ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 14
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 14. Первый закон термодинамики и его применение к процессам

Как одной записью проверить, куда ушла полученная газом энергия?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как одной записью проверить, куда ушла полученная газом энергия?

Наблюдаем и объясняем

Первый закон в четырёх процессах

Сопоставляй Q, работу газа и изменение внутренней энергии. Обрати внимание на знаки.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

100 К
600 Дж

ν = 1 моль одноатомного идеального газа, T₁ = 300 К. В изотерме используется только регулятор A, в остальных — ΔT. Адиабата задаётся по энергетическому балансу. Q = ΔU + A.

01

Баланс: сначала согласовать знаки

Первый закон термодинамики в принятой договорённости: ΔU = Q − A, или Q = ΔU + A. Здесь Q — теплота, полученная системой, A — работа, совершённая системой. Для работы внешних сил A′ = −A получается ΔU = Q + A′.

Положительное Q означает подвод энергии теплообменом. Положительное A означает передачу энергии газом наружу работой. Например, при Q = 340 Дж и A = 300 Дж внутренняя энергия растёт только на 40 Дж.

Подведено теплообменом

+Q

Отдано работой газа

−A

Изменение запаса

ΔU = Q − A

Первый закон требует одной и той же договорённости о знаке работы во всём решении.

Может ли газ нагреваться при Q = 0?

Да. При сжатии A < 0, поэтому ΔU = −A > 0. Это передача энергии работой.

02

Изопроцессы: условия убирают разные слагаемые

При неизменном объёме A = 0 и Q = ΔU. При постоянной температуре идеального газа неизменного состава ΔU = 0 и Q = A. В изобарном процессе A = νRΔT, а для одноатомного идеального газа ΔU = 3νRΔT/2.

Поэтому для такого изобарного нагрева Q = 5νRΔT/2. Это не новая формула для любого вещества: коэффициенты относятся к одноатомному идеальному газу. При охлаждении ΔT, A и Q в этом процессе отрицательны.

Изопроцессы: условия убирают разные слагаемые: сравнение
ПроцессУсловиеСледствие
ИзохорныйΔV = 0A = 0; Q = ΔU
Изотермический идеального газаΔT = 0ΔU = 0; Q = A
Изобарный одноатомного газаp = constQ = 5νRΔT/2
АдиабатныйQ = 0ΔU = −A

Изотермический и адиабатный процессы устраняют разные слагаемые баланса.

Почему при изобарном нагреве нужно больше теплоты, чем при изохорном на ту же ΔT?

Прирост U одинаков для той же порции газа, но при постоянном давлении газ дополнительно совершает положительную работу.

Маховик паровой машины

В первом законе работа газа и изменение внутренней энергии учитываются одновременно. Расширение может расходовать часть полученной теплоты.

Tim Sheerman-Chase · CC BY 2.0 · Источник. Без изменений.

Термос с закрывающимся горлышком

Теплоизолированное сжатие может нагреть газ при Q = 0. Термос показывает принцип уменьшения теплообмена, но сам по себе не воспроизводит такой процесс.

Schekinov Alexey Victorovich · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

03

Адиабата: теплообмена нет, температура меняется

В адиабатном процессе Q = 0. Расширяясь и совершая работу, газ уменьшает внутреннюю энергию и обычно охлаждается. При адиабатном сжатии энергия увеличивается, температура растёт.

Приблизительно адиабатным может быть достаточно быстрый процесс с малым теплообменом либо процесс при хорошей теплоизоляции. Скорость сама по себе не доказывает точного равенства Q нулю. Отсутствие теплообмена не означает отсутствия передачи энергии.

Адиабатное расширение

A > 0; ΔU < 0

Адиабатное сжатие

A < 0; ΔU > 0

Адиабатный процесс может изменять температуру за счёт работы.

Почему нельзя назвать любое охлаждение отдачей теплоты?

При адиабатном расширении газ охлаждается, отдавая энергию работой, а Q равно нулю.

04

Проверка: энергия должна сойтись

Для 1 моль одноатомного идеального газа при изобарном нагреве на 100 К: A = 831 Дж, ΔU = 1246,5 Дж, Q = 2077,5 Дж. Сумма 1246,5 + 831 возвращает подведённую теплоту.

В модели для каждого процесса отдельно показаны Q, A и ΔU. Сравни нагрев и охлаждение, следи за знаком каждого потока. После расчёта убедись, что конечная температура остаётся физически допустимой и количество вещества не изменилось.

Выбрать систему

Определить знак Q и A

Использовать условие

Что равно нулю или постоянно?

Проверить сумму

Q = ΔU + A

Численная проверка первого закона обнаруживает ошибки знака и потерянные слагаемые.

Если Q положительно, обязательно ли ΔU положительно?

Нет. Если газ совершил работу больше подведённой теплоты, он использовал часть прежнего запаса внутренней энергии.

Соберём главное

Шесть выводов

01Первый закон требует одной и той же договорённости о знаке работы во всём решении.
02Изотермический и адиабатный процессы устраняют разные слагаемые баланса.
03Адиабатный процесс может изменять температуру за счёт работы.
04Численная проверка первого закона обнаруживает ошибки знака и потерянные слагаемые.
05Первый закон выражает сохранение энергии для термодинамической системы.
06Для произвольного реального вещества U не обязана зависеть только от T.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Как записывается первый закон, если A — работа газа?
2. Газ получил 500 Дж и совершил работу 200 Дж. Чему равно ΔU?
3. Газ сжали: Q = 0, A = −200 Дж. Чему равно ΔU?
4. Чему равна работа изменения объёма в изохорном процессе?
5. Как связан Q с ΔU при изохорном нагревании с единственным видом работы p dV?
6. Что верно для изотермического процесса неизменного количества идеального газа?
7. Какое условие определяет адиабатический процесс?
8. Что происходит с температурой идеального газа при адиабатическом расширении с положительной работой?
9. Для 1 моль одноатомного газа при изобарном нагревании на 100 К найдите Q, R = 8,31.
10. Газ вернулся в начальное состояние после цикла. Чему равно ΔU за цикл?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 14. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 14. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…