§ 36. Закони термодинаміки

Перший закон термодинаміки
Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів
Адіабатний процес
Необоротність теплових процесів. Другий закон термодинаміки

ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. Спираючись на результати численних експериментів, отримані в середині XIX ст., Дж. Джоуль, Ю. Майєр та Г. Гельмгольц установили закономірність, згідно з якою кількість енергії в природі незмінна, вона лише переходить від одних тіл до інших або перетворюється з одного виду в інший.

Це твердження називають законом збереження і перетворення енергії. Цей закон може бути застосованим і до теплових процесів.

Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища, називають першим законом термодинаміки.

Перший закон термодинаміки має загальний характер і застосовується до всіх без винятку явищ природи: механічне переміщення з тертям, нагрівання тіл, проходження електричного струму, світлові явища, радіоактивні перетворення хімічних елементів тощо. Всі наведені приклади супроводжуються виконанням роботи чи теплопередачею.

У загальному випадку під час переходу системи (газу) з одного стану в інший внутрішня енергія змінюється одночасно за рахунок і виконання роботи, і передавання теплоти. Для такого випадку перший закон термодинаміки можна сформулювати таким чином:

Зміна внутрішньої енергії системи ΔU у випадку переходу її з одного стану в інший визначається сумою роботи зовнішніх сил А' і кількості теплоти Q, переданої системі.

ΔU = Q + A'.

Враховуючи, що А' = -А, перший закон термодинаміки можна записати й у такому вигляді:

Q = ΔU + A.

Тобто підведена до системи кількість теплоти частково йде на збільшення її внутрішньої енергії і частково на виконання системою роботи над зовнішніми тілами.

Історичне встановлення цього закону було пов’язане зі спробами створення машини, яка б нескінченно довго виконувала роботу без надходження теплоти ззовні. У термодинаміці таку машину називають «вічним» двигуном першого роду. Оскільки в цьому випадку

Q = 0 , то А = -ΔU,

тобто робота може виконуватись лише за рахунок зменшення внутрішньої енергії.

Звідси випливає неможливість побудови «вічного» двигуна першого роду — оскільки неможливо нескінченно довго виконувати роботу за рахунок скінченого значення внутрішньої енергії якоїсь системи.

ЗАСТОСУВАННЯ ПЕРШОГО ЗАКОНУ ТЕРМОДИНАМІКИ ДО ІЗОПРОЦЕСІВ. За допомогою першого закону термодинаміки можна робити важливі висновки про характер процесів, що відбуваються.

Якщо термодинамічною системою є ідеальний газ і його об’єм не змінюється (ізохорний процес), то А' = 0 , а зміна внутрішньої енергії, згідно з першим законом термодинаміки дорівнюватиме кількості теплоти: ΔU = Q.

Якщо Т = const (ізотермічний процес), внутрішня енергія системи не змінюється (ΔU = 0). Уся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання газом роботи над зовнішніми тілами: Q = A.

Кількість теплоти Q, передана газу за сталого тиску (ізобарний процес), витрачається на зміну його внутрішньої енергії і на виконання ним роботи над зовнішніми тілами: Q = ΔU + A.

АДІАБАТНИЙ ПРОЦЕС. Серед теплових процесів важливе теоретичне і практичне значення має адіабатний процес.

Адіабатний процес — процес, що відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем.

Звичайно, неможливо оточити систему оболонкою, що абсолютно не пропускає тепло, але іноді можна вважати реальні процеси дуже близькими до адіабатних. Для цього вони мають здійснюватися так швидко, щоб за час процесу не відбулося теплообміну. Нагрівання повітря від швидкого стискання застосовується у двигунах Дизеля.

Коли працюють потужні компресори, які стискують повітря, температура повітря настільки підвищується, що доводиться спеціально охолоджувати циліндри. Адіабатичне охолодження газу під час їх розширення використовують у машинах для зрідження газів.

Адіабатичні процеси відбуваються з величезними масами газу (наприклад, в атмосфері Землі). Нагріте повітря піднімається вгору і розширюється (оскільки у верхніх шарах менший атмосферний тиск). Це розширення супроводжується охолодженням, яке викликає конденсацію водяної пари й утворення хмар.

Перший закон термодинаміки для адіабатного процесу має вигляд: ΔU = А', оскільки Q = 0 , то змінити внутрішню енергію системи можна лише за рахунок виконання над нею роботи.

НЕОБОРОТНІСТЬ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ. ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. Закон збереження і перетворення енергії твердить, що кількість енергії за будь-яких її перетворень незмінна, але нічого в ньому не вказує на те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком допустимих з погляду закону збереження енергії, ніколи не відбуваються насправді. Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію більш холодним тілам, які його оточують. Зворотний процес передачі теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Таких прикладів можна навести безліч. Отже, всі процеси в природі мають певну спрямованість і у зворотному напрямі вони самовільно відбуватися не можуть.

Усі процеси в природі необоротні. Напрям можливих енергетичних перетворень вказує другий закон термодинаміки, який був сформульований на основі дослідних фактів Клаузіусом.

Неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.

Головне в цьому параграфі

Перший закон термодинаміки. Зміна внутрішньої енергії системи ΔU у випадку переходу її з одного стану в інший визначається сумою роботи зовнішніх сил А' і кількості теплоти Q, переданої системі.

ΔU = Q + A'.

Адіабатний процес — процес, що відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем.

Другий закон термодинаміки. Неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.

Запитання для самоперевірки

1. Як формулюють закон збереження енергії в термодинаміці?
2. Як записують і формулюють перший закон термодинаміки?
3. Як записується перший закон термодинаміки для ізотермічного, ізохорного, ізобарного й адіабатного процесів?
4. Який процес називають адіабатним? За яких умов він здійснюється? Наведіть приклади адіабатних процесів.
5. Який процес називають оборотним?
6. У чому полягає фізичний зміст другого закону термодинаміки? Як формулюють цей закон?

Вправа до § 36

1(c). Газу передано кількість теплоти 100 Дж, і зовнішні сили виконали над ним роботу 300 Дж. Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії газу?
2(c). Для ізобарного нагрівання 800 молів газу на 500 К їм було надано 9,4 МДж теплоти. Визначте роботу газу, а також приріст його внутрішньої енергії.
3(д). На скільки змінилася енергія 10 моль одноатомного газу під час його ізобарного нагрівання на ΔT = 100 К? Яку роботу виконав при цьому газ і яку кількість теплоти йому було надано?
4(в). У циліндрі під поршнем перебуває газ, об’єм якого дорівнює 200 см³, а температура становить 50 °С. Маса поршня дорівнює 0,6 кг, площа — 50 см². Визначте роботу, яка витрачається на підняття поршня при нагріванні газу до 150 °С. Зовнішній тиск дорівнює 98 кПа. Тертям можна знехтувати.

Зміст