Основы термодинамики

Описывая процессы, состояния газа и переходы между ними, мы пока не задавались вопросом, почему они всё же происходят. Объяснение источника большинства процессов заключается в энергетической логике.

Энергию, передаваемую в систему или забираемую из системы, будем называть теплотой. Классическое обозначение — , размерность [Дж] (Джоули).

Ранее нами было введено понятие внутренней энергии газа — сумма кинетических энергий движения всех молекул газа:

(1)

• где
  • — внутренняя энергия идеального одноатомного газа,
  • — химическое количество газа,
  • м*кг*с*К*Моль — газовая постоянная,
  • — температура газа.

Размерность [Дж] (Джоули).

Ещё одним энергетическим параметром для газа является работа газа при расширении. По определению работы:

(2)

• где
  • — работа,
  • — сила,
  • — перемещение.

Представим себе систему, в которой газ находится в цилиндре под невесомым подвижным поршнем (рис. 1).

Рис. 1. Работа газа

При добавлении в систему энергии, газ начинает расширяться. Силу, с которой газ действует на внутреннюю поверхность поршня, можно описать как:

(2)

• где
  • — давление газа,
  • — площадь поршня.

Подставим (2) в (1):

(3)

• где
  • — изменение объёма.

Соотношение (3) является соотношением для поиска работы газа, правда только в одном уникальном процессе — изобарическом, однако практически все задачи школьной физики, в которых нужно посчитать работу газа, касаются именно такого процесса.

Тогда зададимся вопросом, что может случится, если подвести к газу тепло. При подведении тепла газ может нагреться и расшириться, тогда введём первое начало термодинамики:

(4)

• где
  • — теплота, полученная/отданная газом,
  • — работа газа,
  • — изменение внутренней энергии.

По существу, первое начало термодинамики является законом сохранения энергии для газа. Закон сохранения и превращения энергии – во всех процессах, происходящих в природе, энергия не возникает из ничего и не исчезает, а лишь передаётся от одних тел к другим или превращается из одного вида в другой. При подстановке в (4) соотношений (1) и (3), получим для одноатомного газа (только в случае изобарического процесса):

(5)

• где
  • — теплота, полученная/отданная газом,
  • — давление газа,
  • — изменение объёма газа,
  • — химическое количество газа,
  • м*кг*с*К*Моль — газовая постоянная,
  • — изменение температуры газа.

Тогда для ряда изопроцессов можно немножко модифицировать первое начало термодинамики:

• изотермический ():

(6)

• изохорический ():

(7)

И введём ещё процесс:

• адиабатический — процесс, при котором отсутствует теплообмен с окружающей средой (), тогда:

(8)

Вывод: огромное количество задач, связанных с процессами, можно решать энергетически, особенно, если в качестве дано или найти используются теплота, работа или внутренняя энергия.