-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 5. Çàêîíû òåðìîäèíàìèêè § 5.1. Ðàáîòà â òåðìîäèíàìèêåÒåïëîâûå ÿâëåíèÿ ìîæíî îïèñûâàòü ñ ïîìîùüþ âåëè÷èí (ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ), ðåãèñòðèðóåìûõ òàêèìè ïðèáîðàìè, êàê ìàíîìåòð è òåðìîìåòð. Ýòè ïðèáîðû íå ðåàãèðóþò íà âîçäåéñòâèå îòäåëüíûõ ìîëåêóë. Òåîðèÿ òåïëîâûõ ïðîöåññîâ, â êîòîðîé íå ó÷èòûâàåòñÿ ìîëåêóëÿðíîå ñòðîåíèå òåë, íàçûâàåòñÿ òåðìîäèíàìèêîé. Îá ýòîì óæå óïîìèíàëîñü â ãëàâå 1.  ýòîé ãëàâå òåðìîäèíàìèêó ìû áóäåì èçó÷àòü.
Ðàáîòà â ìåõàíèêå è òåðìîäèíàìèêå ìåõàíèêå ðàññìàòðèâàåòñÿ äâèæåíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë. Ðàáîòà îïðåäåëÿåòñÿ êàê ïðîèçâåäåíèå ìîäóëåé ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ è êîñèíóñà óãëà ìåæäó íàïðàâëåíèÿìè ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ. Ðàáîòà ñîâåðøàåòñÿ ïðè äåéñòâèè ñèëû èëè íåñêîëüêèõ ñèë íà äâèæóùååñÿ ìàêðîñêîïè÷åñêîå òåëî è ðàâíà èçìåíåíèþ åãî êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè.  òåðìîäèíàìèêå äâèæåíèå òåëà êàê öåëîãî íå ðàññìàòðèâàåòñÿ è ðå÷ü èäåò î ïåðåìåùåíèè ÷àñòåé ìàêðîñêîïè÷åñêîãî òåëà äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà. Ïðè ñîâåðøåíèè ðàáîòû ìåíÿåòñÿ îáúåì òåëà, à åãî ñêîðîñòü îñòàåòñÿ ðàâíîé íóëþ. Íî ñêîðîñòè ìîëåêóë òåëà, íàïðèìåð ãàçà, ìåíÿþòñÿ. Ïîýòîìó ìåíÿåòñÿ è òåìïåðàòóðà òåëà. Ïðè÷èíà ñîñòîèò â ñëåäóþùåì: ïðè óïðóãèõ ñîóäàðåíèÿõ ìîëåêóë ñ äâèæóùèìñÿ ïîðøíåì (äëÿ ñëó÷àÿ ñæàòèÿ ãàçà) èõ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ èçìåíÿåòñÿ. Òàê, ïðè äâèæåíèè íàâñòðå÷ó ìîëåêóëàì ïîðøåíü âî âðåìÿ ñòîëêíîâåíèé ïåðåäàåò èì ÷àñòü ñâîåé ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ãàç íàãðåâàåòñÿ. Ïîðøåíü äåéñòâóåò ïîäîáíî ôóòáîëèñòó, âñòðå÷àþùåìó ëåòÿùèé ìÿ÷ óäàðîì íîãè è ñîîáùàþùåìó ìÿ÷ó ñêîðîñòü, çíà÷èòåëüíî áîëüøóþ òîé, êîòîðîé îí îáëàäàë äî óäàðà*. * Çàäà÷à îá èçìåíåíèè ñêîðîñòè øàðèêà ïðè óïðóãîì ñîóäàðåíèè åãî ñ äâèæóùåéñÿ ñòåíêîé ïîäðîáíî ðàññìîòðåíà â § 6.12 «Ìåõàíèêè» (çàäà÷à 5). È íàîáîðîò, åñëè ãàç ðàñøèðÿåòñÿ, òî ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ ñ óäàëÿþùèìñÿ ïîðøíåì ñêîðîñòè ìîëåêóë óìåíüøàþòñÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ãàç îõëàæäàåòñÿ. Òàê æå äåéñòâóåò ôóòáîëèñò: ÷òîáû óìåíüøèòü ñêîðîñòü ëåòÿùåãî ìÿ÷à èëè îñòàíîâèòü åãî, íîãà ôóòáîëèñòà äâèæåòñÿ îò ìÿ÷à, êàê áû óñòóïàÿ åìó äîðîãó. Èòàê, ïðè ñîâåðøåíèè ðàáîòû â òåðìîäèíàìèêå ìåíÿåòñÿ ñîñòîÿíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë: ìåíÿåòñÿ èõ îáúåì è òåìïåðàòóðà. Âû÷èñëåíèå ðàáîòûÂû÷èñëèì ðàáîòó â çàâèñèìîñòè îò èçìåíåíèÿ îáúåìà íà ïðèìåðå ãàçà â öèëèíäðå ïîä ïîðøíåì (ðèñ. 5.1). Ïðîùå âñåãî âíà÷àëå âû÷èñëèòü íå ðàáîòó ñèëû
Ìîäóëü ñèëû, äåéñòâóþùåé ñî ñòîðîíû ãàçà íà ïîðøåíü, ðàâåí F' = pS, ãäå ð — äàâëåíèå ãàçà, a S — ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ïîðøíÿ. Ïóñòü ãàç ðàñøèðÿåòñÿ è ïîðøåíü ñìåùàåòñÿ â íàïðàâëåíèè ñèëû íà ìàëîå ðàññòîÿíèå Δh = h2 - h1 Åñëè ïåðåìåùåíèå ìàëî́, òî äàâëåíèå ãàçà ìîæíî ñ÷èòàòü ïîñòîÿííûì. Ðàáîòà ãàçà ðàâíà À' = F' Δh = pS(h2 - h1) = p(Sh2 - Sh1). (5.1.1) Ýòó ðàáîòó ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç èçìåíåíèå îáúåìà ãàçà. Íà÷àëüíûé îáúåì V1 = Shlt à êîíå÷íûé V2 = Sh2. Ïîýòîìó A' = p(V2 - V1) = pΔV, ãäå ΔV = V2 - V1 — èçìåíåíèå îáúåìà ãàçà. Ïðè ðàñøèðåíèè ãàç ñîâåðøàåò ïîëîæèòåëüíóþ ðàáîòó, òàê êàê íàïðàâëåíèÿ ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ ïîðøíÿ ñîâïàäàþò. Åñëè ãàç ñæèìàåòñÿ, òî ôîðìóëà (5.1.2) äëÿ ðàáîòû ãàçà îñòàåòñÿ ñïðàâåäëèâîé. Íî òåïåðü V2 < V1, è ïîýòîìó À' < 0 (ðèñ. 5.2). Ðàáîòà À, ñîâåðøàåìàÿ âíåøíèìè òåëàìè íàä ãàçîì, îòëè÷àåòñÿ îò ðàáîòû ãàçà À' òîëüêî çíàêîì: À = -À', òàê êàê ñèëà A = -A' = -pΔV. (5.1.3) Çíàê ìèíóñ óêàçûâàåò, ÷òî ïðè ñæàòèè ãàçà, êîãäà ΔV = V2 — V1 < 0, ðàáîòà âíåøíåé ñèëû ïîëîæèòåëüíà. Ïîíÿòíî, ïî÷åìó â ýòîì ñëó÷àå À > 0: ïðè ñæàòèè ãàçà íàïðàâëåíèÿ ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ ñîâïàäàþò. Ïðè ðàñøèðåíèè ãàçà, íàîáîðîò, ðàáîòà âíåøíèõ òåë îòðèöàòåëüíà (À < 0), òàê êàê ΔV = V2 - V1 > 0. Òåïåðü íàïðàâëåíèÿ ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ ïðîòèâîïîëîæíû . Âûðàæåíèÿ (5.1.2) è (5.1.3) ñïðàâåäëèâû íå òîëüêî ïðè ñæàòèè èëè ðàñøèðåíèè ãàçà â öèëèíäðå, íî è ïðè ìàëîì èçìåíåíèè îáúåìà ëþáîé ñèñòåìû. Åñëè ïðîöåññ èçîáàðíûé (ð = const), òî ýòè ôîðìóëû ìîæíî ïðèìåíÿòü è äëÿ áîëüøèõ èçìåíåíèé îáúåìà. Ãåîìåòðè÷åñêîå èñòîëêîâàíèå ðàáîòûÐàáîòå ãàçà À' äëÿ ñëó÷àÿ ïîñòîÿííîãî äàâëåíèÿ ìîæíî äàòü ïðîñòîå ãåîìåòðè÷åñêîå èñòîëêîâàíèå. Ïîñòðîèì ãðàôèê çàâèñèìîñòè äàâëåíèÿ ãàçà îò îáúåìà (ðèñ. 5.3). Çäåñü ïëîùàäü ïðÿìîóãîëüíèêà abcd, îãðàíè÷åííàÿ ãðàôèêîì p1 = const, îñüþ V è îòðåçêàìè àb è cd, ðàâíûìè äàâëåíèþ ãàçà, ÷èñëåííî ðàâíà ðàáîòå (5.1.2).
 îáùåì ñëó÷àå ïðè ïðîèçâîëüíîì èçìåíåíèè îáúåìà ãàçà äàâëåíèå íå îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Íàïðèìåð, ïðè èçîòåðìè÷åñêîì ïðîöåññå îíî óáûâàåò îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî îáúåìó (ðèñ. 5.4).  ýòîì ñëó÷àå äëÿ âû÷èñëåíèÿ ðàáîòû íóæíî îáùåå èçìåíåíèå îáúåìà ðàçäåëèòü íà ìàëûå ÷àñòè, âû÷èñëèòü ýëåìåíòàðíûå (ìàëûå) ðàáîòû, à ïîòîì âñå èõ ñëîæèòü. Ðàáîòà ãàçà ïî-ïðåæíåìó áóäåò ÷èñëåííî ðàâíà ïëîùàäè ôèãóðû, îãðàíè÷åííîé ãðàôèêîì çàâèñèìîñòè ð îò V, îñüþ V è îòðåçêàìè ab è cd, ðàâíûìè äàâëåíèÿì ð1 è ð2 â íà÷àëüíîì è êîíå÷íîì ñîñòîÿíèÿõ.
|
|
|