чему равна работа газа при изотермическом процессе

Внутренняя энергия и работа идеального газа

теория по физике 🧲 термодинамика

Числом степеней свободы механической системы называют количество независимых величин, с помощью которых может быть задано положение системы.

Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму только кинетической энергии всех молекул, а потенциальной энергией взаимодействия можно пренебречь:

i — степень свободы. i = 3 для одноатомного (или идеального) газа, i = 5 для двухатомного газа, i = 6 для трехатомного газа и больше.

Изменение внутренней энергии идеального газа в изопроцессах

Температура при изотермическом процессе — величина постоянная. Так как внутренняя энергия идеального газа постоянной массы в замкнутой системе зависит только от изменения температуры, то она тоже остается постоянной.

Пример №1. На рисунке показан график циклического процесса, проведенного с идеальным газом. На каком из участков внутренняя энергия газа уменьшалась?

image1 2

Внутренняя энергия газа меняется только при изменении температуры. Так как она прямо пропорциональная температуре, то уменьшается она тогда, когда уменьшается и температура. Температура падает на участке 3.

Работа идеального газа

Если газ, находящийся под поршнем, нагреть, то, расширяясь, он поднимет поршень, т.е. совершит механическую работу.

image2 2

Механическая работа вычисляется по формуле:

Перемещение равно разности высот поршня в конечном и начальном положении:

Также известно, что сила равна произведению давления на площадь, на которое это давление оказывается. Учтем, что направление силы и перемещения совпадают. Поэтому косинус будет равен единице. Отсюда работа идеального газа равна произведению давления на площадь поршня:

Работа идеального газа

p — давление газа, S — площадь поршня

Работа, необходимая для поднятия поршня — полезная работа. Она всегда меньше затраченной работы, которая определяется изменением внутренней энергии идеального газа при изобарном расширении:

A ‘ = p ( V 2 − V 1 ) = p Δ V > 0

Внимание! Знак работы определяется только знаком косинуса угла между направлением силы, действующей на поршень, и перемещением этого поршня.

Работа идеального газа при изобарном сжатии:

A ‘ = p ( V 2 − V 1 ) = p Δ V 0

Работа идеального газа при нагревании газа:

Внимание! В изохорном процессе работа, совершаемая газом, равна нулю, так как работа газа определяется изменением его объема. Если изменения нет, работы тоже нет.

Геометрический смысл работы в термодинамике

В термодинамике для нахождения работы можно вычислить площадь фигуры под графиком в осях (p, V).

Примеры графических задач

Изохорное охлаждение и изобарное сжатие:

Изобарное расширение:

image3 2
Изобарное сжатие:

image4 2
Изохорное охлаждение:

image5 2
image6 2
Замкнутый цикл: 1–2:

A ‘ = ( p 1 − p 3 ) ( V 2 − V 1 )

image7 2
Произвольный процесс:

image8 2

Пример №2. На pV-диаграмме показаны два процесса, проведенные с одним и тем же количеством газообразного неона. Определите отношение работ A2 к A1 в этих процессах.

image9 2

Неон — идеальный газ. Поэтому мы можем применять формулы, применяемые для нахождения работы идеального газа. Работа равна площади фигуры под графиком. С учетом того, что в обоих случаях изобарное расширение, получим:

A 2 = p ( V 2 − V 1 ) = 4 p ( 5 V − 3 V ) = 4 p 2 V = 8 p V

A 1 = p ( V 2 − V 1 ) = p ( 5 V − V ) = 4 p V

Видно, что работа, совершенная во втором процессе, вдвое больше работы, совершенной газом в первом процессе.

Screenshot 1 1Идеальный одноатомный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 (см. диаграмму). Масса газа не меняется. Как изменяются при этом следующие три величины: давление газа, его объём и внутренняя энергия?

Для каждой величины подберите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Screenshot 2 1

Алгоритм решения

Решение

На графике идеальный одноатомный газ изотермически сжимают, так как температура остается неизменной, а давление увеличивается. При этом объем должен уменьшаться. Но внутренняя энергия идеального газа определяется его температурой. Так как температура постоянна, внутренняя энергия не изменяется.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Один моль аргона, находящийся в цилиндре при температуре T1=600 K и давлении p1=4⋅10 5 Па, расширяется и одновременно охлаждается так, что его температура при расширении обратно пропорциональна объёму. Конечное давление газа p2=10 5 Па. Какое количество теплоты газ отдал при расширении, если при этом он совершил работу A=2493 Дж?

Источник

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:

30555a40ab9ca0b34.25637379,

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.

00629455a40e583efd81.30894451

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 30555a40ab9ca0b34.25637379,

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А = рΔV=0) газом не совершается.

Источник

Работа газа при изопроцессах

dark fb.4725bc4eebdb65ca23e89e212ea8a0ea dark vk.71a586ff1b2903f7f61b0a284beb079f dark twitter.51e15b08a51bdf794f88684782916cc0 dark odnoklas.810a90026299a2be30475bf15c20af5b

caret left.c509a6ae019403bf80f96bff00cd87cd

caret right.6696d877b5de329b9afe170140b9f935

1. Изобарный процесс (p = const). При изобарном процессе работа газа при увеличении объема от V1 до V2 равна:

image651,

а первое начало термодинамики для изобарного процесса примет вид:

image653.

2. Изохорный процесс (V = const). При изохорном процессе газ не совершает работы против внешних сил, то есть А=0, а первое начало термодинамики для изохорного процесса примет вид:

image655.

т. е. все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на увеличение его внутренней энергии.

3. Изотермический процесс (T=const). Работа при изотермическом расширении газа:

image657.

Так как при постоянной температуре внутренняя энергия идеального газа не изменяется, то первое начало термодинамики для изотермического процесса:

image659,

то есть все количество теплоты Q, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы A против внешних сил.

Источник

РАБОТА ПРИ ИЗОПРОЦЕССАХ

Изопроцессы – это равновесные процессы, происходящие с термодинамическими системами, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным.

7.1. Изохорный процесс (V = const)

image059 image060 Диаграмма этого процесса — изохора— в коор­динатах (p,V) изображается прямой, параллельной оси ординат (ось p). Процесс 2-1 — изохорный нагрев, процесс 2-3 — изохорное охлаждение. image062При изохорном процессе газ не совершает работу над внешними телами (δΑ = pdV = 0) и вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии (δQ = dU). Поскольку dUμ = Cv·dT, то для произвольной массы газа:

7.2. Изобарный процесс (р = const)

image063 image064 Диаграмма этого процесса — изобара— в координатах (p,V) изобра­жается прямой параллельной оси абсцисс (ось V). При изобарном процессе работа газа при увеличении объема от Vl до V2 равна: image066и определяется площадью заштрихованного прямоугольника.

Используя уравнение Менделеева-Клайперона

image068, получаем image070,

Физический смысл универсальной газовой постоянной R:

R численно равна работе изобарного расширения 1моля идеального газа при нагревании его на 1 К.

7.3. Изотермический процесс (Т = const)

image076 image077 Диаграмма этого процесса — изотерма — в коор­динатах (p,V) представляет собой гиперболу. Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта (pV = const). Работа изотермического расширения газа:

Так как при T = constвнутренняя энергия идеального газа не изменяется, то из первого начала термодинамики следует, что δQ = δA,то есть все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуетсяна совершение имработы против внешних сил.

Поэтому, для того, чтобы при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.

8. Адиабатический процесс (δQ = 0).

Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой (δQ = 0).

К адиабатическим процессам можно отнести все быстропротекающие процессы (теплообмен не успевает совершиться), например, распространение звука в среде, циклы расширения и сжатия в двигателях внутреннего сгорания, в холодильных установках и т. д.

Из первого начала термодинамики следует, что при адиабатическом процессе

image079

Используя image081и image083,получим

image085(1)

C другой стороны, из image087следует image089(2)

Разделив (2) на (1) получим:

image091или image093, (3)

где image095— коэффициент Пуассона. Интегрирование уравнения (3) дает

image097

Откуда следует уравнение Пуассона – уравнение адиабатического процесса:

image099

image100используя уравнение Менделеева-Клайперона image101, получаем:

image103

Адиабата (pV γ = const) более крута, чем изотерма (pV = const). Это объясняется тем, что при адиабатическом сжатии (1 – 3) увеличение давления газа обусловлено не только уменьшением его объема, но и повышением температуры.

9. Работа газа в адиабатическом процессе

В адиабатическом процессе image105, поэтому image107.

image109,

Откуда получаем, используя уравнение Менделеева-Клапейрона image111:

image113.

Работа адиабатического расширения 1-2 (заштрихованная площадь) меньше, чем при изотермическом процессе. Это объясняется тем, что при адиабатическом расширении происходит охлаждение газа, тогда как при изотермическом расширении температура поддерживается постоянной за счет притока извне эквивалентного количества теплоты.

10. Политропические процессы (С = const)

Процесс, в котором теплоемкость остается постоянной (С = const)называется политропическим.

Рассмотренные выше изохорный, изотермический, изобарный и адиабатический процессы — это частные случаи политропного процесса.

Уравнение политропы : pV n = const

где коэффициент image115называется показателем политропы.

Значения теплоемкости и показателя политропы для разных процессов приведены в таблице:

Процесс С n
Адиабатический С = 0 n = γ
Изотермический С = ∞ n = 1
Изобарический С = Ср n = 0
Изохорный С = СV n = ± ∞

Теплоемкость при изотермическом процессе бесконечно велика, поскольку температура не изменяется (dT = 0) при подводе тепла (δQ ≠ 0).

Теплоемкость при адиабатическом процессе равна нулю, поскольку нет подвода тепла (δQ = 0), хотя температура изменяется (dT ≠ 0).

11. Круговой процесс (цикл)

image116image117

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние.

На (p,V)-диаграмме цикл изобража­ется замкнутой кривой, где участок 1-2 соответствует расширению, а 2-1 — сжатию газа.

Дата добавления: 2014-12-20 ; просмотров: 16464 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Первый закон термодинамики

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: работа в термодинамике, первый закон термодинамики, адиабатный процесс.

Начнём с обсуждения работы газа.

При расширении газа эта работа будет положительной (сила давления газа и перемещение поршня направлены в одну сторону). При сжатии работа газа отрицательна (сила давления газа и перемещение поршня направлены в противоположные стороны).

Работа газа в изобарном процессе

St10 01

Но — изменение объёма газа. Поэтому для работы газа при изобарном расширении мы получаем формулу:

St10 02

Рис. 2. Работа газа как площадь

Итак, формула выражает работу газа при постоянном давлении — как в процессе расширения газа, так и в процессе сжатия.

Работа газа в произвольном процессе

Но данный интеграл как раз и является площадью криволинейной трапеции (рис. 3 ):

St10 03

Рис. 3. Работа газа как площадь

Работа, совершаемая над газом

St10 04

Следовательно, работа поршня равна по модулю и противоположна по знаку работе газа:

Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы.

Соотношение (3) называется первым законом термодинамики. Смысл его прост: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.

Напомним, что величина может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа — температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.

Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.

Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии.

Адиабатный процесс

Процесс называется адиабатным, если он идёт без теплообмена с окружающими телами.

Адиабатный процесс совершается газом, находящимся в теплоизолированном сосуде. Такой сосуд препятствует всем видам теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучению. Пример теплоизолированного сосуда — термос.

Приблизительно адиабатным будет всякий процесс, протекающий достаточно быстро: в течение процесса теплообмен просто не успевает произойти.

В процессе адиабатного расширения газ совершает положительную работу, поэтому (работа совершается за счёт убыли внутренней энергии). Следовательно, газ охлаждается. Если заставить газ совершить достаточно большую работу, охладить его можно весьма сильно. Именно на этом основаны методы сжижения газов.

St10 05

Рис. 5. Сравнительный ход изотермы и адиабаты

В обоих процессах давление убывает с увеличением объёма, но в адиабатном процессе убывание идёт быстрее. Почему?

При изотермическом расширении давление падает потому, что уменьшается концентрация частиц газа, в результате чего удары частиц по стенкам сосуда становятся реже. Однако интенсивность этих ударов остаётся прежней: ведь температура газа не меняется — значит, не меняется и средняя кинетическая энергия его частиц.

А при адиабатном расширении, наряду с уменьшением концентрации частиц, падает также и температура газа. Удары частиц становятся не только более редкими, но и более слабыми. Вот почему адиабата убывает быстрее изотермы.

Источник

admin
Делаю сам
Adblock
detector