03. Адиабатный процесс. Изопроцессы в термодинамике

Конспект

В ходе изучения темы «Основы молекулярно-кинетической теории» нами были рассмотрены так называемые изопроцессы, то есть процессы, протекающие при неизменном одном из макроскопических параметров(давлении, объёме или температуре). При подстановке этих данных в уравнение Клапейрона эти условия несколько видоизменяли его. Теперь же мы проделаем схожий анализ, но уже с первым законом термодинамики:

Рассмотрим случай протекания процесса при неизменной температуре:

Так как:

Следовательно:

А, значит, первый закон термодинамики приобретает вид:

Рассмотрев случай для выполнения над газом внешними силами положительной работы:

То есть, при изотермическом сжатии или расширении газ выделяет теплоту в окружающую среду.

Рассмотрим случай, когда процесс протекает при постоянном давлении:

Так как ни в одну термодинамическую величину не входит множитель, то никакое слагаемое первого закона термодинамики не обнуляется, и он сохраняет свой прежний вид:

Теперь рассмотрим, какие изменения произойдут в записи первого закона термодинамики, если процесс происходит в фиксированном объёме.

Так как:

Следовательно:

А значит, первый закон термодинамики приобретает вид:

То есть теряется смысл использования изохорных процессов в тепловых двигателях, ведь вся энергия сгораемого топлива пойдёт на изменение внутренней энергии, и газ не будет совершать полезной работы.

Существует также ещё один очень важный процесс – адиабатный.

Определение.Адиабатный процесс – процесс, протекающий в теплоизолированной системе. То есть без подвода газу или выделения газом теплоты.

Так как:

Первый закон термодинамики приобретает вид:

Или

То есть в результате выполнения над газом работы внешними силами его внутренняя энергия, а следовательно, и температура увеличивается, а при выполнении работы газом – уменьшается.

Наглядными примерами последних двух утверждений являются следующие опыты.

1. В закрытом подвижным поршнем цилиндре находится небольшое количество топлива. После быстрого нажатия на поршень топливо воспламеняется.

2. В закрытом пробкой с продетым шлангом насоса сосуде находится небольшое количество воды. После нагнетания в сосуд определенно количества воздуха, пробка быстро вылетает и в сосуде наблюдается туман (рис. 1).

В двух случаях газ выполняет разные по знаку работы, и, следовательно, изменение внутренней энергии и температуры имеет разные знаки. В обоих случаях делается акцент на быстром изменении объёма потому, что невозможно создать идеально изолированную систему, но если рассматривать очень скоротечный процесс, то тепло не успеет передаться, и процесс можно считать адиабатным.

График адиабатных процессов в координатах P-V выглядит следующим образом (рис. 2).

Начиная со следующего урока, мы переходим к изучению нового раздела физики – электростатики.

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.

2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.

3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Flash-fizika.narod.ru (Источник)

2. Youtube.com (Источник)

3. Nashaucheba.ru (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 82: № 635–639. Физика. Задачник. 10–11 классы.  Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013.

2. При адиабатном расширении 64 г кислорода, находящегося при нормальных условиях, температура увеличилась в 2 раза. Какую работу совершил газ?

3. Определить количество теплоты, которое сообщено 2 кг гелия при постоянном объеме, если его температура повысилась на 100 К. На сколько изменилась внутренняя энергия газа и какая работа была совершена им?

4. * Почему, если сбить вентиль баллона со сжатым воздухом, на горлышке баллона появится иней?