Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес

У термодинаміці розглядаються системи, механічна енергія яких при переході з одного термодинамічного стану в інший не змінюється. У такому разі, якщо зовнішні сили виконали роботу $A′$ й одночасно системі передано певну кількість теплоти $Q$, то вся енергія йде на зміну внутрішньої енергії системи ($∆U$) . Закон збереження та перетворення енергії в такому випадку називають першим законом (началом) термодинаміки.

Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) при переході з одного термодинамічного стану в інший дорівнює сумі роботи A′ зовнішніх сил і кількості
теплоти Q, переданої системі або переданої системою навколишнім тілам у процесі теплообміну:

Δ U = A^{'} + Q

Якщо згадати, що робота над газом рівна роботі газу, але з протилежним знаком, то перший закон термодинаміки можна сформулювати так:

Кількість теплоти $Q$, передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи ($∆U$) та на виконання системою роботи $A$ проти зовнішніх сил:

Q = Δ U + A

Згідно з першим законом термодинаміки неможливо створити вічний двигун першого роду — циклічний пристрій, який виконував би механічну роботу без споживання енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж споживана ним енергія.

Розглянемо, якого вигляду набуде перший закон термодинаміки у випадках, якщо ідеальному газу незмінної маси передавати деяку кількість теплоти таким чином, що один із макроскопічних параметрів газу ($V$, $p$ або $T$) залишатиметься незмінним.

Ізохорний процес ($∆V=0$)	Ізотермічний процес ($∆T=0$)	Ізобарний процес ($∆p=0$)
У ході цього процесу об’єм газу не змінюється і газ роботу не виконує, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: $Q = Δ U$ . При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу. Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює: $Q = Δ U = \frac{3}{2} υ R Δ T = \frac{3}{2} V Δ p$ .	У ході цього процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: $Q = A$ При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.	У ході цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: $Q = Δ U + A$ .При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи. Якщо газ одноатомний і ідеальний то: $\begin{array}{l} Q = Δ U + A \\ Q = \frac{3}{2} υ R Δ T + υ R Δ T \\ Q = \frac{5}{2} υ R Δ T \\ Q = \frac{5}{2} Δ Vp \end{array}$

Адіабатний процес — це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. При адіабатному процесі кількість теплоти $Q$, передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд:

\begin{array}{l} - Δ U = A \\ Δ U = - A \\ Δ U = A^{'} \end{array}

Оскільки $p=nkT$, у разі адіабатного стиснення тиск газу зростає набагато швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зі збільшенням концентрації молекул газу збільшується і його температура. Аналогічно в разі адіабатного розширення тиск падає швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зменшуються і концентрація, і температура газу.

У реальних умовах процес, близький до адіабатного, можна здійснити, якщо газ міститиметься всередині деякої оболонки з дуже хорошими термоізоляційними властивостями. Адіабатними можна вважати й процеси, які відбуваються дуже швидко, тому що в такому випадку газ не встигає обмінятися теплотою з навколишнім середовищем (наприклад, розширення і стиснення повітря в ході поширення звукових хвиль; розширення газу під час вибуху). Збільшення температури внаслідок різкого стиснення повітря використовується в дизельному двигуні, в якому відсутня система запалювання пальної суміші.

Попередня тема

Повернутись до теми

Наступне завдання

Відправити відгук

Знайшли помилку?

Розкажіть нам!

1. Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес

Теорія: