallosta, ikään kuin antaisi hänelle tietä.

Laskemme kaasuun vaikuttavan voiman ulkorungon (männän) puolelta tilavuuden muutoksesta riippuen männän alla olevassa sylinterissä olevasta kaasusta (kuva 13.1), kun taas kaasun paine pidetään vakiona. Ensin lasketaan kaasun painevoiman tekemä työ, joka vaikuttaa mäntään voimalla ". Jos mäntä nousee hitaasti ja tasaisesti, niin Newtonin kolmannen lain mukaan = ". Tässä tapauksessa kaasu laajenee isobaarisesti.

Kaasun puolelta mäntään vaikuttavan voiman moduuli on F "= pS, missä p on kaasun paine ja S on männän pinta-ala. Kun mäntää nostetaan pieni matka Δh = h 2 - h 1, kaasun työ on:

A" \u003d F "Δh \u003d pS (h 2 - h 1) \u003d p (Sh 2 - Sh 1). (13.2)

Kaasun käyttämä alkutilavuus V 1 = Sh 1 ja lopullinen V 2 = Sh 2. Siksi on mahdollista ilmaista kaasun työ tilavuuden muutoksen kautta ΔV \u003d (V 2 - V 1):

A" \u003d p (V 2 - V 1) \u003d pΔV\u003e 0. (13.3)

Laajentuessaan kaasu tekee positiivista työtä, koska voiman suunta ja männän liikesuunta ovat samat.

Jos kaasu puristetaan, niin kaasun toiminnan kaava (13.3) pysyy voimassa. Mutta nyt v2< V 1 , и поэтому А < 0.

Ulkoisten kappaleiden kaasulle suorittama työ A eroaa itse kaasun työstä A vain merkillä:

A \u003d -A "\u003d -pΔV. (13.4)

Kun kaasua puristetaan, kun ΔV \u003d V 2 - V 1< 0, работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки её приложения совпадают.

Jos painetta ei pidetä vakiona, kaasu menettää paisumisen aikana energiaa ja siirtää sen ympäröiviin kappaleisiin: nousevaan mäntään, ilmaan jne. Kaasu jäähtyy. Kun kaasua puristetaan, päinvastoin, ulkoiset kappaleet siirtävät siihen energiaa ja kaasu lämpenee.

Teoksen geometrinen tulkinta. Kaasun työ A" vakiopaineen tapauksessa voidaan antaa yksinkertainen geometrinen tulkinta.

Vakiopaineessa kaasun paineen riippuvuuden käyrä sen varaamasta tilavuudesta on abskissa-akselin suuntainen viiva (kuva 13.2). On selvää, että suorakulmion abdc pinta-ala, jota rajoittaa kuvaaja px = const, akseli V ja segmentit ab ja cd vastaavat kaasun painetta, on numeerisesti yhtä suuri kuin kaavan (13.3) mukainen työ:

A" = p1(V2 - V2) = |ab| |ac|.

Yleensä kaasun paine ei pysy vakiona. Esimerkiksi isotermisessä prosessissa se pienenee käänteisesti tilavuuden kanssa (kuva 13.3). Tässä tapauksessa työn laskemiseksi sinun on jaettava kokonaistilavuuden muutos pieniin osiin ja laskettava perustyö (pieni) ja laskettava ne sitten yhteen. Kaasun työ on edelleen numeerisesti yhtä suuri kuin kuvion pinta-ala, jota rajoittaa p:n vs. V-käyrä, V-akseli ja segmentit ab ja cd, joiden pituus on numeerisesti yhtä suuri kuin paineet p 1 p 2 kaasun alku- ja lopputilassa.

Lämpöilmiöitä voidaan kuvata käyttämällä suureita (makroskooppisia parametreja), jotka on tallennettu välineillä, kuten manometrillä ja lämpömittarilla. Nämä laitteet eivät reagoi yksittäisten molekyylien vaikutuksiin. Termoprosessien teoriaa, joka ei ota huomioon kappaleiden molekyylirakennetta, kutsutaan termodynamiikaksi. Tämä on jo mainittu luvussa 1. Tässä luvussa tutkimme termodynamiikkaa.

§ 5.1. Työskentele termodynamiikassa

Luvussa 3 tarkastelimme erilaisia ​​prosesseja, jotka muuttavat termodynaamisen järjestelmän tilaa. Olemme käsitelleet pääasiassa ihanteellisen kaasun tilan muutosta isotermisten, isobaristen ja isokoristen prosessien aikana.

Termodynaamisten prosessien lisäkäsittelyä varten on tarpeen tutkia yksityiskohtaisesti, minkä seurauksena ulkoisten vaikutusten seurauksena minkä tahansa termodynaamisen järjestelmän tila voi muuttua. On olemassa kaksi olennaisesti erityyppistä vaikutusta, jotka johtavat järjestelmän tilan muutokseen, eli termodynaamisten parametrien muutokseen.- paine p, tilavuusV, lämpötila T, joka kuvaa tilaa. Ensimmäinen- Tämä työn tekeminen.

Työskentele mekaniikan ja termodynamiikan parissa

Mekaniikassa tarkastellaan makroskooppisten kappaleiden liikettä. Työ määritellään voiman ja siirtymän moduulien ja voiman ja siirtymän välisen kulman kosinin tulona. Työ tapahtuu voiman tai useiden voimien vaikutuksesta liikkuvaan makroskooppiseen kappaleeseen ja on yhtä suuri kuin sen liike-energian muutos.

Termodynamiikassa kappaleen liikettä kokonaisuutena ei oteta huomioon, vaan puhutaan makroskooppisen kappaleen osien liikkeestä suhteessa toisiinsa. Kun työ on tehty, kehon tilavuus muuttuu ja sen nopeus pysyy nollassa. Mutta kappaleen, kuten kaasun, molekyylien nopeudet muuttuvat. Siksi myös kehon lämpötila muuttuu.

Syy on seuraava: molekyylien elastisten törmäysten aikana liikkuvan männän kanssa (kaasun puristuksen tapauksessa) niiden kineettinen energia muuttuu. Joten liikkuessaan molekyylejä kohti mäntä siirtää osan mekaanisesta energiastaan ​​niihin törmäysten aikana, minkä seurauksena kaasu lämpenee. Mäntä toimii kuin jalkapalloilija, joka kohtaa lentävän pallon potkulla ja antaa pallolle nopeuden, joka on paljon suurempi kuin mitä hänellä oli ennen potkua *.

* Ongelmaa pallon nopeuden muuttamisesta sen elastisen törmäyksen aikana liikkuvaan seinään käsitellään yksityiskohtaisesti § 6.12 "Mekaniikka" (tehtävä 5).

Kääntäen, jos kaasu laajenee, törmäyksen jälkeen väistyvän männän kanssa molekyylien nopeudet pienenevät, minkä seurauksena kaasu jäähtyy. Jalkapalloilija toimii samalla tavalla: hidastaakseen lentävän pallon nopeutta tai pysäyttääkseen sen, jalkapalloilijan jalka siirtyy pois pallosta, ikään kuin antaisi sille tietä.

Joten termodynamiikkaa tehdessään makroskooppisten kappaleiden tila muuttuu: niiden tilavuus ja lämpötila muuttuvat.

Työn laskelma

Laskemme työn tilavuuden muutoksen mukaan käyttämällä esimerkkiä kaasusta männän alla olevassa sylinterissä (kuva 5.1). Helpoin tapa on ensin laskea ei voiman työtä , kaasuun vaikuttaminen ulkorungon (männän) puolelta ja kaasun itsensä tekemä työ, joka vaikuttaa mäntään voimalla . Newtonin kolmannen lain mukaan
.

Kaasun puolelta mäntään vaikuttava voimamoduuli on yhtä suuri kuin F" = PS, Missä R on kaasun paine ja S on männän pinta-ala. Anna kaasun laajentua ja männän liikkua voiman suuntaan pieni matka Δ h = h 2 – h 1 Jos siirtymä on pieni, kaasun painetta voidaan pitää vakiona.

Kaasun toiminta on:

Tämä työ voidaan ilmaista kaasun tilavuuden muutoksena. Alkutilavuus V 1 = Sh 1 , ja lopullinen V 2 = Sh 2 . Siksi

missä ∆ V = V 2 - V 1 - kaasun tilavuuden muutos.

Laajentuessaan kaasu tekee positiivista työtä, koska männän voiman ja siirtymän suunnat ovat samat.

Jos kaasu puristetaan, kaasun toiminnan kaava (5.1.2) pysyy voimassa. Mutta nyt V 2 < V 1 ja siksi A"< 0 (Kuva 5.2).

Ulkoisten kappaleiden kaasulle suorittama työ A eroaa kaasun työstä A" vain allekirjoittaa: A= -A", koska voima , joka vaikuttaa kaasuun, on suunnattu voimaa vastaan
, ja liike pysyy samana. Siksi kaasuun vaikuttavien ulkoisten voimien työ on yhtä suuri:

(5.1.3)

Miinusmerkki osoittaa, että kaasun puristuksen aikana, kun Δ V = V 2 - V 1 < 0, работа внешней силы положительна. Понятно, почему в этом случае А >0: kun kaasua puristetaan, voiman ja siirtymän suunnat ovat samat. Kun kaasu laajenee, päinvastoin, työ ulkoiset elimet negatiivinen (A< 0), так как ΔV = V 2 – V 1 > 0. Nyt voiman ja siirtymän suunnat ovat vastakkaiset.

Lausekkeet (5.1.2) ja (5.1.3) eivät kelpaa ainoastaan ​​kaasun puristamiseen tai paisumiseen sylinterissä, vaan myös pienelle muutokselle minkä tahansa järjestelmän tilavuudessa. Jos prosessi on isobaarinen (p = const), näitä kaavoja voidaan soveltaa suuriin tilavuuden muutoksiin.