РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ

​АННОТАЦИЯ

Принцип работы в термодинамике. Вывод основных формул.

Ключевые слова: физика, термодинамика, работа.

Термодинамика –  это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута.

Эйнштейн

Изначально понятие работы встречается нам в механике, в которой она является скалярной величиной и являясь основополагающим для изучения изменений в системах вычисляется по формуле:

A – работа;

F – модуль вектора силы;

S – модуль вектора перемещения

 – угол между векторами;

Главное отличие термодинамики от механики заключается в том, что работа, которую мы наблюдаем, мы будем рассматривать не как движение единого и целого объекта, а его части относительно термодинамической системы, благодаря чему меняется её объем. Если в механике работа определялась довольно просто, а именно произведением модулей силы и перемещения, умноженное на косинус угла между ними, то для определения работы в термодинамике действует другой закон.

Так как мы рассматриваем не весь объект, а лишь его часть, то при изменении объема скорость остается равной нулю. Отсюда и следует вывод, что работа равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.

Науке известен факт того, что при сжатии или расширении любого тела изменяется его внутренняя энергия. Так с чем же связан этот удивительный процесс? Давайте разбираться.

При сжатии газа изменяется температура, это можно доказать, просто накачав велосипедную шину. Суть заключена в том, что при упругих соударениях молекул с движущимся поршнем их кинетическая энергия изменяется.

Если наблюдать за поршнем, который будет двигаться навстречу молекулам, то он передаст им часть своей механической энергии, как бы «ускорив их» в другом направлении. Это наглядный пример процесса сжатия газа.

Однако при расширении газа поршень, наоборот, будет удаляться от движущихся молекул, потому их скорость уменьшается, вследствие чего и происходит понижение температуры газа.

Когда газ сжимается или же расширяется, изменяется среднее расстояние среди молекул, оттого и средняя потенциальная энергия взаимодействия также терпит изменения.

Проведем опыт изменения объема газа в цилиндре под поршнем. Для начала необходимо вычислить работу, которую проводит не поршень, а сам газ действуя на поршень с силой F'. Сделаем мы это опираясь на третий закон Ньютона F' = –F.

F – модуль вектора силы;

Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен:

F' = pS.

p – давление газа;

 S – площадь поршня;

Пусть газ расширяется, и поршень смещается в направлении силы F' на малое расстояние

∆h = h₂ – h₁.

h – перемещение поршня;

В случае, если перемещение будет очень маленьким, давление можно смело называть константой. Далее следуют получение формулы работы газа:

A – работа газа;

Преобразуем формулу через изменение объема газа. Начальный объем V₁ = Sh₁, а конечный V₂ = Sh₂. Поэтому:

V – объем газа;

При расширении газ всегда совершает положительную работу, понять это довольно легко – поршень и направление газа совпадают, а значит суммируются под знаком +. Во время этого процесса газ имеет способность передавать энергию телам вокруг.

А теперь рассмотрим ситуацию, когда внешние тела совершают некоторую работу на газ. Казалось бы, совсем другая ситуация, отличная от предыдущих случаев. Однако меняется лишь знак: A = –A'. Это обуславливается тем, что перемещение остается неизменным, в то время как сила F действует против F'. На основе этих выводов можно явить свету формулу внешних сил, которая будет отличаться лишь знаком, а переменные будут оставаться на своих местах:

Из вывода этой формулы также следует немаловажный вывод: минус обозначает, что газ, сжимаясь в своем объеме, сохраняет направление силы, которое совпадает с направлением перемещения. Газ же, в свою очередь, получает определенное количество энергии, которую ему передает внешнее тело.

Две последние формулы справедливы при изменении объема газа не только в цилиндре, как это было в нашем опыте, но и для любой системы, где изменение в объеме можно считать незначительным. А если давление не изменяется в процессе, то это применимо и для систем с большим изменением объема.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, преобразования для работы сильно отличаются в механике и термодинамике. С помощью формул можно находить отдельную работу каждого объекта системы, что бывает очень полезно, поскольку в механике такого результате добиться бы не удалось. Одной из особенности темы является тот факт, что скорость тела равна нулю, в то время как скорость молекул этого тела неизбежно меняются.

В итоге сложилась картина, термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. В ней постоянно меняются её составляющие – термодинамические системы, и важнейшими параметрами являются – температура, объем и давление.

Список литературы:

1. Белоконь Н. И. Термодинамика. — Госэнергоиздат, 1954. — 417 с.
2. Валле Пуссен. Лекции по теоретической механике. Т. 1. — 1948. — 339 с.
3. Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.