-->
Ðàáîòà â òåðìîäèíàìèêå. Ôèçèêà 10 êë.
< !-- ot vovana -->
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 5. Çàêîíû òåðìîäèíàìèêè

 


§ 5.1. Ðàáîòà â òåðìîäèíàìèêå

Òåïëîâûå 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.

 ãëàâå 3 ìû ïîçíàêîìèëèñü ñ ðàçëè÷íûìè ïðîöåññàìè, ïðè êîòîðûõ ìåíÿåòñÿ ñîñòîÿíèå òåðìîäèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû. Ó íàñ ðå÷ü øëà ïðåèìóùåñòâåííî îá èçìåíåíèè ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà ïðè èçîòåðìè÷åñêîì, èçîáàðíîì è èçîõîðíîì ïðîöåññàõ.
Äëÿ äàëüíåéøåãî ðàññìîòðåíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ íóæíî äåòàëüíî èññëåäîâàòü, â ðåçóëüòàòå êàêèõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèé ìîæåò ìåíÿòüñÿ ñîñòîÿíèå ëþáîé òåðìîäèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû. Èìååòñÿ äâà ñóùåñòâåííî ðàçëè÷íûõ âèäà âîçäåéñòâèé, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê èçìåíåíèþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû, ò. å. ê èçìåíåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ — äàâëåíèÿ ð, îáúåìà V, òåìïåðàòóðû Ò, õàðàêòåðèçóþùèõ ñîñòîÿíèå. Ïåðâûé èç íèõ — ýòî ñîâåðøåíèå ðàáîòû.

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 ðàáîòû

Âû÷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 , äåéñòâóþùåé íà ãàç ñî ñòîðîíû âíåøíåãî òåëà (ïîðøíÿ), à ðàáîòó, êîòîðóþ ñîâåðøàåò ñàì ãàç, äåéñòâóÿ íàøîðøåíü ñ ñèëîé . Ñîãëàñíî òðåòüåìó çàêîíó Íüþòîíà

Ðàáîòà ãàçà

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 , äåéñòâóþùàÿ íà ãàç, íàïðàâëåíà ïðîòèâ ñèëû , à ïåðåìåùåíèå îñòàåòñÿ òåì æå ñàìûì. Ïîýòîìó ðàáîòà âíåøíèõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ãàç, ðàâíà

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 ðàáîòû

Ðàáîòå 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).

ãðàôèê çàâèñèìîñòè äàâëåíèÿ ãàçà îò îáúåìà

 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.

Ðàáîòà âíåøíåé ñèëû, èçìåíÿþùåé îáúåì ãàçà íà ΔV, ðàâíà À = —pΔV. Ðàáîòà ñàìîãî ãàçà À' = —À = = pΔV, ãäå ð — äàâëåíèå ãàçà.

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru
<">


Ñîäåðæàíèå

interfaceType: 0, withoutIframe: true,