10 клас. Фізика. Робота в термодинаміці

[0:15]Усім привіт. Мене звати Ярина і сьогодні йтиметься про роботу в термодинаміці. Минулого разу ми згадували про те, що внутрішню енергію тіла можна змінити за допомогою виконання роботи. Переконаємося в цьому зараз разом. Якщо потерти руки одна об одну, то ви відчуєте, як вони нагріваються. Тобто, внаслідок виконання роботи руками через подолання сили тертя при русі однієї долоні відносно іншої, відбувається перетворення механічної енергії рук на їхню внутрішню. Збільшується інтенсивність теплового руху молекул. Відповідно, температура рук підвищується. Цю закономірність часто використовують у побуті і техніці. Наприклад, можна розвести вогонь, якщо достатньо швидко терти сухою дерев'яною паличкою по іншому шматку сухого дерева чи трави, як це зараз зображено на екрані. Механічна енергія внаслідок виконання роботи з подолання сили тертя в такому разі переходить у внутрішню енергію дерева. Зі збільшенням внутрішньої енергії збільшується і температура дерева, і з часом воно спалахує. Зміна внутрішньої енергії внаслідок виконання роботи може мати і негативний вплив. Наприклад, під час буріння металів свердла мають постійно охолоджуватися водою, як це зараз зображено на екрані. Інакше вони нагріваються, легко деформуються і виходять з ладу. Така зміна внутрішньої енергії в результаті виконання роботи - це один із основних принципів термодинаміки. Детальніше ви дізнаєтеся про нього на цьому уроці. Ви знайомі з виразами для обчислення роботи з попередніх розділів фізики. Сьогодні ж час сформулювати поняття роботи в термодинаміці. Уявімо, що в посудині з поршнем перебуває газ. Зараз така посудина зображена на екрані. Позначимо тиск, який газ спричиняє на стінки і поршень посудини як П. Тоді сила F цього тиску на поршень дорівнюватиме добутку тиску П на площу його поверхні S велике. Ця сила тиску може виконувати роботу, опускати поршень посудини і таким чином збільшувати її об'єм. Під час такого збільшення об'єму поршень посудини здійснює переміщення S маленьке. Отже, можна обчислити роботу А сталої сили тиску F, як її добуток з переміщенням S маленьке та косинуса кута альфа. Це кут між напрямком переміщення та напрямком дії сили. Оскільки кут між силою і переміщенням дорівнює 0°, то косинус кута між напрямками переміщення і дії сили в цьому випадку дорівнює 1. Якщо посудина циліндр, то його об'єм дорівнює добутку площі його основи поршня S велике на висоту L. Під час збільшення об'єму змінюється висота циліндра. На рисунку початкова висота циліндра позначена L1, а кінцева L2. Різниця між цими висотами - це і є переміщення поршня S маленьке. Тож роботу газу можемо записати як добуток сили тиску F та різницю висот циліндра L2 та L1. Якщо під час збільшення об'єму в посудині тиск не змінився, то можна записати роботу як добуток тиску P, площі поршня S велике та різниці висот циліндра L2 та L1. Добуток різниці висот циліндра на площу його основи - це і є зміна об'єму. Отже, роботу газу в ізобарному процесі можна представити через добуток тиску та зміну його об'єму дельта В. Цей процес можна зобразити на графіку в координатах тиск об'єм ПВ. Оскільки процес відбувається за сталого тиску, тобто він ізобарний, то він виглядатиме як відрізок, перпендикулярний до осі П. Добуток тиску P на зміну об'єму дельта V на графіку можна знайти як площу під прямою процесу. Ця особливість працює не тільки для ізобарних змін об'єму. Наприклад, на рисунку зараз графік ізотермічного розширення. У цьому та у всіх інших випадках робота газу чисельно дорівнює площі криволінійної трапеції під кривою процесу в координатах тиск об'єм ПВ. Важливо те, що тіло може виконувати роботу тільки, якщо його об'єм змінюється. Тому ми розглядали приклад саме газу в посудині, а не рідини чи твердого тіла. Лише газоподібні речовини можуть змінювати об'єм суттєво. Тож надалі ми будемо продовжувати розглядати саме гази. Газ може виконувати як додатну, так і від'ємну роботу. Якщо під дією сили тиску газу його об'єм збільшується, то робота газу додатна. Адже напрямок переміщення поршня чи стінок посудини збігається із напрямком дії сили газу. Якщо ж зовнішні сили стискають газ, то сам газ виконує від'ємну роботу. Адже напрямок переміщення поршня чи стінок посудини протилежний до напрямку дії сили газу. Самі зовнішні сили при цьому виконують додатну роботу. Чому ж робота взагалі впливає на внутрішню енергію? Бо молекули, що стикаються з рухомою стінкою посудини, змінюють свою швидкість. Якщо об'єм посудини зменшується, то рухома стінка або поршень рухається назустріч молекулам газу і збільшує їхню кінетичну енергію після зіткнення. І навпаки, якщо об'єм збільшується, то рухома стінка чи поршень рухається в напрямку від молекул, що рухаються назустріч, і їхня кінетична енергія після зіткнення зменшується. Саме тому під час зменшення об'єму газу за відсутності теплообміну із середовищем, він нагрівається, а під час збільшення об'єму охолоджується. На екрані зараз демонстрація стискання без теплообміну із середовищем. На дні посудини лежить шматок вати, змочений у спирті. Коли поршень різко опускається, то відбувається стискання, під час якого повітря нагрівається. Як наслідок, шматок вати загоряється. Отже, пригадаймо найголовніше про роботу в термодинаміці. Виконання роботи може змінити внутрішню енергію тіла. Робота не виконується, якщо тіло не змінює свого об'єму. Тому в термодинаміці розглядають саме гази. Рідини і тверді тіла змінюють свій об'єм несуттєво. Чисельно робота газу в термодинаміці дорівнює площі під графіком зміни стану в координатах тиск об'єм ПВ. Для ізобарних процесів вона дорівнює добутку тиску та зміни об'єму. Газ може виконувати додатну роботу, тобто розширюватись. У такому випадку, якщо теплообмін із середовищем не відбувається, то газ охолоджується. Також газ може виконувати від'ємну роботу. У такому разі його об'єм зменшується і якщо теплообмін із середовищем не відбувається, то газ нагрівається. На сьогодні це все про роботу у термодинаміці. Побачимося наступного разу.