[ незарегистрированный пользователь ]
Проверялка   Факультатив   Лабораторки   Задачки   Вычислялки   Рассуждалки   Тестилки  

Учебники по темам:     01   02   03   04   05   06   07   08   09   10   11   12   13   14   15

      Тема 06. Введение в термодинамику      

 

«««  [ ]  »»»
 
  § 06-з. Первый закон термодинамики    

 
 

Мы знаем, что внутреннюю энергию тел можно менять теплообменом – передавая или забирая некоторое количество теплоты (см. § 6-в). Но опыты Румфорда и Джоуля продемонстрировали, что внутреннюю энергию тел можно менять совершением работы (см. § 6-ж). То есть существуют два различных равноправных способа изменения внутренней энергии тел: теплопередача и работа (см. формулу).

          ΔU = Q + A          

ΔU – изменение внутренней энергии тела, Дж
Q – полученное им количество теплоты, Дж
A – совершённая над телом работа, Дж

Эта формула гласит, что изменение внутренней энергии тела есть величина, равная сумме количества теплоты, полученной этим телом, и совершённой над ним работы. Это утверждение, отражающее закон сохранения и превращения энергии, называется первым законом термодинамики. Чтобы лучше его осознать, рассмотрим примеры.

_?_      

Опыт «воздушное огниво». Возьмём толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыпем немного «серы» от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы совершим механическую работу над воздухом: сожмём его. В результате воздух нагреется настолько сильно, что серный порошок в нём воспламенится без поджигания!

Объясним опыт. Удар длился недолго, поэтому передачей теплоты из цилиндра наружу можно пренебречь. Извне теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда формула первого закона термодинамики применительно к этому опыту запишется так: ΔU = 0 + A, то есть ΔU = A.

Последнюю формулу лучше писать наоборот: A = ΔU, что читается так: совершённая над телом работа идёт на изменение его внутренней энергии (если теплообмен отсутствует). То есть работа, совершённая над воздухом, привела к росту его внутренней энергии, и он нагрелся.

  1. Изменять внутреннюю энергию теплообменом – это ...
  2. Изменять внутреннюю энергию тел можно и ...
  3. Механическая работа и обмен теплотой – это ...
  4. Сформулируйте первый закон термодинамики словесно.
  5. В опыте «воздушное огниво» работа совершалась ...
  6. При очень быстром сжатии поршнем ...
  7. Запись Q = 0 свидетельствует, что ...
  8. Запись ΔU = 0 + A верна для случая ...
  9. Итоговый вид записи A = ΔU означает, что ...
  10. Применительно к этому опыту получается: ...
 
 

 
 

 
 

 
 
 
      _?_

Опыт «туман в бутыли». Для него нам потребуются бутыль, пробка, шланг и насос (см. рисунок). Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Удерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда нам становится трудно удерживать пробку, накачивание прекращают и ожидают 5–10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа.

1-й этап. Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с опытом «воздушное огниво», запишем первый закон термодинамики так: ΔU = 0 + A. Поскольку А – положительная величина, значит, и ΔU положительна. То есть внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону – возрастает.

2-й этап. Давая воздуху охладиться, работу не совершали: A = 0. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: ΔU = –Q + 0. Знак «минус» означает, что воздух не получал теплоту, а отдавал её. Поскольку величина –Q является отрицательной, значит, и равная ей величина ΔU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону – уменьшается.

3-й этап. Пробку отпускают, и она выталкивается струёй воздуха. Всё происходит быстро, поэтому теплообмен не успевает произойти: Q = 0. Кроме того, работа совершается не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется: ΔU = –A. Поскольку величина –A является отрицательной, то и величина ΔU отрицательна. Значит, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается, и в бутыли появляется туман.

  1. Почему в опыте «туман в бутыли» пробку удерживают и отпускают не сразу?
  2. Для первого этапа формулу ΔU = 0 + A мы записали ...
  3. Величина ΔU больше нуля, так как ...
  4. Для второго этапа запись A = 0 означает, что ...
  5. Перед Q стоит минус, поскольку в этом опыте ...
  6. Величина ΔU меньше нуля, так как:
  7. Отрицательность значения ΔU означает, что ...
  8. В записи ΔU = 0 – A знак минус означает, что ...
  9. Величина ΔU снова отрицательна, так как ...
  10. Убывание внутренней энергии воздуха приводит к тому, что ...
 
 

 
 

Физика.ru   •   Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей