Физика

Способы изменения внутренней энергии

 

Как уже было сказано на двух предыдущих уроках, существует два способа изменения внутренней энергии тела:

 

И естественный вопрос, который напрашивается, – это как изменится внутренняя энергия тела (в нашем случае газа) при одновременном выполнении и работы, и теплообмена?

 

Первый закон термодинамики

 

 

Ответом на этот вопрос и является первый закон термодинамики, который, по сути, является законом сохранения энергии (тепловой) в термодинамических (тепловых) процессах.

 

Рассмотрим этот закон:

То есть  - изменение внутренней энергии – это простая сумма переданной телу теплоты - и выполненной над телом внешними силами работы -.

Однако более распространена несколько иная формулировка этого закона, так как термодинамика – наука, описывающая действия тепловых машин, а тепловые машины, в свою очередь, основываются на принципе выполнения расширяющимся газом некоторой работы (например, двигатели внутреннего сгорания (рис. 1) и т .д.)

Рис. 1. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания (Источник)

Рассмотрим эту формулировку:

Здесь:  - переданное порции газа тепло;  - прирост внутренней энергии газа;  - выполненная газом работа. То есть вся энергия, переданная газу извне, идёт на увеличение внутренней энергии газа (разгон молекул газа), и на выполнение газом механической работы.

Первый закон термодинамики не только задаёт связь между разными формами энергии в термодинамическом процессе, но и опровергает возможность существования вечного двигателя.

 

Невозможность вечного двигателя

 

 

Определение. Вечный двигатель (рис. 2) – устройство, способное выполнять работу без потребления какого-либо топлива.

 

Посмотрим, как с помощью первого закона термодинамики описывается работа вечного двигателя: 

Отсутствие топлива эквивалентно отсутствию теплопередачи газу, то есть:

Подставляя это в первое начало:

То есть энергия для выполнения работы берётся из запасов внутренней энергии тела, и поэтому невозможно постоянное выполнение такой работы – лишь до момента, когда иссякнет внутренняя энергия.

Рис. 2. Различные модели «вечного» двигателя (Источник)

Ещё одним вопросом, оставшимся неразрешённым, является направление перехода тепловой энергии, ведь первый закон термодинамики указывает лишь на сохранение значения этой энергии. Ответ на этот вопрос был впервые получен немецким учёным Рудольфом Клаузиусом в виде второго закона (начала) термодинамики.

 

Второй закон термодинамики

 

 

Определение. Второй закон термодинамики: невозможно передать энергию (теплоту) от менее нагретой системы к более нагретой без одновременного изменения этих двух систем или окружающих тел. То есть можно говорить о необратимости тепловых процессов – нельзя обратить их вспять от их естественного протекания (кроме тех случаев, когда обратимый процесс является частью более сложного процесса).

 

На следующем уроке мы приступим к изучению непосредственного предмета интереса термодинамики – тепловым двигателям и коэффициентам их полезного действия.

 

Список литературы

1. Мякишев Г. Я., Синяков А. З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В. А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «physchem.msu.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 81: № 629–632, 635. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А. П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
2. Двум молям одноатомного газа передано количество теплоты в 1,2 кДж. При этом газ выполнил работу в 600 Дж. Насколько изменилась температура газа?
3. В воздушном шарике и в металлическом баллоне находятся одинаковые по массе порции воздуха. В каком случае потребуется большее количество теплоты для нагрева воздуха на один градус?
4. * При нагревании воздуха в цилиндре поршень массой 5 кг и площадью 50  переместили на 15 см. Какую работу выполнил воздух, если поршень перемещался: а) горизонтально; б) вертикально вниз; в) вертикально вверх?