1. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон

Билет №16
1. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон термодинамики:
термодинамический подход к изучению физических явлений, термодинамическая система,
внутренняя энергия идеального газа и способы ее изменения, закон сохранения энергии,
первый закон термодинамики, работа при изменении объема, применение первого закона
термодинамики к различным процессам.
Раздел физики, в котором изучаются свойства тел бес использования представлений о характере
движения и взаимодействия частиц, из которых они состоят, называется термодинамикой.
Термодинамика рассматривает свойства тел и явления, происходящие в них, опираясь на некоторые
общие законы термодинамики.
Равновесным называется состояние, при котором параметры системы имеют определенные
значения, одинаковые для всех ее частей. Совокупность физических тел, изолированную от
взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой.
Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму только кинетических энергий
теплового движения его частиц, поскольку взаимодействием частиц у идеального газа можно
пренебречь.
𝑖
Внутренняя энергия идеального газа: ∪= 𝜈𝑅𝑇, i – степень свободы
2
3
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа: ∪= 2 𝜈𝑅𝑇
Внутренняя энергия зависит только от температуры. Внутренняя энергия изолированной
термодинамической системы может изменяться двумя способами: при совершении работы и при
теплообмене.
Если тело совершает работу, то работа газа – положительна, а работа внешних сил отрицательна.
Если над телом совершают работу, то работа газа – отрицательна, а работа внешних сил
положительна.
Закон сохранения энергии: при любых взаимодействиях тел энергия не исчезает бесследно и не
возникает из ничего. Энергия только передается от одного тела к другому или превращается из одной
формы в другую.
Первый закон термодинамики
В термодинамической системе изменение внутренней энергии равно сумме количества переданной
теплоты и работы внешних сил: 𝛥𝑈 = 𝑄 + Ά или 𝛥𝑈 = 𝑄 − 𝐴
Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно разности полученного
количества теплоты и работы, совершенной газом.
Первый закон термодинамики запрещает создание вечных двигателей 1 рода, которые способны
совершить работу без потребления энергии извне и затрат собственной энергии.
Первый закон термодинамики в изопроцессах
1. В изохорном процессе (V=const). При изохорном процессе объем газа остается постоянным,
поэтому газ не совершает работу. Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря
теплообмену с окружающими телами:
Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. При изохорном нагревании
тепло поглощается газом Q > 0, и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло
отдается внешним телам Q < 0
2. В изобарном процессе (P=const). При изобарном расширении газа подведенное к нему
количество теплоты расходуется как на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы
газом:
При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную
работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0.
Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
3. В изотермическом процессе (T=const). При изотермическом процессе температура газа не
изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.
Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в
работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над
газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.
4. В адиабатном процессе (Q=0). При адиабатном процессе первый закон термодинамики
выглядит: 𝐴 = −Δ𝑈.
То есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии. На плоскости (p, V) процесс
адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой.
При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его
внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие
этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом
расширении.