Методическая разработка "Работа газа в термодинамике" 10 класс


Компьютерная лабораторная работа
«Работа газа»
Цель работы. Определение работы газа при расширении и сжатии, взаимосвязи
количества теплоты, получаемой газом при различных процессах и внутренней
энергии.
Теория вопроса.
Внутренняя энергия одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.),
молекулы которого совершают только поступательное движение, зависит только от
температуры .
Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между
ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит наряду с температурой T также
и от объема V:
Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется
макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не
зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что
внутренняя энергия является функцией состояния.
Используя уравнение Менделеева-Клайперона, можно представить выражение для
внутренней энергии идеального одноатомного газа в виде
Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы
совершают работу (положительную или отрицательную). Например, если газ подвергается
сжатию в цилиндре под поршнем, то внешние силы совершают над газом некоторую
положительную работу A'. В то же время силы давления, действующие со стороны газа на
поршень, совершают работу A = A'. Если объем газа изменился на малую величину ΔV,
то газ совершает работу pSΔx = pΔV, где p давление газа, S площадь поршня, Δx его
перемещение. При расширении работа, совершаемая газом, положительна, при сжатии
отрицательна. В общем случае при переходе из некоторого начального состояния (1) в
конечное состояние (2) работа газа выражается формулой (рис. 1.): А = p(V
2
V
1
).
Рисунок 1. Графическое изображение работы газа
Рисунок 2. Три возможных перехода идеального газа
Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ
совершает разную работу, равную площади под графиком процесса (Рис. 2).
Процессы, изображенные на рис. 2, можно провести и в обратном направлении; тогда
работа A просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые
можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми.
Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы,
но и вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из
них может увеличиваться, а внутренняя энергия другого уменьшаться. В этом случае
говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Количеством теплоты Q, полученной
телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.
При расширении газ совершает положительную работу A
1
, равную площади под кривой
abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A
2
, равную по модулю площади под
кривой cda. Полная работа за цикл A = A
1
+ A
2
на диаграмме (p, V) равна площади цикла.
Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если
цикл обходится в противоположном направлении (Рис. 3).