УРОКИ ФІЗИКИ 10 КЛАС: Урок №82 Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес.

29.03.2021
Проглянути відео та перевірити правильність виконання вправи № 37 (2, 4)

Тема: Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес. Розв'язування задач.

У середині XIX ст. Джеймс Джоуль (1818-1889), Юліус фон Маєр (1814-1878) і Герман фон Гельмгольц (1821-1894), спираючись на проведені досліди, встановили закон, згідно з яким в замкнутій фізичній системі енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший і є величиною сталою. Це твердження, як ми вже знаємо, називають законом збереження і перетворення енергії. Чи можна цей закон застосувати і до теплових процесів?

1. Перший закон термодинаміки

Перший закон (начало) термодинаміки:

Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) у випадку переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил (A') і кількості теплоти (Q), переданої системі.

∆U=Q+A'

Якщо система одержує певну кількість теплоти, то в наведеній формулі Q беруть зі знаком «+», якщо віддає, то зі знаком «–».

A'=-A

A' – робота зовнішніх сил (робота над газом)

A – робота проти зовнішніх сил (робота газу)

Перший закон (начало) термодинаміки можна сформулювати інакше:

Кількість теплоти Q, передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи (∆U) та на виконання системою роботи A проти зовнішніх сил.

Q=∆U+A

Проблемне питання

• Чи можливо створити вічний двигун?

Згідно з першим законом термодинаміки неможливо створити вічний двигун першого роду – циклічний пристрій, який виконував би механічну роботу без споживання енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж споживана ним енергія.

2. Перший закон термодинаміки (Q=∆U+A) для ізопроцесів

Ізохорний процес

m=const; V=const; ∆V=0; A=0 => Q=∆U

При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу.

Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:

Ізотермічний процес

m=const; T=const; ∆T=0; ∆U=0 => Q=A

При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.

Ізобарний процес

m=const; p=const; ∆p=0 => Q=∆U+A

При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.

Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:

3. Адіабатний процес

Адіабатний процес – це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем.

∆U+A=0 або A=-∆U

У ході адіабатного розширення газ виконує додатну роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, при цьому температура газу зменшується.

p=nkT, у разі адіабатного стиснення тиск газу зростає набагато швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зі збільшенням концентрації молекул газу збільшується і його температура (синій – адіабата, червоний – ізотерми).

В разі адіабатного розширення тиск падає швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зменшуються і концентрація, і температура газу

У реальних умовах процес, близький до адіабатного, можна здійснити, якщо газ міститиметься всередині деякої оболонки з дуже хорошими термоізоляційними властивостями.

Адіабатними можна вважати й процеси, які відбуваються дуже швидко, тому що в такому випадку газ не встигає обмінятися теплотою з навколишнім середовищем (наприклад, розширення і стиснення повітря в ході поширення звукових хвиль; розширення газу під час вибуху).

Збільшення температури внаслідок різкого стиснення повітря використовується в дизельному двигуні, в якому відсутня система запалювання пальної суміші.

Розв'язування задач.

1. Дайте пояснення явищу, що демонструється у наступному відео.