СВЯЗЬ ИЗОПРОЦЕССОВ И ТЕРМОДИНАМИКИ

​Рассмотрим взаимосвязь изопроцессов и первого закона термодинамики. Далее посмотрим, каким образом этот закон может быть применён к каждому изопроцессу. Поговорим о каждом из них:

1. Изохорный процесс. Фактически происходит при постоянном объёме. Это значит, что в замкнутом пространстве находится газ, который мы можем нагревать или охлаждать, но объём при этом будет являться величиной постоянной
2. Изобарный процесс. Данный процесс протекает при постоянном давлении. Ни температура, ни объём не изменяются
3. Изотермический процесс. В данном процессе постоянная величина – температура. Система хорошо умеет обмениваться теплом с окружающей средой, за счёт этого она не нагревается и не охлаждается

Рассмотрим первый закон термодинамики. Он предстаёт в виде:(). Так как нас интересует другой вид этого закона, перепишем его следующим образом:(). Мы перебросили работу внешних сил на противоположную сторону. Она имеет знак «-», но за счёт обратного знака у работы внешних сил, имеем знак «+». Можно записать, что работа внешних сил – это отрицательная работа внутренних сил (). По величине они равны друг другу, но по знаку противоположны.

Начнём с первого процесса – изохорного. Объём является величиной постоянной, изменение объёма газа равно нулю (). Это приводит к тому, что газ не может совершать работу, он «заперт» в постоянном объёме, меняться не может. Следовательно, работа самого газа практически обнуляется (). Это приводит к тому, что первый закон термодинамики теперь будет выглядеть в виде: количество теплоты равно изменению внутренней энергии (). Это означает, что всё тепло, которое мы подводим к данной системе, будет уходить на изменение внутренней энергии системы, либо всё тепло отводится от этой системы. Это происходит за счёт уменьшения энергии, поэтому по величине эти два параметра будут всегда равны друг другу

Следующий процесс для рассмотрения – изобарный. Он характеризуется фиксированным значением давления. В этом случае, объём и температура уже не являются величинами постоянными. Газ меняет объём, совершает работу и происходит изменение внутренней энергии газа. Это говорит о том, что форма записи первого закона термодинамики остаётся без изменения ().

Остался последний процесс, где неизменна температура – изотермический. Раз у нас не меняется температура, следует, что не меняется и внутренняя энергия. Из этого можем сделать вывод, изменение энергии равно нулю (). Это приводит к тому, что количество теплоты, которое мы подводим к газу, полностью идёт на совершение работы на этом участке. В этом случае мы понимаем, что смысла говорить о нагревании нет. Всё тепло, который газ получает, приводит к совершению работы, поэтому говорят, что теплоёмкость газа практически равна бесконечности, газ поглощает в себя тепло и при этом не нагревается.

Также следует поговорить ещё об одном процессе, который немного отличается от других – адиабатном процессе. В адиабатном процессе все параметры будут меняться. Давление, объём и температура являются переменными, меняются виды графиков и условия, при которых протекает данный процесс. Переменные термодинамические параметры – изоляция данной системы от внешней среды (). Если систему закрыть, сделать изолированной от внешнего воздействия, то передать или получить тепло в эту систему невозможно. Всё, что происходит внутри системы, будет связано только с внутренней энергией, которая была накоплена внутри системы. Также есть нюанс, который отличает адиабатный процесс от других. Наиболее хорошо он себя проявляет, когда протекает с большими массами газов. Очень хорошим примером является работа нашей атмосферы – все явления, что происходят с ней, очень близки по своим свойствам с адиабатным процессом, потому что в данном случае можно рассмотреть атмосферу как изолированную систему, которая находится вокруг Земли. Все процессы, связанные с расширением или сжатием воздуха, можно в какой-то степени отнести к адиабатным процессам. Также очень важна скорость протекания процесса. Для того, чтобы система, будучи не совсем изолированной, но успевала обмениваться теплом с окружающими средами, телами, скорость протекания таких процессов должна быть достаточно высокой. Если такой процесс идёт в течение маленького количества времени, то за это время система физически не успевает обменяться теплом с окружающими телами, и можно говорить о том, что на каком-то этапе протекает адиабатный процесс.

Так что у нас получается с первым законом термодинамики для такого типа процесса? В этом случае, мы с вами можем сразу применить условие, что количество теплоты в систему не поступает, а это означает: ,  где А - это работа самой системы и  - это изменение энергии. В случае, если мы хотим получить от системы какую-то работу, она будет определяться уменьшением внутренней энергии системы, то есть будет проходить работа за счёт уменьшения своей внутренней энергии. Насколько уменьшилась эта энергия, такую работу эта система и совершила. Следовательно, мы можем сделать вывод, что, если газ начинает расширяться (то есть совершается положительная работа), это приводит к его охлаждению и потери внутренней энергии.

Список литературы:

1. Физика. 10 класс. Углублённый уровень. Молекулярная физика. Термодинамика. Учебник – Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
2. Физика. 10 класс. Учебник – Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.
3. Н.А. Кириченко. Термодинамика, статическая молекулярная физика
4. И.П. Базаров. Термодинамика
5. Ю.П. Румер, М.Ш. Рывкин. Термодинамика, статическая физика и кинетика
6. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика