§ 12. Работа в термодинамике
В 9-м классе вы узнали, что передача энергии путём совершения работы происходит в процессе силового взаимодействия тел. То есть работа, совершённая над рассматриваемым телом, есть не что иное, как работа сил, приложенных к этому телу со стороны всех остальных (внешних) тел, с которыми оно взаимодействует. Работа, совершённая над телом, может непосредственно изменить любой вид энергии этого тела, например внутреннюю энергию, поэтому работу силы рассматривают как меру изменения энергии физической системы.
Работа в термодинамике. Одним из способов изменения внутренней энергии термодинамической системы является совершение работы. Этот способ характеризуется передачей энергии в процессе механического взаимодействия тел. При этом механическая энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела или, наоборот, убыль внутренней энергии одного тела сказывается на увеличении механической энергии другого тела.
Таким образом, при совершении работы происходит превращение энергии из одной формы в другую.
Поскольку для описания термодинамических систем используют макропараметры (давление, объём, температура), то работу в термодинамике необходимо выражать, применяя эти параметры.
Рассмотрим газ в цилиндре, закрытом поршнем, площадь которого S (рис. 66). Давление газа в цилиндре р. В результате изобарного расширения газа поршень переместился из положения 1 в положение 2 на расстояние Δl. Модуль силы давления газа на поршень F = pS. Эта сила совершила работу по перемещению поршня, равную
,
где — угол между направлениями силы
и перемещения поршня
.
Поскольку в рассматриваемом примере α = 0 и cosα = 1, то
.
Произведение SΔl определяет изменение объёма ∆V = V2 – V1, где V1 — начальный объём газа; V2 — объём газа в конечном состоянии (см. рис. 66).
Таким образом, работа силы давления газа при его изобарном расширении:
.
(12.1)
Так как давление р газа — величина положительная, то из формулы (12.1) следует, что A12 > 0.
При изобарном расширении газа из состояния 1 в состояние 2 работа силы (см. рис. 66):
,
где — модуль силы, действующей на газ со стороны поршня (внешняя сила);
— угол между направлениями силы
и перемещения
поршня.
Перемещение поршня одно и то же, а сила давления
газа на поршень и сила давления
поршня на газ — силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона:
.
Следовательно, работы и
отличаются только знаком (
):
.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
На рисунке 67, а представлен процесс перехода идеального газа определённой массы из состояния 1 в состояние 2, а на рисунке 67, б — процесс перехода этого же газа из состояния 3 в состояние 4. Сравните работы, совершённые силой давления газа в обоих процессах, и изменения значений его внутренней энергии.