Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Решение всех задач термодинамики опирается на первый закон, который фактически является термодинамическим аналогом закона сохранения энергии. Кратко рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

Первый закон термодинамики

Из курса физики за 10 класс известно, что согласно первому закону термодинамики (иногда говорят «первому началу») изменение внутренней энергии системы в любых процессах равно работе внешних сил и количеству теплоты, переданного системе. В виде формулы это можно отразить так:

$$ΔU=A+Q$$

Данный закон работает для любых процессов. Если система не совершает работы и к ней не подводится тепло, то ее внутренняя энергия останется неизменной, независимо от того, что произошло с газом.

Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

Рис. 1. Первый закон термодинамики.

Изопроцессы

Наиболее ярко действие первого закона термодинамики видно на примере газовых процессов.

Газовый процесс — это изменение состояния некоторого количества идеального газа, в котором изменяются его макроскопические параметры: объем, давление, температура. Чтобы проще рассматривать газовый процесс, обычно считают, что один из параметров зафиксирован, а меняются только остальные два. Такой процесс называется изопроцессом. При этом любой процесс с изменением всех трех параметров можно представить как два последовательных изопроцесса.

Поскольку макроскопических параметров три, то и и изопроцессов возможно три — изохорный (постоянный объем), изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура). Иногда к ним добавляется еще один, четвертый, процесс, который, строго говоря, изопроцессом не является, однако имеет важные особенности, — это адиабатный процесс, в котором газ не обменивается теплом со внешней средой.

Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

Рис. 2. Изопроцессы.

Рассмотрим, как работает первый закон термодинамики для изопроцессов.

Теплоемкость газа в изопроцессах

Первое начало термодинамики позволяет связывать количество тепла, переданное газу с его температурой, — то есть производить определение его теплоемкости.

Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

Рис. 3. Теплоемкость.

Жидкие и твердые тела мало меняют свой объем при изменении температуры, теплоемкость у них также изменяется незначительно. Теплоемкость газов же значительно зависит от процесса, происходящего с газом.

Изохорный процесс

При изохорном процессе объем газа постоянен. Следовательно, и работа равна нулю. А значит, согласно первому началу, всё подведенное к газу тепло пойдет на изменение внутренней энергии:

$$ΔU=Q$$

Для одноатомного газа:

$$Q = {3m over 2M}RΔT$$

Следовательно, удельная теплоемкость равна:

$$c_V = {Q over mΔT}={3R over 2M}$$

А молярная теплоемкость:

$$С_V = {3 over 2}R$$

Изобарный процесс

При изобарном процессе происходит как изменение внутренней энергии, так и совершение работы. Согласно первому началу термодинамики имеем:

$$Q= ΔU+A =ΔU+pΔV$$

Учитывая уравнение состояния (для одного моля газа):

$$pV=RT$$

И формулу теплоемкости при постоянном давлении:

$$Q_p=C_pΔT$$

Получим:

$$C_pΔT =C_VΔT+RΔT$$

Или после сокращения:

$$C_p =C_V + R$$

То есть для одноатомного газа:

$$С_p = {5 over 2}R$$

Изотермический процесс

Для изотермического процесса температура газа остается постоянной, и внутренняя энергия газа не меняется, сколько бы тепла газу не передавалось. То есть формально теплоемкость при таком процессе стремится к бесконечности:

$$C_T rightarrow ∞$$

Адиабатный процесс

При адиабатном процессе работа газа совершается исключительно за счет изменения внутренней энергии:

$$ΔU=A$$

Поскольку $Q=0$, и теплообмен с внешней средой отсутствует, теплоемкость газа в адиабатном процессе также стремится к нулю:

$$C_{Q=0} rightarrow 0$$

Что мы узнали?

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии газа равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного газу. С помощью этого закона можно определить количество тепла, необходимое, чтобы сообщить газу в различных изопроцессах, то есть определить его теплоемкость.

Беликова Ирина

Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

Оцените автора
Добавить комментарий

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector