Возьмём самый простой случай, когда термодинамическая система представляет собой идеальный газ под поршнем, подчиняющийся уравнению Менделеева - Клапейрона.
Вспоминаем, что идеальным газом называется газ невзаимодействующих молекул, то есть когда расстояние между молекулами гораздо больше их размеров. Поэтому можно считать, что молекулы не взаимодействуют (не притягиваются, не отталкиваются) между собой. Идеальным газом является разрежённый газ. Воздух при нормальных условиях тоже хорошо описывается уравнением Менделеева - Клапейрона, поэтому записанные ниже уравнения применимы и к реальным газам при нормальных условиях:
Итак, представляем идеальный газ в сосуде под поршнем, находящийся в состоянии термодинамического равновесия, когда температура и давление во всех частях сосуда одинаковы.
Состояние газа характеризуется давлением, объёмом, температурой, внутренней энергией. Посмотрим, чем будет сопровождаться подвод тепла к этому газу.
Наука, изучающая тепловые явления, связанные с количеством теплоты, температурой тела или системы называется термодинамикой.
При сообщении газу количества теплоты
его температура повысилась, увеличилась внутренняя энергия, молекулы двигаются быстрее, возрастает давление газа, поршень поднимается, то есть газ совершает работу. При расширении газа поршень прошёл расстояние
то есть объём газа увеличился на
При этом газ совершил работу
Тогда, согласно закону сохранения энергии,
Сообщённое газу тепло идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом механической работы (первый закон термодинамики).
Запишем первый закон термодинамики применительно к изопроцессам идеального газа.
счёт его охлаждения (скорость молекул газа уменьшается).
Итак, первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии в тепловых процессах. Подчеркнём, что внутренняя энергия является функцией состояния системы, то есть если система возвращается в исходное состояние, то её внутренняя энергия принимает прежнее значение.
Количество теплоты и работа не являются функциями состояния системы, то есть они зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое.
Ещё важно отметить, что не всегда при сообщении системе тепла её внутренняя энергия возрастает. Она может даже убывать, так как система может совершать работу как за счёт полученного тепла, так и за счёт внутренней энергии (её убывания).
К.В. Рулёва Подпишитесь на канал. Просьба дать информацию о нём своим друзьям, так как статьи не помещаются в "Образовании" и "Науке", где в первую очередь должны помещаться материалы канала и где наибольшее число подписчиков.
Занятие 36. Основы термодинамики.
Школьникам (внутренняя энергия)
Предыдущее занятие: Школьникам (количество теплоты)
Следующее запись:занятие 37. Первый закон термодинамики.
Ссылки на занятия по другим темам даны в Занятии 1.