Первый закон термодинамики

Слайд 1. Первый закон термодинамики в различных процессах

Физика, 10 класс: Анализ передачи тепла, совершения работы и изменения энергии

Слайд 2. Фундамент термодинамики

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии для тепловых систем. Он гласит: изменение внутренней энергии системы $\Delta U$ равно сумме количества теплоты $Q$, переданного системе, и работы внешних сил $A$.

Математическая запись: $\Delta U=Q+A$ или $Q=\Delta U+A^{\prime }$, где $A^{\prime }$ — работа, совершаемая самой системой.

Слайд 3. Изохорный процесс ($V=const$)

Слайд 4. Особенности изохорного процесса

Поскольку объем не меняется, работа газа $A^{\prime }=P\Delta V=0$.

Весь приток тепла идет исключительно на изменение внутренней энергии: $Q=\Delta U$.

Температура растет пропорционально давлению.

Пример: нагревание газа в герметичном стальном баллоне.

Слайд 5. Изобарный процесс ($P=const$)

Слайд 6. Особенности изобарного процесса

Газ расширяется и совершает работу: $A^{\prime }=P(V_2-V_1)$.

Подведенное тепло $Q$ расходуется и на нагрев, и на совершение работы.

Формула: $Q=\Delta U+A^{\prime }$.

Пример: расширение газа в цилиндре под подвижным поршнем при постоянном внешнем давлении.

Слайд 7. Изотермический процесс ($T=const$)

Если температура постоянна, то внутренняя энергия идеального газа не меняется: $\Delta U=0$.

Первый закон принимает вид: $Q=A^{\prime }$.

Всё подведенное тепло полностью превращается в механическую работу расширения.

Пример: медленное сжатие или расширение газа в контакте с массивным термостатом.

Слайд 8. Распределение энергии при изобарном процессе

Для одноатомного идеального газа при изобарном нагревании 60% теплоты идет на увеличение внутренней энергии, а 40% — на совершение работы против внешних сил.

Слайд 9. Адиабатный процесс: без обмена теплом

Слайд 10. Адиабатное расширение и сжатие

Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$).

Газ совершает работу только за счет убыли своей внутренней энергии: $A^{\prime }=-\Delta U$.

При быстром расширении газ сильно охлаждается, при быстром сжатии — нагревается.

Пример: воспламенение топлива в дизельном двигателе при резком сжатии воздуха.

Слайд 11. Сводная таблица процессов

Эта таблица помогает быстро определить, на что расходуется энергия в зависимости от ограничений, наложенных на газовую систему.

Слайд 12. Где это применяется в технике?

В двигателях внутреннего сгорания такты сжатия и расширения близки к адиабатным из-за высокой скорости.

В холодильных установках изотермическое и адиабатное расширение используется для отвода тепла.

При выходе газа из баллончика происходит адиабатное расширение, поэтому струя и клапан охлаждаются.

Паровые турбины на электростанциях работают на принципе преобразования внутренней энергии пара в работу.

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

Почему при накачивании шины насос заметно нагревается?

Как объяснить образование облаков с точки зрения адиабатного процесса?

Можно ли охладить комнату, оставив дверцу работающего холодильника открытой?

В каком из изученных процессов газ обладает наибольшим КПД при превращении тепла в работу?

Слайд 14. Основные выводы

Первый закон термодинамики связывает теплоту, работу и внутреннюю энергию.

В изохорном процессе работа не совершается ($A^{\prime }=0$).

В изотермическом процессе вся теплота превращается в работу ($\Delta U=0$).

В адиабатном процессе изменение энергии происходит только за счет совершения работы ($Q=0$).

Знание этих закономерностей позволяет проектировать двигатели и тепловые машины.