Как найти работу при изохорном нагревании

Изохорный процесс
(V
= сonst).

Так как система
не изменяет своего объема, она не
совершает работы над внешними телами

; А=0
, тогда
, (3.4.1)

При изохорном
процессе работа газом не совершается,
а поступающее (или отдаваемое) тепло
равно изменению внутренней энергии.

Изобарный процесс
(P=сonst).

При постоянном
давлении объем системы меняется, и она
может совершать работу
,

. (3.4.2)

Используя уравнение
состояния идеального газа

(P
= Const),
можно записать

. (3.4.3)

Из I
начала термодинамики

,

откуда

. (3.4.4)

При изобарическом
процессе часть поступающего тепла
расходуется на увеличение внутренней
энергии, а часть – на совершение
макроскопической работы.

Изотермический
процесс (T
= сonst)

При изотермическом
процессе температура системы не меняется
и, следовательно
.
Тогда из I
начала термодинамики
,
,
т.е.
,
или Q
= A΄.
Из уравнения состояния идеального газа

можно выразить Р:
,
тогда

и

. (3.4.5)

Следовательно,

.

При изотермическом
процессе внутренняя энергия газа не
меняется, вся полученная теплота идет
на совершение работы.

Адиабатический
процесс ().

При адиабатическом
процессе к системе не подводится теплота.
В этом случае
.
Из уравнения адиабаты

давление
.
Тогда

и

. (3.4.6)

При адиабатическом
процессе работа совершается газом за
счет уменьшения его внутренней энергии.

Найдем выражение
для вычисления работы в политропическом
процессе. Будем использовать уравнение
политропы в параметрах (p,V).
Если известны значения давления и объема
в некотором состоянии
,
тогда

. (3.4.7.)

Покажем, что
изотермический, изобарный, изохорный
и адиабатный процессы являются частными
случаями политропического процесса. В
адиабатном процессе
,
следовательно

и уравнения политропы (3.3.12), (3.3.13), (3.3.14)
переходят в уравнения адиабаты в виде
(3.3.4), (3.3.5) и (3.3.6) соответственно.

Теплоемкость при
изотермическом процессе равна
бесконечности, следовательно
.
Из уравнений (3.3.12) и (3.3.14) получаем условие
,
а выражение (3.3.13) переходит в закон
Бойля-Мариотта
.
Показатель политропы в изобарном
процессе равен нулю, поэтому из (3.3.12)
получаем уравнение изобары
.
Для изохорного процесса показатель
.
Уравнение политропы (3.3.14) преобразуем
к виду

, (3.4.8)

откуда получается
уравнение изохоры
.

Рассмотрим процесс
не являющийся квазиравновесным –
расширение газа в пустоту. Пусть имеется
сосуд в адиабатически изолированной
оболочке, разделенный на две части. В
одной части давление

и температура
,
в другой части газа нет. Если перегородку
убрать мгновенно, то возникает
неравновесное состояние с потоками
частиц, отличными от нуля. В дальнейшем,
в процессе выравнивания параметров,
потоки затухают и через некоторый
промежуток времени в сосуде устанавливается
равновесное состояние при температуре
.
Так как перегородка убирается мгновенно,
то газ не совершает работу против внешних
сил; так как система адиабатически
изолирована, количество теплоты газу
не передается и не отнимается,
следовательно, его внутренняя энергия
не изменяется. В модели идеального газа,
это означает, что температура газа
остается постоянной.

К процессу расширения
газа в пустоту нельзя применить результат,
полученный для квазиравновесного
процесса адиабатного расширения, для
которого
.

Применим полученные
результаты к анализу процесса
распространения звука в газах.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Для осуществления изохорного процесса в идеальном газе или жидкости достаточно постепенно нагревать или охлаждать действующее вещество в сосуде, который не изменяет своего изначального объёма и находится в замкнутом пространстве.

При изохорическом процессе общее давление идеального газа будет всегда прямо пропорционально его начальной температуре. Графики, которые изображают указанное физическое явление линиями, называются изохоры.

Для идеального газа они являются прямыми и стабильными во всех диаграммах, которые связывают такие основные параметры:

• $T$ (температура рабочего тела);
• $V$ (объем исследуемого вещества);
• $P$ (внутреннее давление).

История возникновения теории изохорного процесса

Наиболее часто первые научные исследования изохорного процесса связывают с физиком-теоретиком Гийомом Амонтоном . В своей первой работе «Парижские мемуары», которая была выпущена в 1702 году, изобретатель детально описал поведение идеального газа в фиксированном объёме внутри так называемого «воздушного стабильного термометра». Жидкость в нём находится всегда в равновесии под влиянием атмосферного давления и энергии исследуемого элемента в резервуаре. При постепенном нагревании давление и объем в замкнутом пространстве увеличивается, и жидкость вытесняется в следующий, выступающий столб.

«Изохорный процесс в термодинамике» 👇

В начале 1801 года физик Джон Дальтон в двух своих известных эссе опубликовал новый эксперимент, в котором определил, что все пары и газы, исследованные при неизменном давлении, одинакового расширяются и уменьшаются при изменении температуры, если соответствующий начальный и конечный показатель были одинаковы. Данный закон получил в науке название закона Гей-Люссака, так как именно этот исследователь вскоре смог провести самостоятельные опыты и подтвердил одинаковое распределение различных газов, получив в итоге практически тот самый коэффициент, что и Дальтон. Впоследствии ученый объединил свою теорию с законом Бойля — Мариотта, что позволило более понятно описывать в том числе и сам изохорный процесс.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Простая формулировка первого термодинамического закона может звучать приблизительно так: изменение внутренней энергии той или иной концепции возможно только при наличии внешнего воздействия.

То есть иными словами, чтобы в системе произошли любые изменения необходимо приложить усилия извне. Именно первый закон термодинамики устанавливает, почему все многочисленные попытки исследователей потерпели неудачу, ведь ученые так и не смогли изобрести «вечный двигатель», существование которого считается абсолютно невозможным согласно этому самому закону.

Изохорным процессом в термодинамике называют физическим процесс, происходящий при постоянном, равномерном объеме. То есть, если в газе или жидкости нагреть определенное вещество в сосуде, произойдет изучаемое явление, так как объем элементов в такой системе останется неизменным. Это условие имеет существенное влияние и на первый термодинамический закон термодинамики, проходящий в основном при изохорном процессе.
В изохорном процессе объем рабочих тел $V$ является постоянной константой, следовательно, газ работы не совершает $A = 0$.

Из этого возможно вывести следующую формулу: $Q = ΔU = U (T_2) – U (T_1)$. Здесь $U (T_1)$ и $U (T_2)$ — внутренние энергии идеального газа, которые были зафиксированы в начальном и конечном положениях. Внутренняя энергия исследуемого элемента напрямую зависит только от первостепенной температуры (закон Джоуля).

При изохорном систематическим нагревании все тепло материального тела поглощается газом $(Q > 0)$, и его внутренняя энергия постепенно увеличивается. При охлаждении тепло будет отдаваться внешним элементам $(Q $

Метод исследования данного процесса заключается в следующем:

• изначально выводится уравнение физического явления (взаимосвязь между начальными и конечными показателями рабочего тела);
• вычисляется дальнейшая работа изменения объема газа;
• устанавливается точное количество теплоты, отведенное или подведенной к исследуемому объекту;
• определяется изменение внутренней энергии и энтропии концепции в процессе.

Поскольку внутренняя энергия является главной функцией состояния материального тела, то формулы изохорного процесса справедливы для любого термодинамического процесса идеального газа.

Применение эффекта изохорного процесса

Изохорный процесс зачастую осуществляется в жидкостях и газах, расположенных в замкнутом сосуде с постоянным объемом. При этом явлении система не выполняет работы, и подведённая теплота $Q$ полностью расходуется на изменение тепловой энергии: $dU = Dq$.

В идеальном газе в ходе изохорного процесса давление прямо пропорционально температуре – закон Шарля. Для неидеального газа закон Шарля невозможно применить, так как часть сообщённой газу теплоты идет строго на увеличение энергетического потенциала взаимодействия элементарных частиц.

При идеальном цикле Отто, который максимально приближённо внедрен в бензиновый двигатель внутреннего сгорания, такты 2—3 и 4—1 считаются изохорными процессами. Совершаемая на выходе мотора работа равна разности основных работ, которую производит газ над конкретным поршнем во время третьего такта и рабочего хода, включающий поршень на сжатие действующего вещества во время второго такта. Так как в указанном цикле используются принципы принудительного зажигания смеси, то происходит увеличение сжатия газа в 7—12 раз.

В другом цикле, под названием Стирлинг, также присутствуют два главных изохорных такта. Для его осуществления в устройстве добавлен мощный регенератор. Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепловую энергию от рабочего тела к регенератору, а при обратном движении возвращает его рабочей системе. Идеальный цикл Стирлинга достигает стопроцентной обратимости, а затем и тех же величин, что и цикл Карно.

Определение

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:

U=∑Ek0=NEk0=mNAM·ikT2=i2·mMRT=i2νRT=i2pV

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

Основная формула	ΔU=32·mMRT=32νRT=32νR(T2−T1)
Изотермический процесс	ΔU=0 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.
Изобарное расширение	ΔU=32νR(T2−T1)=32(pV2−pV1)=32pΔV
Изохорное увеличение давления	ΔU=32νR(T2−T1)=32(p2V−p1V)=32VΔp
Произвольный процесс	ΔU=32νR(T2−T1)=32(p2V2−p1V1)

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

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.

Механическая работа вычисляется по формуле:

A=Fscosα

Перемещение равно разности высот поршня в конечном и начальном положении:

s=h2−h1

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

F=pS

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(V2−V1)=pΔV>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(V2−V1)=pΔV<0

Работа идеального газа при нагревании газа:

A‘=νRΔT=νR(T2−T1)=mMνRΔT

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

Изобарное расширение: A‘=p(V2−V1) A‘>0
Изобарное сжатие: A‘=p(V2−V1) A‘<0
Изохорное охлаждение: V=const A‘=0
Изохорное охлаждение и изобарное сжатие: 1–2: A‘=0 2–3: A‘=pΔV<0
Замкнутый цикл: 1–2: A‘>0 2–3: A‘=0 3–4: A‘<0 4–1: A‘=0 A‘=(p1−p3)(V2−V1)
Произвольный процесс: A‘=p1+p22(V2−V1)

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.

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:

A2=p(V2−V1)=4p(5V−3V)=4p2V=8pV

A1=p(V2−V1)=p(5V−V)=4pV

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

Алиса Никитина | Просмотров: 15.2k

В термодинамике давление, объем и температуру называют макроскопическим параметрами. В каждом из трех изопроцессов один из макроскопических параметров остается неизменным.

Изопроцессами, в свою очередь, называют изменение термодинамических систем макроскопических тел.

Как уже отмечалось, в изохорном процессе неизменен объем, в изотермическом постоянной остается температура, в изобарическом – давление.  

Наиболее удобно рассматривать термодинамические процессы на примере идеальных газов.

Условие осуществления изохорного процесса в идеальном газе

Необходимым и достаточным условием для протекания изопроцесса в идеальном газе или жидкости является постепенное изменение – увеличение или уменьшение – температуры вещества, в котором происходит процесс. Первоначальный объем вещества должен оставаться неизменным, для чего вещество помещается в замкнутое пространство, т. е. в закрытый сосуд.  

Зависимость температуры и давления идеального газа в изохорном процессе

В изохорном процессе давление идеального газа всегда прямо пропорционально его температуре. В реальных газах эта зависимость не выполняется.

На графиках такое физическое явление как изохорный нагрев (охлаждение) отображает изохора. Это линия, связывающая три физических параметра:

• температуру рабочего тела (вещества) – T;
• объем рабочего тела (вещества) – V;
• внутренне давление – Р.

Для идеальных газов изохоры всегда являются прямыми линиями.

Возникновение и развитие теории изохорного процесса

В 1702 году французский физик-механик, член Французской Академии наук, Гийом Амонтон опубликовал свою работу «Парижские мемуары». В ней ученый подробно описал свои наблюдения за поведением фиксированного объема идеального газа в «стабильном воздушном термометре», в котором жидкость, под влиянием энергии газа в резервуаре и атмосферного давления,  находилась в равновесии. При постепенном нагревании давление газа увеличивалось пропорционально температуре, и жидкость вытеснялась, заполняя следующий выступающий столб.

Дальнейшее развитие изучение изохорного процесса газа получило благодаря экспериментам английского физика Джона Дальтона. В своих экспериментах ученый определил, что при совпадающих начальных и конечных показателях, а также при постоянном давлении, все газы и пары при изменении температуры сжимаются или расширяются одинаково.  Результаты исследований Джон Дальтон опубликовал в 1801 году.

Через некоторое время полученные Дальтоном результаты смог подтвердить и член Французской Академии наук, физик Жозеф Луи Гей-Люссак. Ученый провел свои независимые опыты и также выявил одинаковое распределение различных газов с практически тем же коэффициентом, что и Дальтон. Свои исследования Гей-Люссак объединил с законом Бойля-Мариотта, благодаря чему впоследствии удалось более подробно описать изохорный процесс. А закон пропорциональной зависимости объема газа от температуры в изохорическом процессе получил название закона Гей-Люсака.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Закон подразумевает, что для каких-либо изменений внутри системы необходимо приложить внешние усилия. Таким образом, можно предложить следующую простейшую формулировку первого закона термодинамики: для изменения внутренней энергии некоторой системы требуется внешнее воздействие. Именно этот закон доказывает невозможность изобретения вечного двигателя, над которым так долго бились ведущие ученые разных стран.

Изохорный процесс:

• Процесс, происходящий с газом неизменной массы при постоянном объеме называется изохорным.
• Закон Шарля: при изохорном нагревании газа относительное изменение его давления пропорционально конечной температуре.

[frac{p V}{T}=text { const }\frac{p_{1}}{T_{1}}=frac{p_{2}}{T_{2}}]

Как уже отмечалось, изохорным процессом в термодинамике считается физическое явление, протекающее при постоянном объеме. То есть при изменении температуры некоторого газа, находящегося внутри сосуда, его объем не изменится. Следовательно, работа, совершаемая газом при [V=c o n s t], равна нулю, т.е. A=0.

При изохорном нагреве внутренняя энергия газа возрастает за счет поглощения тепла [(Q>0)], а при охлаждении газ отдает тепло и его внутренняя энергия уменьшается [(Q<0)].

Изучения термодинамических изменений подразумевает под собой определение следующих параметров: работы, которая была совершена в данном процессе, изменения внутренней энергии и количества теплоты. Также определяется взаимосвязь некоторых величие, характеризующих состояние газа.  

Исследование изохорических процессов проводится по следующему методу:

• устанавливается взаимосвязь показателями рабочего тела на начальный и конечный момент, то есть выводится физическое уравнение;
• определяется работа, совершаемая газом, при изменении объема;
• определяется количество подводимой/отводимой  теплоты;
• вычисляется изменение внутренней энергии и энтропии (функции состояния исследуемой системы).

Эффект изохорного процесса и его применение

Свойства изохорного процесса, так же как и свойства изобарного и изотермического процессов, широко применяются в современных изобретениях.

Главный эффект изохорного процесса заключается в том, что при неизменном объеме теплоемкость значительно ниже, чем при постоянном давлении. Теплоемкость – величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для нагрева тела на один градус.

В изохорном процессе при изменении температуры система не совершает никакой работы, и, следовательно, вся подведенная теплота расходуется на изменение тепловой энергии: [d U=D q].

Согласно закону Шарля, в идеальном газе при изохорном процессе изменение давления прямо пропорционально изменению температуры. Однако для неидеальных газов закон Шарля не применим. Так как в этом случае некоторая часть теплоты, сообщаемой газу, расходуется на увеличение энергетического потенциала взаимодействия элементарных частиц.

В бензиновом двигателе внутреннего сгорания, в работе которого в максимальном приближении внедрен идеальный цикл Отто, такты 2-3 и 4-1 являются изохорными процессами. 2-3 – изохорный подвод тепла, 4-1 – изохорный отвод тепла. Работа, которая совершается на выходе мотора, равна разности основных работ. То есть разности между работой, совершаемой газом во время рабочего хода (над поршнем во время третьего такта), и работой, затрачиваемой поршнем на сжатие газа во втором такте. Принудительное сжигание смеси, используемое в таких двигателях, позволяет увеличить степень сжатия газа в 7-12 раз.

Изохорные такты также присутствуют в двигателях с циклом Стирлинга. В таких двигателях установлен регенератор, обеспечивающий выполнение изохорного процесса в двух тактах. Проходя через наполнитель в одну сторону, газ передает регенератору тепловую энергию рабочего тела. Двигаясь в обратном направлении, газ снова возвращает энергию рабочей системе. КПД и обратимость идеального цикла Стирлинга равны показателям цикла Карно.

Также изохорный подвод тепла используется в циклах ГТУ – газотурбинных установок.

Работа в термодинамике

В термодинамике, в отличие от механики, рассматривается не движение тела как целого, а лишь относительное изменение частей термодинамической системы, в результате которого меняется ее объем.

Рассмотрим работу газа при изобарическом расширении.

Вычислим работу, совершаемую газом при его действии на поршень с силой ${F’}↖{→}$, равной по величине и противоположной по направлению силе ${F’}↖{→}$, действующей на газ со стороны поршня: ${F’}↖{→}=-{F’}↖{→}$ (согласно третьему закону Ньютона), $F’=pS$, где $p$ — давление газа, а $S$ — площадь поверхности поршня. Если перемещение поршня $∆h$ в результате расширения мало, то давление газа можно считать постоянным и работа газа равна:

$A’=F’∆h=pS∆h=p∆V$

Если газ расширяется, он совершает положительную работу, та к как перемещение поршня совпадает по направлению с силой ${F’}↖{→}$. Если газ сжимается, то работа газа отрицательна, поскольку перемещение поршня противоположно силе ${F’}↖{→}$. В формуле $A’=F’∆h=pS∆h=p∆V$ появится знак «минус»: $∆V < 0$, поскольку $∆h < 0$.

Работа внешних сил $А$, наоборот, положительна при сжатии газа и отрицательна при расширении:

$A=-A’=-p∆V$

Совершая над газом положительную работу, внешние тела передают ему часть своей энергии. При расширении газа внешние тела отбирают у газа часть его энергии — работа внешних сил отрицательна.

На графике зависимости давления от объема $р(V)$ работа определяется как площадь, ограниченная кривой $р(V)$, осью $V$ и отрезками $ab$ и $cd$, равными давлениям $р_1$ в начальном ($V_1$) и $р_2$ в конечном ($V_2$) состояниях, как для изобарного, так и для изотермического процессов.

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. Майером 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:

$∆U=A+Q$

где $∆U$ — изменение внутренней энергии, $А$ — работа внешних сил, $Q$ — количество теплоты, переданной системе.

Из $∆U=A+Q$ следует закон сохранения внутренней энергии. Если систему изолировать от внешних воздействий, $A=0$ и $Q=0$,а следовательно, $∆U=0$.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.

Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение ($∆U=A+Q$) записывается в виде:

$Q=∆U+A’$

где $А’$ — работа, совершаемая системой ($А’=-А$).

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.

Действительно, если к телу не поступает теплота ($Q=0$), то работа $А’$, согласно уравнению $Q=∆U+A’$, совершается только за счет убыли внутренней энергии $A’=-∆U$. После того, как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестает работать.

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.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.

Изохорный процесс. Зависимость $р(Т)$ на термодинамической диаграмме изображается изохорой.

Изохорный (изохорический) процесс — термодинмический 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 ($∆V=0$), и, согласно первому началу термодинамики $Q=∆U+A’$,

$∆U=Q$

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа ($A=p∆V=0$) газом не совершается.

Если газ нагревается, то $Q > 0$ и $∆U > 0$, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа $Q < 0$ и $∆U < 0$, внутренняя энергия уменьшается.

Изотермический процесс графически изображается изотермой.

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре.

Поскольку при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется ($T=const$), то все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

$Q=A’$

При получении газом теплоты ($Q > 0$) он совершает положительную работу ($А’ > 0$). Если газ отдает тепло окружающей среде, $Q < 0$ и $А’ < 0$. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой $р(V)$.

Изобарный процесс на термодинамической диаграмме изображается изобарой.

Изобарный (изобарический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением $p$.

Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.

При изобарном процессе согласно формуле $Q=∆U+A’$ передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии $∆U$ и на совершение им работы $A’$ при постоянном давлении:

$Q=∆U+A’$

Работа идеального газа определяется по графику зависимости $p(V)$ для изобарного процесса ($A’=p∆V$).

Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс (адиабатный процесс) — это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$).

Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия и может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.

Согласно первому началу термодинамики ($∆U=A+Q$), в адиабатной системе

$∆U=A$

где $А$ — работа внешних сил.

При адиабатном расширении газа $А < 0$.

Следовательно,

$∆U={i}/{2}·{m}/{M}R∆T < 0,$

что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении. Оно приводит к тому, что давление газа уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе.

На рисунке адиабата $1—2$, проходящая между двумя изотермами, наглядно иллюстрирует сказанное. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатическом расширении от объема $V_1$ до $V_2$.

Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором — уменьшаются).

Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля.

Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1. рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2. нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3. холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

$A’=|Q_1|-|Q_2|$

где $Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя, $Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы $А’$, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

$η={A’}/{|Q_1|}={|Q_1|-|Q_2|}/{|Q_1|}=1-{|Q_2|}/{|Q_1|}$

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то $η < 1$.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При $T_1 — T_2=0$ двигатель не может работать.

Цикл Карно

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД $< 5%$)и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения ($1-2$) при температуре $Т_1$ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты $Q_1$:

$A_{12}=Q_1.$ Охлаждение газа перед сжатием ($3-4$) происходит при адиабатном расширении ($2-3$). Изменение внутренней энергии $∆U_{23}$ при адиабатном процессе ($Q=0$) полностью преобразуется в механическую работу:

$A_{23}=-∆U_{23}$

Температура газа в результате адиабатического расширения ($2-3$) понижается до температуры холодильника $Т_2 < Т_1$. В процессе ($3-4$) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты $Q_2$:

$A_{34}=Q_2,$

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия ($4—1$), при котором газ нагревается до температуры $Т_1$.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

$η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$

Суть формулы $η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$ выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.