Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• Поясните, почему работа газа при изменении его объема отличается знаком от работы внешней силы, действующей на поршень. Почему это утверждение справедливо только при достаточно медленном равномерном движении поршня?
• Пусть газ в условиях адиабатической изоляции совершает отрицательную работу. Что при этом происходит с его внутренней энергией?
• Покажите, что первый закон термодинамики в форме (10) или (И) эквивалентен утверждению о невозможности вечного двигателя.
• Поясните, почему точка на р—К-диаграмме полностью характеризует состояние определенного количества идеального газа. Чему соответствует любая кривая на такой диаграмме?
• Как по графику некоторого процесса на р—К-диаграмме можно определить совершаемую системой работу? В каком случае работа положительна? от-рицатицательна?
• Почему теплоемкость некоторого количества вещества зависит от происходящего с ним процесса? Объясните, почему теплоемкость при постоянном давлении Ср всегда больше теплоемкости при постоянном объеме Су.
• Чему равно значение теплоемкости для адиабатического процесса? Можно ли провести с идеальным газом такой процесс, при котором теплоемкость будет отрицательной?
• Объясните, почему на р—К-диаграмме идеального газа адиабата идет круче изотермы.
• Объясните устройство и принцип действия теплового двигателя.
• Поясните, почему работа, совершаемая тепловым двигателем за один цикл, изображается на р—К-диаграмме площадью, охватываемой замкнутой кривой этого цикла.
• Что такое КПД теплового двигателя? Чем определяется его значение?
§ 17. Примеры применения первого закона термодинамики
Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
§ 17. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ 141
Энергетический баланс. Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе. В этом параграфе мы рассмотрим примеры использования первого закона термодинамики.
Теплота и внутренняя энергия. Прежде всего сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определено как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.
Теплота и работа. Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе.
Пример применения первого закона термодинамики. Применяя первый закон термодинамики, нужно всегда внимательно следить за тем, к каким изменениям в самой системе может привести подведение к ней теплоты и совершение работы. Поясним это на следующем примере. Представьте себе, что в комнате на некоторое время включили электрический нагреватель, в результате чего температура воздуха увеличилась от Тх до Тг. Может показаться, что в результате этого внутренняя энергия воздуха в комнате увеличилась. Проверим, так ли это. Будем считать воздух идеальным газом. В состоянии теплового равновесия внутренняя энергия одного моля пропорциональна абсолютной температуре, а энергия всего воздуха в комнате пропорциональна количеству (числу молей) газа, находящегося в комнате. Поэтому выражение для энергии можно записать в виде
и=Су%т, (1)
где m — масса воздуха, М — его молярная масса, Су — молярная теплоемкость при постоянном объеме.
142
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Воспользовавшись уравнением Менделеева—Клапейрона pV = = (m/M)RT, замечаем, что выражению для внутренней энергии воздуха U можно придать вид
U=CV%. (2)
Объем V комнаты не изменяется при работе нагревателя, не изменяется и давление р воздуха в комнате. Оно равно атмосферному, поскольку комната не герметична. Тогда из формулы (2) видно, что внутренняя энергия воздуха в комнате не изменяется при протапливании. Сразу возникают вопросы: что происходит с потребляемой от сети электроэнергией и зачем мы вообще включаем электронагреватель? Отвечая на второй вопрос, отметим, что для человека имеет значение не энергия воздуха, а его температура, которая повышается при протапливании. Что касается энергии, потребляемой нагревателем от сети, то она целиком «выходит» наружу: масса воздуха в комнате при нагревании при постоянном давлении уменьшается.
