Работа в термодинамике

Слайд 1. Работа в термодинамике

Энергия, движение и расширение газов. Физика, 10 класс

Слайд 2. Что такое работа в термодинамике?

В термодинамике работа — это способ передачи энергии при изменении объема макроскопической системы.

Если газ расширяется, он совершает работу против внешних сил. Это фундаментальный принцип действия тепловых двигателей.

Слайд 3. Механика vs Термодинамика

Работа силы $F$ при перемещении $s$:

$A=F\cdot s\cdot \cos \alpha$.

Мы рассматриваем движение одного тела как единого целого.

Давление газа $P$ действует на поршень площадью $S$.

Сила $F=P\cdot S$.

При перемещении поршня на $\Delta h$ работа: $A=P\cdot S\cdot \Delta h=P\Delta V$.

Слайд 4. Условия совершения работы

1. Газ расширяется: $\Delta V>0$, работа газа положительна ($A>0$).

2. Газ сжимается: $\Delta V<0$, работа газа отрицательна ($A<0$).

3. Объем постоянен: $\Delta V=0$, работа газа равна нулю.

4. Давление должно быть отлично от нуля.

Слайд 5. Геометрический смысл работы

Слайд 6. Изобарный процесс

В изобарном процессе ($P=\text{const}$) работа вычисляется по прямой формуле:

$$A=P(V_2-V_1)$$

Это самый простой случай, так как давление не меняется в ходе расширения. Если мы знаем начальный и конечный объемы, мы легко найдем переданную энергию.

Слайд 7. Работа газа и работа внешних сил

Работа самого газа ($A$): совершается системой над окружением. Если газ толкает поршень вверх — он тратит свою энергию.

Работа внешних сил ($A^{\prime }$): совершается над газом. Она равна работе газа с противоположным знаком: $A^{\prime }=-A$.

Слайд 8. Работа в различных изопроцессах

Слайд 9. Сводная таблица процессов

Обратите внимание: в изохорном процессе работа всегда равна нулю, так как нет перемещения границ системы (поршня).

Слайд 10. Алгоритм решения задач

Определите вид процесса по условию (постоянно ли давление, объем или температура).

Найдите изменение объема $\Delta V=V_2-V_1$ в системе СИ (кубические метры).

Примените формулу работы или найдите площадь под графиком в осях $P-V$.

Слайд 11. Примеры в технике и природе

Расширение раскаленных газов толкает поршень, вращая колеса автомобиля.

Внешние силы совершают работу по сжатию воздуха, повышая его давление.

Подъем воздуха вверх ведет к его расширению и совершению работы против давления.

Компрессор совершает работу над хладагентом для переноса тепла.

Слайд 12. Вопрос для обсуждения

В каком процессе газ НЕ совершает работу, даже если его нагревают? (Правильный ответ: Изохорный, так как объем не меняется).

Слайд 13. Работа в замкнутом цикле

Полезная работа за один цикл равна площади внутри замкнутой кривой на $P-V$ диаграмме. Разные циклы имеют разную эффективность.

Слайд 14. Проверь себя

Почему при быстром сжатии газа в насосе он нагревается?

Как изменится работа, если давление увеличить вдвое при том же изменении объема?

Может ли газ совершать работу, если его давление падает?

В каких единицах измеряется работа в системе СИ?

Слайд 15. Главные выводы

Работа в термодинамике неразрывно связана с изменением объема $\Delta V$.

Геометрически работа — это площадь под графиком процесса в осях $P-V$.

При расширении работа газа положительна, при сжатии — отрицательна.

В изохорном процессе ($V=\text{const}$) работа не совершается.

Работа является формой передачи энергии от системы к окружению или наоборот.