10 клас. Фізика. Перший закон термодинаміки. Адіабатний процес

[0:15]Усім привіт. Мене звати Ярина і сьогодні на уроці ви дізнаєтеся більше про перший закон термодинаміки. Не всі теплові і механічні процеси в нашому світі можливі. Наприклад, вічних двигунів, про які пишуть у фантастичних творах, недарма досі не винайшли. Якщо хочете дізнатися, чому так, то будьте уважні на сьогоднішньому уроці. Із попередніх уроків ви дізнались про те, що внутрішню енергію тіла можна змінити за допомогою теплообміну чи роботи. Дуже часто ці процеси відбуваються одночасно. Тож можна в загальному сформулювати перший закон термодинаміки. Зміна внутрішньої енергії дельта У під час зміни стану тіла дорівнює сумі кількості теплоти Q велике, що тіло отримує або віддає під час теплообміну, та роботи зовнішніх сил А штрих. Важливо пам'ятати, що коли газ отримує певну кількість теплоти, то вона додатна, а коли віддає - від'ємна. Коли зовнішні сили виконують роботу над газом, то газ у цьому випадку виконує від'ємну роботу тієї ж величини. Це випливає з третього закону Ньютона. Тоді зміна внутрішньої енергії дельта У дорівнює різниці кількості теплоти Q велике, що тіло отримує під час теплообміну та роботи газу А. Отже, можемо зробити висновок, що отримана під час теплообміну теплота може бути використана для зміни внутрішньої енергії, або для виконання газом роботи. Це інше формулювання першого закону термодинаміки. Для різних ізопроцесів перший закон термодинаміки має різний вигляд. Якщо в процесі не змінюється температура газу, тобто він ізотермічний, то зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю. Адже внутрішньою енергією одноатомного ідеального газу У можна обчислити, як 3/2 добутку кількості речовини газу Н, універсальної газової сталої R та абсолютної температури Т, або 3/2 добутку тиску P на об'єм V. Тоді і зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю. У такому разі вся кількість теплоти Q велика, отримана тілом під час теплообміну, йде на виконання роботи А. На екрані зараз графік ізотермічного розширення. Червоною стрілкою позначена теплота Q велика, яку тіло отримує під час цього процесу. Заштрихована область відповідає виконанні газом роботі. Якщо в процесі не змінюється об'єм, тобто він ізохорний, то механічна робота газу дорівнює нулю. Як ми дізнались на минулому уроці, газ може виконувати роботу лише, якщо відбувається зміна об'єму. Тож, вся кількість теплоти Q велика, отримана газом під час теплообміну в ізохорному процесі, йде на зміну внутрішньої енергії дельта У. Для одноатомного газу кількість теплоти Q велика у такому процесі дорівнює 3/2 добутку кількості речовини газу Н, універсальної газової сталої R та зміни абсолютної температури дельта Т, або 3/2 добутку об'єму газу В та зміни тиску дельта П. На екрані зараз графік ізохорного нагрівання. Червоною стрілкою позначена теплота Q велика, яку тіло отримує в цьому процесі. У цьому разі внутрішня енергія газу збільшується, тому газ нагрівається. Оскільки об'єм газу фіксований, то як наслідок, його тиск збільшується. Якщо в процесі тиск не змінюється, тобто він ізобарний, то відбувається зміна внутрішньої енергії і виконується механічна робота. Кількість теплоти Q велика в такому процесі дорівнює сумі роботи газу А та зміни внутрішньої енергії дельта У. У цьому випадку робота газу А дорівнює добутку тиску P та зміни його об'єму дельта V. Зміна внутрішньої енергії дельта У дорівнює 3/2 добутку зміни об'єму газу дельта В та тиску П. Отже, зміна внутрішньої енергії дельта У дорівнює 3/2 роботи газу А. Кількість теплоти, яку газ отримує, дорівнює сумі його роботи А та зміни його внутрішньої енергії дельта У, що дорівнює 5/2 роботи газу А. Врахувавши, що добуток тиску P та зміни об'єму дельта V в ізобарному процесі дорівнює добутку кількості речовини Н, універсальної газової сталої R та зміни температури дельта Т, отримаємо нові формули для зміни внутрішньої енергії дельта У та кількості теплоти Q велика. Дельта У дорівнює 3/2 добутку кількості речовини Н, універсальної газової сталої R та зміни температури дельта Т. Кількість теплоти Q велика дорівнює 5/2 добутку кількості речовини Н, універсальної газової сталої R та зміни температури дельта Т. На екрані зараз графік ізобарного розширення. Червоною стрілкою позначена теплота Q велика, яку тіло отримує в цьому процесі. Заштрихована область відповідає роботі, яку виконав газ. Крім трьох ізопроцесів, існує ще один особливий вид переходу з одного стану в інший. Це адіабатний процес, у якому не відбувається теплообмін з навколишнім середовищем. Якщо газ адіабатно розширюється і виконує додатну роботу, то його внутрішня енергія зменшується, а отже, він охолоджується. Якщо газ адіабатно стискається, то над ним виконується робота, і його внутрішня енергія збільшується, тому газ нагрівається. Графік адіабатного процесу схожий на ізотерму, але значно крутіший. На екрані зараз графік адіабатного стискання, коли над газом виконується робота А штрих синім та ізотерми червоним. У координатах тиск-об'єм ПВ. При цьому внутрішня енергія газу зростає, і він нагрівається. У реальному житті адіабатний процес неможливий, адже навіть за найкращої теплоізоляції відбувається теплообмін. Проте, існує низка процесів, дуже близьких до адіабатного. Зазвичай, вони відбуваються дуже швидко, і газ просто не встигає обмінятися теплотою із зовнішнім середовищем. Такі процеси використовуються в двигунах, про які ви докладніше дізнаєтесь наступного разу. У щоденному житті адіабатний процес ви спостерігаєте, коли користуєтесь велосипедним насосом, який зараз зображений на екрані. У ньому об'єм повітря всередині зменшується так швидко, що повітря не встигає обмінятися теплотою із середовищем. Тому такі насоси нагріваються під час роботи. У природі адіабатний процес відповідальний за утворення хмар. Насичені водяною парою теплі потоки повітря піднімаються вгору, як це зображено зараз на екрані. Коли тиск у верхніх шарах атмосфери знижується, повітря швидко розширюється. У результаті водяна пара конденсується і утворюються хмари. Перший закон термодинаміки дає змогу нам зробити цікавий висновок. Тіло може виконувати механічну роботу або за рахунок кількості теплоти, яку воно отримує ззовні, або за рахунок зменшення його внутрішньої енергії. Перша величина передбачає постійну передачу теплотілу, за рахунок якого виконується механічна робота. Така передача може відбуватися внаслідок згоряння палива. Друга величина, внутрішня енергія, скінченна, тому не можна постійно виконувати роботу за рахунок її зменшення. Навіть, якщо взяти якесь дуже велике тіло з величезним запасом внутрішньої енергії, наприклад, океан чи кору землі. Тож, перший закон термодинаміки заперечує можливість існування такої машини, яка б не потребувала жодної енергії ззовні після того, як її запустили. Такі машини називають вічними двигунами першого роду. Багато вчених до розквіту термодинаміки в 19 столітті намагалися сконструювати вічний двигун, але спроби ці були марними. Бюро патентів США навіть перестало приймати запити на патенти про вічний двигун. Проте, навіть сьогодні в інтернеті можна легко знайти відео псевдовічних двигунів. Більшість із них або зупиняються з часом, або взагалі не запускаються. Трохи більша інформації про них ви зможете знайти в конспекті. Отже, пригадаємо найголовніше про перший закон термодинаміки. За першим законом термодинаміки, отримана під час теплообміну кількість теплоти може бути використана для зміни внутрішньої енергії або для виконання газом роботи. Для ізопроцесів перший закон термодинаміки має різний вигляд. В ізобарному процесі отримана під час теплообміну кількість теплоти йде на зміну внутрішньої енергії і на виконання газом роботи. Під час ізотермічного процесу вся кількість теплоти, отримана тілом під час теплообміну, йде на виконання газом роботи. Під час ізохорного процесу вся кількість теплоти, отримана газом під час теплообміну, йде на збільшення його внутрішньої енергії. Адіабатний процес - це процес, що відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Якщо газ адіабатно розширюється і при цьому виконує додатну роботу, його внутрішня енергія зменшується, а отже, він охолоджується. Якщо газ адіабатно стискається, то над ним виконується робота, і його внутрішня енергія збільшується, тому газ нагрівається. Перший закон термодинаміки заперечує можливість існування такої машини, яка б не потребувала жодної енергії ззовні після того, як її запустили. На сьогодні це все про перший закон термодинаміки. Побачимося наступного разу.