Главная >> Физика 10 класс. Мякишев

Глава 13. Основы термодинамики

Работа в термодинамике

Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен F' = pS, где р — давление газа, а S — площадь поверхности поршня. При подъёме поршня на малое расстояние Δh = h₂ - h₁ работа газа равна:

А' = F'Δh = pS(h₂ - h₁) = p(Sh₂ - Sh₁).                     (13.2)

Начальный объём, занимаемый газом, V₁ = Sh₁, а конечный V₂ = Sh₂. Поэтому можно выразить работу газа через изменение объёма ΔV = (V₂ - V₁):

А' = p(V₂ - V₁) = pΔV > 0.                     (13.3)

При расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают.

Если газ сжимается, то формула (13.3) для работы газа остаётся справедливой. Но теперь V₂ < V₁, и поэтому А < 0.

Работа А, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы А' самого газа только знаком:

А = -А' = -pΔV.                     (13.4)

Обсудите с одноклассниками справедливость формулы (13.4). Может ли работа внешних сил быть больше или меньше работы силы давления ч газа?

При сжатии газа, когда ΔV = V₂ - V₁ < 0, работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки её приложения совпадают.

Если давление не поддерживать постоянным, то при расширении газ теряет энергию и передаёт её окружающим телам: поднимающемуся поршню, воздуху и т. д. Газ при этом охлаждается. При сжатии газа, наоборот, внешние тела передают ему энергию и газ нагревается.

Геометрическое истолкование работы. Работе А' газа для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование.

При постоянном давлении график зависимости давления газа от занимаемого им объёма — прямая, параллельная оси абсцисс (рис. 13.2). Очевидно, что площадь прямоугольника abdc, ограниченная графиком рх = const, осью V и отрезками аb и cd, равными давлению газа, численно равна работе, определяемой формулой (13.3):

А' = p1(V2 - V2) = |ab| • |ас|.

В общем случае давление газа не остаётся неизменным. Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объёму (рис. 13.3). В этом случае для вычисления работы нужно разделить общее изменение объёма на малые части и вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их сложить. Работа газа по-прежнему численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости р от V, осью V и отрезками аb и cd, длина которых численно равна давлениям p₁ р₂ в начальном и конечном состояниях газа.

Объясните нагревание и охлажде- ние газа при изменении его объёма при постоянном давлении с точки зрения МКТ.

Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа. Работа газа при различных процессах

<<< К началу      Окончание >>>