2.4.3. Теплота. Теплоёмкость газов

Изменение внутренней энергии происходит так же при теплообмене. Если в описанном выше опыте (рис. 2.1) зафиксировать поршень и привести в соприкосновение с цилиндром какое-либо тело с температурой, отличной от температуры газа, то параметры состояния (Т и Р) газа будут изменяться, а, следовательно, будет изменяться внутренняя энергия. Это происходит в результате передачи кинетической энергии хаотически движущимися молекул одного тела молекулам другого тела при столкновениях.

Приращение внутренней энергии в процесс чистого теплообмена называется количеством теплоты или просто – теплотой (Q).

Теплота – это процесс изменения внутренней энергии за счет хаотического (неупорядоченного) движения молекул.

Изменение параметров системы (Р и Т) при теплообмене зависит от характера происходящего при этом процесса. Таким образом, теплота, как и работа, является функцией процесса. Изменение температуры системы при теплообмене зависит не только от процесса, но и от химической природы вещества, от агрегатного состояния.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела на один кельвин, называется теплоемкостью тела

. (2.18)

Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью:

. (2.19)

При изучении газа удобнее пользоваться молярной теплоемкостью

. (2.20)

– количество вещества, – молярная масса.

2.4.4. Первое начало термодинамики

Система, в которой количество частиц остается неизменным, может изменять своё состояние только путем обмена энергией с окружающей средой. Количественно изменение внутренней энергии равно сумме изменения за счет теплообмена (теплота) и за счет совершения работы.

Первое начало (закон) термодинамики – это закон сохранения энергии в термодинамических процессах.

Количество теплоты, которое система получает в процессе теплообмена идет на изменение внутренней энергии и на совершение работы

. (2.22)

Формула (2.22) справедлива только для равновесных процессов. Если процесс неравновесный, то его разбивают на столь малые по времени протекания элементы, чтобы в течение этого времени процесс можно было бы считать равновесным. В этом случае первое начало примет вид:

. (2.23)

Здесь следует принять во внимание обозначения: dU – бесконечно малое изменение внутренней энергии, , – это количественные характеристики процесса изменения энергии – элементарные теплота и работа.

Адиабатный процесс

Процесс называется адиабатным, если система не участвует в теплообмене с окружающей средой (Q = 0). Такой процесс можно осуществить, если создать теплоизоляцию. Но поскольку идеальных теплоизоляционных материалов не существует, то на практике адиабатный процесс осуществляют путем быстрого протекания процесса (сжатия или расширения). Так как , первый закон термодинамики примет вид:

или , (2.24)

то есть работа совершается за счет убыли внутренней энергии. При расширении газа , U – убывает, dT < 0 – газ охлаждается. Например, это происходит при открывании баллонов со сжатым воздухом; с теплым воздухом, поднимающимся вверх (поэтому в горах холоднее) и т.д.

При сжатии газа , тогда dU > 0, dT > 0 – газ нагревается. Это наблюдается, например, при накачивании шин насосом или в цилиндре дизельного двигателя: при резком сжатии рабочая смесь нагревается и воспламеняется.

Теплоемкость адиабатного процесса равна нулю. При адиабатном процессе изменяются все параметры состояния. Уравнение состояния (уравнение Пуассона) для адиабатного процесса имеет вид:

или . (2.25)

Здесь – показатель адиабаты. Используя выражения для теплоемкостей и , получим .