Как найти работу если изменяется давление

Кроме понятия «работа изменения объема», в термодинамических расчетах широко используют понятие «работа изменения давления».

Работой изменения давления называется работа перемещения жидкостей, газов и паров из области высокого давления () в область низкого давления (). Ее значение определяют либо по формулам:

,                             (6.7)

,                              (6.8)

либо графически, пользуясь -диаграммой.

Здесь W – работа изменения давления; V – средний объем; w – удельная работа изменения давления; v – средний удельный объем.

Графически удельная работа изменения давления определяется площадью 1234 на -диаграмме (рис. 6.3), ограниченной осью ординат и двумя абсциссами , проведенными из крайних точек линии процесса.

В результате замены этой площади (пл.) равновеликой ей площадью прямоугольника 3456 высотой, равной разности , и основанием, равным среднему удельному объему газа (v) в процессе, устанавливаем, что

пл. 1234 = пл. 3456 = .

Работа изменения давления положительная, если  > , и отрицательная, если  < .

Найдем связь между удельными работами изменения объема (l) и изменения давления (w).

Пусть на -диаграмме линия 1 – 2 изображает процесс произвольного состояния рабочего тела (рис. 6.4). В этом случае пл. 1234 (заштрихованная вертикальными линиями) графически изображает удельную работу изменения объема (l) ,а пл. 1256 (заштрихованная горизонтальными линиями) – удельную работу изменения давления (w).

Рис. 6.3. PV-диаграмма

Рис. 6.4. PV-диаграмма

Из рисунка 6.4 видно что

пл. 1234 + пл. 6140 – пл. 5032 = пл. 6125

или

,

откуда

.                           (6.9)

После подстановки удельной работы изменения объема, определенной по формуле (6.9), в уравнение первого начала термодинамики (6.2) имеем:

.

Сгруппируем слагаемые последнего выражения следующим образом:

.                      (6.10)

Введем обозначение:

.

Величина h называется удельной энтальпией, и поскольку ее определяют три параметра состояния, то и сама она является параметром состояния.

Подставив значения h в формулу (6.9) ,получим еще один вид уравнения первого начала термодинамики:

.                        (6.11)

Значения удельной энтальпии определяют по справочникам.

Физический смысл величины h можно выяснить путем исследования уравнения (6.11), записанного в дифференциальной форме:

.

При p = const имеем:

,

т.е. dh есть элементарное количество теплоты, подведенное к термодинамическому телу в процессе при постоянном давлении.

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.

Газ, находящийся в сосуде под поршнем, действует на поршень с силой , где — давление газа, — площадь поршня. Если при этом поршень перемещается, то газ совершает работу.

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).

к оглавлению ▴

Работа газа в изобарном процессе

Предположим, что газ расширяется при постоянном давлении . Тогда сила , с которой газ действует на поршень, также постоянна. Пусть поршень переместился на расстояние (рис. 1).

Рис. 1.

Работа газа равна:

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

(1)

Если и — начальный и конечный объём газа, то для работы газа имеем: . Изобразив данный процесс на -диаграмме, мы видим, что работа газа равна площади прямоугольника под графиком нашего процесса (рис. 2).

Рис. 2. Работа газа как площадь

Пусть теперь газ изобарно сжимается от объёма до объёма . С помощью аналогичных рассуждений приходим к формуле:

Но , и снова получается формула (1).

Работа газа опять-таки будет равна площади под графиком процесса на -диаграмме, но теперь со знаком минус.

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

к оглавлению ▴

Работа газа в произвольном процессе

Геометрическая интерпретация работы газа (как площади под графиком процесса на -диаграмме) сохраняется и в общем случае неизобарного процесса.

Действительно, рассмотрим малое изменение объёма газа — настолько малое, что давление будет оставаться приблизительно постоянным. Газ совершит малую работу . Тогда работа газа во всём процессе найдётся суммированием этих малых работ:

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

Рис. 3. Работа газа как площадь

к оглавлению ▴

Работа, совершаемая над газом

Наряду с работой , которую совершает газ по передвижению поршня, рассматривают также работу , которую поршень совершает над газом.

Если газ действует на поршень с силой , то по третьему закону Ньютона поршень действует на газ с силой , равной силе по модулю и противоположной по направлению: (рис. 4).

Рис. 4. Внешняя сила , действующая на газ

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

Так, в процессе расширения газ совершает положительную работу ; при этом работа, совершаемая над газом, отрицательна . Наоборот, при сжатии работа газа отрицательна , а работа, совершаемая поршнем над газом, положительна 0 right )’ class=’tex’ alt=’left ( {A}’ > 0 right )’ />.

Будьте внимательны: если в задаче просят найти работу, совершённую над газом, то имеется в виду работа .

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

Опыт показывает, что эти способы независимы — в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты , и если в то же время над телом совершена работа , то изменение внутренней энергии тела будет равно:

(2)

Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом. Тогда (где , как всегда, есть работа самого газа). Формула (2) принимает вид: , или

(3)

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.

к оглавлению ▴

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.

1. Изотермический процесс, .
Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: . Тогда формула (3) даёт:

Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.

2. Изохорный процесс, .
Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: . Тогда первый закон термодинамики даёт:

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

3. Изобарный процесс, .
Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы (для которой справедлива формула (1)). Имеем:

к оглавлению ▴

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.

При адиабатном процессе . Из первого закона термодинамики получаем: , или .

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.

Наоборот, в процессе адиабатного сжатия будет , поэтому : газ нагревается. Адиабатное нагревание воздуха используется в дизельных двигателях для воспламенения топлива.

Кривая, изображающая ход адиабатного процесса, называется адиабатой. Интересно сравнить ход адиабаты и изотермы на -диаграмме (рис. 5).

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.

Работа газа: задачки второго уровня

В этой статье будут рассмотрены чуть более сложные задачи, которые иногда потребуют от нас изображения графика процесса (или хотя бы четкого представления о нем). Нужно помнить, что работа численно равна площади под кривой, если процесс изображается в осях .

Задача 1.

Некоторый газ расширяется от объема л до объема л. Давление при этом изменяется по закону , где Па/м. Найти работу, совершаемую газом. Поглощается или выделяется энергия в этом процессе?

График зависимости давления от объема для этого газа представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Площадь фигуры под графиком численно равна работе. Нам остается только определить площадь трапеции, умножив ее среднюю линию на высоту.

За высоту примем , тогда средняя линия равна . Отсюда работа газа:

Выясним, поглощается или выделяется энергия в этом процессе. Для этого можно определить внутреннюю энергию газа до и после расширения, или же ее изменение. Изменение внутренней энергии одноатомного газа определяется выражением:

Ответ: 0,24 мДж, энергия поглощается.

Задача 2.

Один киломоль идеального газа первоначально находился при давлении и занимал объем . В процессе расширения до объема по закону газ совершает работу. Определить работу, совершенную газом, и найти изменение температуры газа в этом процессе.

Начальное состояние газа описывается уравнением:

Конечное – уравнением:

Тогда из первого уравнения начальная температура газа равна:

А конечная температура:

Изменение же температуры:

Из данного закона изменения объема получим: , тогда

Так как зависимость давления от объема линейная, то работа, как и в предыдущей задаче, найдется как площадь треугольника под графиком этой зависимости:

Ответ: ,

Задача 3.

Газ расширяется от давления Па до давления Па по закону , где Па/м. Найти работу, совершаемую газом при таком расширении.

И снова линейная зависимость давления от объема. То бишь опять все та же трапеция, площади которой она численно равна:

Из данного закона изменения давления определяем:

Тогда , .

Найдем работу:

Ответ:  Дж

Задача 4.

Температура некоторой массы идеального газа молярной массы меняется по закону , где . Найти работу, совершенную газом при увеличении объема от до . Поглощается или выделяется тепло в таком процессе?

Так как растет объем, то температура, очевидно, тоже растет:

Тогда увеличивается внутренняя энергия газа:

Из основного газового закона имеем:

Или

Сокращая, получим, что давление зависит от объема линейно:

Тогда работа численно равна площади под прямой (площади трапеции), и может быть вычислена как:

Тогда работа:

Ответ:

Задача 5.

Объем газа увеличился в 2 раза: один раз изотермически, другой раз изобарически. В каком из этих случаев газ совершил большую работу?

Из рисунка хорошо видно, что при изобарическом процессе фигура под кривой (точнее, под прямой, потому что в координатах изобарный процесс – прямая, параллельная ос абсцисс) представляет собой прямоугольник, и его площади численно равна работа. При изотермическом процессе фигура обладает меньшей площадью (фигура голубого цвета).

При изучении физики в восьмом классе мы говорили о том, что
изменить состояние термодинамической системы, то есть её внутреннюю энергию, можно
двумя способами: используя теплопередачу или совершая механическую работу.
Поговорим о последней более подробно.

Итак, когда мы изучали механику, мы с вами говорили о том,
что работа силы (то есть механическая работа) связана с превращением одного
вида энергии в другой, например, механической энергии во внутреннюю. При этом работу
силы мы рассматривали как меру изменения энергии физической системы.

А вот как определить работу в термодинамике, ведь при
рассмотрении термодинамических процессов механическое перемещение макротел в
целом не рассматривается?

Забавно, но работа в термодинамике определяется так же, как и
в механике, но она равна изменению не механической энергии тела, а изменению
его внутренней энергии.

Итак, давайте рассмотрим газ, находящийся в цилиндрическом
сосуде с площадью основания S, и закрытый
подвижным поршнем. Взаимодействие газа с поршнем, а также со стенками сосуда
можно характеризовать давлением, которое газ оказывает на них.

Начнём медленно нагревать газ так, чтобы его давление не
изменялось. Очевидно, что в этом случае газ будет изобарически расширяться, а
поршень начнёт перемещаться за счёт работы силы давления газа над внешними
телами.

Предположим, что поршень переместился на расстояние ∆l.
Так как в процессе расширения давление газа не изменялось, то и сила давления
газа на поршень оставалась неизменной:

F
= pS.

Поэтому работу этой силы мы можем найти как произведение
модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между направлением вектора
силы и вектора перемещения (в нашем примере правда, этот угол равен нулю):

Подставим в записанное уравнение выражение для силы давления:

А теперь давайте подумаем, что определяет произведение площади
основания сосуда (она же площадь основания поршня) и модуля перемещения поршня?..
Да, оно определяет приращение объёма:

Тогда работа газа при его изобарном расширении будет
определяться произведением давления газа на изменение его объёма:

Из этой формулы следует, что сила давления газа совершает
работу только в процессе изменения объёма газа.

А так как давление газа всегда величина положительная, то из
формулы также следует, что при расширении газ совершает положительную работу. При
сжатии же газа сила давления будет совершать отрицательную работу.

Процесс медленного изобарного сжатия газа можно
характеризовать и работой внешних сил над газом, которая отличается от работы
самого газа только знаком:

А теперь давайте запишем уравнение Клайперона — Менделеева
для двух состояний газа в цилиндре:

И вычтем из второго уравнение первое:

В левой части полученного равенства у нас стоит произведение
давления газа на изменение его объёма. А это, как мы с вами нашли ранее, есть не
что иное, как работа газа при изобарном процессе:

Теперь предположим, что в сосуде под поршнем находится один
моль идеального газа и в результате изобарного расширения его температура
изменилась на один кельвин. Тогда получим, что «А равно Эр»:

Отсюда вытекает физический смысл универсальной газовой
постоянной: она численно равна работе, совершаемой одним молем идеального
газа при его изобарном нагревании на один кельвин.

Работе газа при его изобарном расширении или сжатии можно
дать простое геометрическое токование. Для этого давайте построим график
зависимости давления газа от занимаемого им объёма. Очевидно, что графиком
является прямая линия, параллельная оси абсцисс.

А площадь прямоугольника, ограниченного графиком процесса,
осью V и прямыми, соответствующими значениям объёмов в начальном и
конечном состояниях газа, — это есть ничто иное, как работа газа.

Если процесс перехода газа из начального состояния в конечное
не является изобарным, то кривую зависимости давления газа от занимаемого им
объёма можно представить как ломаную, состоящую из большого числа изохор и
изобар. Работа на изохорных участках равна нулю, а суммарная работа на всех
изобарных участках будет равна площади заштрихованной фигуры.

А теперь для закрепления материала решим с вами несколько
классических задач. В первой задаче нам необходимо будет определить работу, совершаемую
силой давления идеального газа определённой массы при его изобарном нагревании от
290 К до 355 К, если давление газа и его начальный объём соответственно 200 кПа
и 0,1 м³.

Задача 2. Идеальный газ в количестве 3 молей находится
при температуре 350 К. После изохорного охлаждения, в результате которого
давление уменьшилось в два раза, газ испытывает изобарное расширение, причём в
конечном состоянии температура равна первоначальной. Изобразите графически эти
процессы в осях p, V и вычислите совершённую газом работу.

При изменении объема газа, газ совершает работу.

При изобарическом процессе работа определяется как A = p∆V, где

A ― работа газа [Дж],

p ― давление газа [Па],

∆V ― изменение объема [м3].

Отсюда видно, что если объём газа не меняется, то есть ∆V = 0, то работа не совершается.

При расширении газа его работа положительна.

При сжатии газа работа отрицательна.

Работа, совершаемая газом, равна площади под графиком на PV диаграмме. На рисунке работа равна площади трапеции:

Внутренняя энергия идеального газа есть сумма кинетических энергий его частиц (энергией взаимодействия частиц пренебрегаем).

Внутренняя энергия идеального газа определяется формулой U = $frac{3}{2}; kT$ , где:

U ― внутренняя энергия [Дж],

T ― температура газа в Кельвинах [К],

k ― постоянная Больцмана, равная 1,38 10–23 [Дж/К].

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, в применении к тепловым явлениям. Оно гласит, что тепло, полученное газом, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы.

Q = ∆U + A, где

Q ― тепло, полученное газом [Дж],

∆U ― изменение внутренней энергии [Дж],

A ― работа газа [Дж].

Адиабатический процесс — термодинамический процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.

В первом начале термодинамики при адиабатическом процессе необходимо положить Q = 0.

Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезно использованной энергии газа, ко всей полученной энергии:

$eta = frac{Q_{H} — Q_{X}}{Q_H}$где

η ― коэффициент полезного действия, КПД,

QH ― количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж],

QX ― количество теплоты, отданное холодильнику [Дж].

Цикл Карно — максимально возможный КПД любой тепловой машины.

КПД цикла Карно определяется температурами нагревателя и холодильника.

$eta = frac{T_H — T_X}{T_H}$ где

η ― коэффициент полезного действия , КПД,

ТН ― температура нагревателя [К],

ТХ ― температура холодильника [К].