- •Глава 9 Основы термодинамики § 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул
- •Таким образом, средняя кинетическая энергия молекулы
- •§ 51. Первое начало термодинамики
- •§ 52. Работа газа при изменении его объема
- •§ 53. Теплоемкость
- •§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
- •Тогда для произвольной массы газа получим
- •В изобарном процессе при сообщении газу массой т количества теплоты
- •§ 55. Адиабатический процесс
- •§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы
- •§ 57. Второе начало термодинамики
- •§58. Цикл Карно и его к.П.Д. Для идеального газа
- •§ 59. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью
§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
Среди равновесных процессов, происходящих с термодинамическими системами, выделяются изопроцессы, при которых один из основных параметров сохраняется постоянным.
Изохорный процесс (V= const). Диаграмма этого процесса (изохора) в координатах р, V изображается прямой, параллельной оси ординат (рис. 81), где процесс 1-2 есть изохорное нагревание, а 1-3— изохорное охлаждение. При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, т. е.
Как
уже указывалось в §53, из первого начала
термодинамики (
)
для изохорного процесса следует, что
вся теплота, сообщаемая газу, идет на
увеличение его внутренней энергии:
Согласно формуле (53.4),
Тогда для произвольной массы газа получим
(54.1)
Рис. 81
Изобарный процесс (р = const). Диаграмма этого процесса (изобара) в координатах р, V изображается прямой 1-2, параллельной оси V. При изобарном процессе работа (52.2) газа' при расширении от объема V1 до V2 равна
(54.2)
и определяется площадью заштрихованного прямоугольника на рис. 82. Если использовать уравнение (42.5) Клапейрона — Менделеева для выбранных нами двух состояний, то
,
,
откуда
Рис. 82
Тогда выражение (54.2) для работы изобарного расширения примет вид
Из этого выражения вытекает физический смысл молярной газовой постоянной R: если T2 – T1 = 1 К, то для одного моля газа R = А, т.е. R численно равна работе расширения одного моля идеального газа при нагревании его на 1 К.
В изобарном процессе при сообщении газу массой т количества теплоты
его внутренняя энергия возрастет на величину (согласно формуле (53.4))
При этом газ совершит работу (54.3).
Изотермический процесс (T= const). Как уже указывалось в § 41, уравнением изотермического процесса является закон Бойля- Мариотта:
pV=const.
Диаграмма этого процесса (изотерма) в координатах р, V представляет собой гиперболу (см. рис. 60), расположенную на диаграмме тем выше, чем выше температура.
Исходя из выражений (52.2) и (42.5), найдем работу газа в изотермическом процессе:
Так как при Т=const внутренняя энергия идеального газа не изменяется:
,
то
из первого начала термодинамики
следует, что для изотермического процесса
так как при T=const в идеальном газе его внутренняя энергия не изменяется:
а все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:
(54.4)
Следовательно, для того чтобы при работе расширения температура не падала, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения.
§ 55. Адиабатический процесс
Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен ( = 0) между физической системой и окружающей средой. Близкими к адиабатическим являются все быстропротекающие процессы. Например, адиабатическим процессом можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючей смеси в цилиндрах), в холодильных установках и т. д.
Из первого начала термодинамики ( ) для адиабатического процесса следует, что
,
(55.1)
т. е. внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы. Таким образом, адиабатический процесс противоположен изотермическому, так как в последнем работой совершается за счет притока извне эквивалентного количества теплоты.
Используя выражения (52.1) и (53.4), для произвольной массы газа перепишем уравнение (55.1):
.
(55.2)
Продифференцировав
уравнение состояния для идеального
газа
получим
.
(55.3)
Исключим из (55.2) и (55.3) температуру Т:
.
Разделив
переменные и учитывая, что
(см. (53.8)), получим
Интегрируя это уравнение в пределах от р1 до р2 и соответственно от V1 до V2 , а затем потенцируя, получим
,
или
.
Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать
=
const. (55.4)
Полученное выражение есть уравнение газового состояния при адиабатическом процессе, называемое также уравнением Пуассона.
Для перехода к переменным Т, V или р, Т исключим из (55.4) с помощью уравнения Клапейрона - Менделеева
соответственно давление или объем:
=
const, (55.5)
=
const. (55.6)
Выражения (55.4) — (55.6) представляют собой уравнения адиабатического процесса. В этих уравнениях безразмерная величина (см. (53.8) и (53.2))
=
=
.
(55.7)
является
коэффициентом
Пуассона.
Для одноатомных газов (Ne, Не и др.),
достаточно хорошо удовлетворяющих
условию идеальности,
=
3,
= 1,67. Для двухатомных газов (Н2,
N2,
O2
и др.)
=
5,
= 1,4. Значения
,
вычисленные по формуле (55.7), хорошо
подтверждаются экспериментом.
Диаграмма
адиабатического процесса (адиабата)
в координатах р,
V изображается
гиперболой (рис. 83). На рисунке видно,
что адиабата (
=
const) более крута, чем изотерма (pV=
const). Это объясняется тем, что при
адиабатическом сжатии 1-3
увеличение давления газа обусловлено
не только уменьшением его объема, как
при изотермическом сжатии, но и повышением
температуры.
Рис. 83
Вычислим работу, совершаемую газом в адиабатическом процессе. Запишем уравнение (55.2) в виде
Если газ адиабатически расширяется от объема V1 до V2 , то его температура падает от T1 до T2 и работа расширения идеального газа
.
(55.8)
Применяя
те же приемы, что и при выводе формулы
(55.5), выражение (55.8) для работы при
адиабатическом процессе можно
преобразовать к виду
где
.
Работа, совершаемая газом при адиабатическом расширении 1-2 (определяется заштрихованной площадью на рис. 83), меньше, чем при изотермическом. Это объясняется тем, что при адиабатическом расширении происходит охлаждение газа, тогда как при изотермическом — температура поддерживается постоянной за счет притока извне эквивалентного количества теплоты.
Рассмотренные изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический процессы имеют общую особенность – они происходят при постоянной теплоемкости. В первых двух процессах теплоемкости соответственно равны CV и Cp в изотермическом процессе (dT=0) теплоемкость равна ±∞, в адиабатическом ( δQ=0 ) теплоемкость равна нулю. Процесс, в котором теплоемкость остается постоянной, называется политропным.
Исходя из первого начала термодинамики при условии постоянства теплоемкости (C=const) можно вывести уравнение политропы:
(55.9)
где
- показатель политропы. Очевидно, что
при С=0, n=γ,
из (55.9) получается уравнение адиабаты;
при С=∞, n=1
– уравнение изотермы; при С=Ср,
n=0
– уравнение изобары, при С=СV,
n=±∞
- уравнение изохоры. Таким образом, все
рассмотренные процессы являются частными
случаями политропного процесса.
