Первый закон термодинамики в изопроцессах

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

1. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, L = 0.

Следовательно, первый закон термодинамики для изохорного процесса выражается соотношением:

Q = U (T2) — U (T1) = ДU

т.е. количество теплоты, подведенное к системе при постоянном объеме, равно увеличению внутренней энергии данной системы.

Здесь U (T1) и U (T2) — внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

2. В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением.

L = p (V2 — V1) = pДV.

Следовательно, первый закон термодинамики для изобарного процесса выражается соотношением:

Q = U (T2) — U (T1) + p (V2 — V1) = ДU + pДV

При изобарном расширении Q > 0 — тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 — тепло отдается внешним телам. В этом случае L < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ДU < 0.

3. В изотермическом процессе (Т = const) температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ДU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением:

Q = L

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Процессы расширения или сжатия газа в теплоизолированной системе называются адиабатными. В адиабатном процессе Q = 0, поэтому первый закон термодинамики принимает вид.

L = -ДU

то есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии. При адиабатном расширении газ совершает положительную работу (A > 0), поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ДU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатном расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении Таким образом, теплота, изменение внутренней энергии и работа, входящие в уравнение первого закона термодинамики, могут быть положительными, отрицательными, а в отдельных случаях равными 0.

Принято:

• 1. теплота подводится к рабочему телу dq > 0;
• 2. теплота отводится от рабочего тела dq < 0;
• 3. температура рабочего тела растет (dT > 0) du > 0;
• 4. температура рабочего тела уменьшается (dT < 0) du < 0;
• 5. работа совершается газом при его расширении (dv > 0) dl > 0;
• 6. работа воспринимается газом при его сжатии (dv < 0) dl < 0.