§ 14. Першы закон тэрмадынамікі. Прымяненне першага закона тэрмадынамікі да ізапрацэсаў змянення стану ідэальнага газу
Адыябатны працэс. Адыябатным называюць працэс, падчас якога тэрмадынамічная сістэма не атрымлівае і не аддае энергію шляхам цеплаабмену. Такім чынам, пры адыябатным працэсе
Q = 0.
Прымяніўшы да гэтага працэсу першы закон тэрмадынамікі, атрымаем:
ΔU = −A , або A = −ΔU.
Пры адыябатным працэсе змяненне ўнутранай энергіі сістэмы адбываецца толькі за кошт выканання работы. Калі знешнія сілы выконваюць работу па сцісканні газу (ΔV < 0, А < 0) (мал. 80.2, а, б), то ўнутраная энергія газу павялічваецца (ΔU > 0), газ награваецца.
Калі сіла ціску газу выконвае работу па расшырэнні (ΔV > 0, А > 0) (мал. 80.3, а, б), то ўнутраная энергія газу памяншаецца (ΔU < 0), газ ахалоджваецца.
1. Пры адыябатным расшырэнні сілай ціску ідэальнага газу выканана работа А = 265 Дж. Як змянілася пры гэтым тэмпература газу? Вызначце прырашчэнне ўнутранай энергіі газу.
2. У цыліндры з рухомым поршнем знаходзіцца ідэальны газ, ціск якога р1 і аб’ём V1. У якім выпадку сіла ціску газу выканае большую работу: пры ізатэрмічным або пры адыябатным яго расшырэнні да аб'ёму V2?
На практыцы адыябатны працэс ажыццяўляюць галоўным чынам не за кошт цеплаізаляцыі (нельга акружыць сістэму абалонкай, якая абсалютна не дапускае цеплаабмену), а за кошт хуткасці праходжання працэсу. Калі працэс ідзе вельмі хутка, то цеплаабмен практычна не адбываецца. Можна правесці вельмі наглядны дослед, які ілюструе памяншэнне тэмпературы газу пры яго адыябатным расшырэнні. Выкарыстоўваючы помпу, будзем праз адтуліну ў корку напампоўваць у шкляную пасудзіну паветра (мал. 80.4). Праз некаторы прамежак часу напампоўвання сіла ціску сціснутага паветра выканае работу па пераадоленні сілы трэння, якой пасудзіна дзейнічае на корак, і сілы атмасфернага ціску. Цеплаабмен паміж пасудзінай і навакольнымі целамі не паспявае праявіцца за той малы прамежак часу, на працягу якога корак вылятае з пасудзіны і частка газу выходзіць з яго. Памяншэнне ўнутранай энергіі паветра ў пасудзіне абумоўлена не толькі змяншэннем масы, але і паніжэннем яго тэмпературы, што прыводзіць да кандэнсацыі вадзяной пары, гэта значыць да ўтварэння туману.
У якасці прыкладу адыябатнага працэсу можна прывесці ахаладжэнне паветра ў атмасферы. Нагрэтае каля паверхні Зямлі паветра падчас хуткага пад’ёму ў верхнія слаі атмасферы расшыраецца амаль адыябатна і пры гэтым істотна ахалоджваецца. Вадзяная пара ў ім кандэнсуецца ў маленькія кроплі вады і крышталікі лёду, утвараючы воблакі.
Блізкі да адыябатнага працэс выкарыстоўваюць у рухавіках унутранага згарання.
Графік адыябатнага працэсу ў каардынатах (p, V) падобны на графік ізатэрмічнага працэсу (мал. 80.5). Аднак аднаму і таму змяненню аб’ёму ΔV пры адыябатным працэсе адпавядае большае змяненне ціску, чым пры ізатэрмічным: . Гэта тлумачыцца тым, што ў выпадку адыябатнага расшырэння ціск p = nkT памяншаецца не толькі за кошт павелічэння аб’ёму газу (і памяншэння канцэнтрацыі часціц), але і за кошт змяншэння тэмпературы. Пры ізатэрмічным расшырэнні ціск газу памяншаецца толькі за кошт памяншэння канцэнтрацыі часціц.
1. Прывядзіце дзве фармулёўкі першага закона тэрмадынамікі.
2. Чаму роўная змена ўнутранай энергіі пры ізахорным працэсе?
3. На што расходуецца колькасць цеплаты, якую перадаюць сістэме, пры ізатэрмічным працэсе?
4. На што расходуецца колькасць цеплаты, якую перадаюць сістэме, пры ізабарным працэсе?
5. Пры хуткім сцісканні газу адбылося павышэнне яго тэмпературы. Ці азначае гэта, што газу перадалі пэўную колькасць цеплаты? Ці можна сцвярджаць, што ўнутраная энергія газу павялічылася?
6. Чаму немагчыма стварыць «вечны рухавік першага роду»?
7. Ці можна перадаць газу некаторую колькасць энергіі шляхам цеплаабмену, не выклікаючы пры гэтым павышэння яго тэмпературы? Прывядзіце прыклады.
8. Які працэс змянення стану газу называюць адыябатным? Як гэты працэс можна ажыццявіць?
9. У § 12 мы сцвярджалі, што работа, выкананая пры пераходзе сістэмы з аднаго стану ў другі, з'яўляецца функцыяй працэсу, гэта значыць залежыць не толькі ад пачатковага і канчатковага станаў, але і ад віду працэсу. Выкарыстоўваючы першы закон тэрмадынамікі, дакажыце, што колькасць цеплаты, якую атрымлівае або аддае сістэма пры яе пераходзе з аднаго стану ў другі, таксама з'яўляецца функцыяй працэсу.
10. Запоўніце табліцу ў сшытку.
| Працэс | Работа сілы ціску газу | Колькасць цеплаты | Змена ўнутранай энергіі | Выснова |
| Ізахорны (V = const и ΔV = 0) | ||||
| Ізатэрмічны (Т = const и ΔТ = 0) | ||||
| Ізабарны (р = const) | ||||
| Адыябатны (ΔU = −A) |