06-з. Первый закон термодинамики

      § 06-з. Первый закон термодинамики

Мы знаем, что внутреннюю энергию тел можно менять теплообменом – передавая или забирая некоторое количество теплоты (см. § 6-в). Но опыты Румфорда и Джоуля продемонстрировали, что внутреннюю энергию тел можно менять совершением работы (см. § 6-ж). То есть существуют два различных равноправных способа изменения внутренней энергии тел: теплопередача и работа (см. формулу).

Математическая запись первого закона термодинамики. Формулаа читается так: «дэльта у равно ку плюс а».

          ΔU = Q + A          

ΔU – изменение внутренней энергии тела, Дж
Q – полученное им количество теплоты, Дж
A – совершённая над телом работа, Дж

Эта формула гласит, что изменение внутренней энергии тела есть величина, равная сумме количества теплоты, полученной этим телом, и совершённой над ним работы. Это утверждение, отражающее закон сохранения и превращения энергии, называется первым законом термодинамики. Чтобы лучше его осознать, рассмотрим примеры.

Опыт «Воздушное огниво» иллюстрирует увеличение внутренней энергии тела при совершении над ним работы. Сжимая воздух, мы совершаем над ним механическую работу. В результате воздух нагревается. Повышение температуры приводит к воспламенению порошка серы.

Опыт «воздушное огниво». Возьмём толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыпем немного «серы» от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы совершим механическую работу над воздухом: сожмём его. В результате воздух нагреется настолько сильно, что серный порошок в нём воспламенится без поджигания!

Объясним опыт. Удар длился недолго, поэтому передачей теплоты из цилиндра наружу можно пренебречь. Извне теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда формула первого закона термодинамики применительно к этому опыту запишется так: ΔU = 0 + A, то есть ΔU = A.

Последнюю формулу лучше писать наоборот: A = ΔU, что читается так: совершённая над телом работа идёт на изменение его внутренней энергии (если теплообмен отсутствует). То есть работа, совершённая над воздухом, привела к росту его внутренней энергии, и он нагрелся.

Опыт «Туман в бутыли» иллюстрирует уменьшение внутренней энергии тела при совершении им работы. Расширясь и выталкивая пробку, воздух совершает работу. В результате он охлаждается. Понижение температуры приводит к образованию тумана.

Опыт «туман в бутыли». Для него нам потребуются бутыль, пробка, шланг и насос (см. рисунок). Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Удерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда нам становится трудно удерживать пробку, накачивание прекращают и ожидают 5–10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа.

1-й этап. Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с опытом «воздушное огниво», запишем первый закон термодинамики так: ΔU = 0 + A. Поскольку А – положительная величина, значит, и ΔU положительна. То есть внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону – возрастает.

2-й этап. Давая воздуху охладиться, работу не совершали: A = 0. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: ΔU = –Q + 0. Знак «минус» означает, что воздух не получал теплоту, а отдавал её. Поскольку величина –Q является отрицательной, значит, и равная ей величина ΔU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону – уменьшается.

3-й этап. Пробку отпускают, и она выталкивается струёй воздуха. Всё происходит быстро, поэтому теплообмен не успевает произойти: Q = 0. Кроме того, работа совершается не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется: ΔU = –A. Поскольку величина –A является отрицательной, то и величина ΔU отрицательна. Значит, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается, и в бутыли появляется туман.

Источник

Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме:

Интересные статьи: