-->
|
|
|
Ãëàâà 13. Îñíîâû òåðìîäèíàìèêè § 74. Ðàáîòà â òåðìîäèíàìèêå ðåçóëüòàòå êàêèõ ïðîöåññîâ ìîæåò èçìåíÿòüñÿ âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ? Êàê îïðåäåëÿåòñÿ ðàáîòà â ìåõàíèêå? Ðàáîòà â ìåõàíèêå è òåðìîäèíàìèêå.  ìåõàíèêå ðàáîòà îïðåäåëÿåòñÿ êàê ïðîèçâåäåíèå ìîäóëÿ ñèëû, ìîäóëÿ ïåðåìåùåíèÿ òî÷êè å¸ ïðèëîæåíèÿ è êîñèíóñà óãëà ìåæäó âåêòîðàìè ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ. Ïðè äåéñòâèè ñèëû íà äâèæóùååñÿ òåëî ðàáîòà ýòîé ñèëû ðàâíà èçìåíåíèþ åãî êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè. Ðàáîòà â òåðìîäèíàìèêå îïðåäåëÿåòñÿ òàê æå, êàê è â ìåõàíèêå, íî îíà ðàâíà íå èçìåíåíèþ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òåëà, à èçìåíåíèþ åãî âíóòðåííåé ýíåðãèè. Èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè ïðè ñîâåðøåíèè ðàáîòû. Ïî÷åìó ïðè ñæàòèè èëè ðàñøèðåíèè òåëà ìåíÿåòñÿ åãî âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ? Ïî÷åìó, â ÷àñòíîñòè, íàãðåâàåòñÿ âîçäóõ ïðè íàêà÷èâàíèè âåëîñèïåäíîé øèíû? Ïðè÷èíà èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû ãàçà â ïðîöåññå åãî ñæàòèÿ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì:
Òàê, ïðè äâèæåíèè íàâñòðå÷ó ìîëåêóëàì ãàçà ïîðøåíü âî âðåìÿ ñòîëêíîâåíèé ïåðåäà¸ò èì ÷àñòü ñâîåé ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè, â ðåçóëüòàòå ÷åãî óâåëè÷èâàåòñÿ âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ ãàçà è îí íàãðåâàåòñÿ. Ïîðøåíü äåéñòâóåò ïîäîáíî ôóòáîëèñòó, âñòðå÷àþùåìó ëåòÿùèé íà íåãî ìÿ÷ óäàðîì íîãè. Íîãà ôóòáîëèñòà ñîîáùàåò ìÿ÷ó ñêîðîñòü, çíà÷èòåëüíî áîëüøóþ òîé, êîòîðîé îí îáëàäàë äî óäàðà. È íàîáîðîò, åñëè ãàç ðàñøèðÿåòñÿ, òî ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ ñ óäàëÿþùèìñÿ ïîðøíåì ñêîðîñòè ìîëåêóë óìåíüøàþòñÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ãàç îõëàæäàåòñÿ. Òàê æå äåéñòâóåò è ôóòáîëèñò, äëÿ òîãî ÷òîáû óìåíüøèòü ñêîðîñòü ëåòÿùåãî ìÿ÷à èëè îñòàíîâèòü åãî, — íîãà ôóòáîëèñòà äâèæåòñÿ îò ìÿ÷à, êàê áû óñòóïàÿ åìó äîðîãó.
Âû÷èñëèì ðàáîòó ñèëû
Ìîäóëü ñèëû, äåéñòâóþùåé ñî ñòîðîíû ãàçà íà ïîðøåíü, ðàâåí F' = pS, ãäå ð — äàâëåíèå ãàçà, à S — ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ïîðøíÿ. Ïðè ïîäú¸ìå ïîðøíÿ íà ìàëîå ðàññòîÿíèå Δh = h2 - h1 ðàáîòà ãàçà ðàâíà: À' = F'Δh = pS(h2 - h1) = p(Sh2 - Sh1). (13.2) Íà÷àëüíûé îáú¸ì, çàíèìàåìûé ãàçîì, V1 = Sh1, à êîíå÷íûé V2 = Sh2. Ïîýòîìó ìîæíî âûðàçèòü ðàáîòó ãàçà ÷åðåç èçìåíåíèå îáú¸ìà ΔV = (V2 - V1): À' = p(V2 - V1) = pΔV > 0. (13.3) Ïðè ðàñøèðåíèè ãàç ñîâåðøàåò ïîëîæèòåëüíóþ ðàáîòó, òàê êàê íàïðàâëåíèå ñèëû è íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ ïîðøíÿ ñîâïàäàþò. Åñëè ãàç ñæèìàåòñÿ, òî ôîðìóëà (13.3) äëÿ ðàáîòû ãàçà îñòà¸òñÿ ñïðàâåäëèâîé. Íî òåïåðü V2 < V1, è ïîýòîìó À < 0. Ðàáîòà À, ñîâåðøàåìàÿ âíåøíèìè òåëàìè íàä ãàçîì, îòëè÷àåòñÿ îò ðàáîòû À' ñàìîãî ãàçà òîëüêî çíàêîì: À = -À' = -pΔV. (13.4)
Ïðè ñæàòèè ãàçà, êîãäà ΔV = V2 - V1 < 0, ðàáîòà âíåøíåé ñèëû îêàçûâàåòñÿ ïîëîæèòåëüíîé. Òàê è äîëæíî áûòü: ïðè ñæàòèè ãàçà íàïðàâëåíèÿ ñèëû è ïåðåìåùåíèÿ òî÷êè å¸ ïðèëîæåíèÿ ñîâïàäàþò. Åñëè äàâëåíèå íå ïîääåðæèâàòü ïîñòîÿííûì, òî ïðè ðàñøèðåíèè ãàç òåðÿåò ýíåðãèþ è ïåðåäà¸ò å¸ îêðóæàþùèì òåëàì: ïîäíèìàþùåìóñÿ ïîðøíþ, âîçäóõó è ò. ä. Ãàç ïðè ýòîì îõëàæäàåòñÿ. Ïðè ñæàòèè ãàçà, íàîáîðîò, âíåøíèå òåëà ïåðåäàþò åìó ýíåðãèþ è ãàç íàãðåâàåòñÿ.
Ãåîìåòðè÷åñêîå èñòîëêîâàíèå ðàáîòû. Ðàáîòå À' ãàçà äëÿ ñëó÷àÿ ïîñòîÿííîãî äàâëåíèÿ ìîæíî äàòü ïðîñòîå ãåîìåòðè÷åñêîå èñòîëêîâàíèå. Ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè ãðàôèê çàâèñèìîñòè äàâëåíèÿ ãàçà îò çàíèìàåìîãî èì îáú¸ìà — ïðÿìàÿ, ïàðàëëåëüíàÿ îñè àáñöèññ (ðèñ. 13.2). Î÷åâèäíî, ÷òî ïëîùàäü ïðÿìîóãîëüíèêà abdc, îãðàíè÷åííàÿ ãðàôèêîì ðõ = const, îñüþ V è îòðåçêàìè àb è cd, ðàâíûìè äàâëåíèþ ãàçà, ÷èñëåííî ðàâíà ðàáîòå, îïðåäåëÿåìîé ôîðìóëîé (13.3): À' = p1(V2 - V2) = |ab| • |àñ|.
 îáùåì ñëó÷àå äàâëåíèå ãàçà íå îñòà¸òñÿ íåèçìåííûì. Íàïðèìåð, ïðè èçîòåðìè÷åñêîì ïðîöåññå îíî óáûâàåò îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî îáú¸ìó (ðèñ. 13.3).  ýòîì ñëó÷àå äëÿ âû÷èñëåíèÿ ðàáîòû íóæíî ðàçäåëèòü îáùåå èçìåíåíèå îáú¸ìà íà ìàëûå ÷àñòè è âû÷èñëèòü ýëåìåíòàðíûå (ìàëûå) ðàáîòû, à ïîòîì âñå èõ ñëîæèòü. Ðàáîòà ãàçà ïî-ïðåæíåìó ÷èñëåííî ðàâíà ïëîùàäè ôèãóðû, îãðàíè÷åííîé ãðàôèêîì çàâèñèìîñòè ð îò V, îñüþ V è îòðåçêàìè àb è cd, äëèíà êîòîðûõ ÷èñëåííî ðàâíà äàâëåíèÿì p1 ð2 â íà÷àëüíîì è êîíå÷íîì ñîñòîÿíèÿõ ãàçà.
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. Ïî÷åìó ãàçû ïðè ñæàòèè íàãðåâàþòñÿ? 2. Ïîëîæèòåëüíóþ èëè îòðèöàòåëüíóþ ðàáîòó ñîâåðøàþò âíåøíèå ñèëû ïðè èçîòåðìè÷åñêîì ïðîöåññå, èçîáðàæ¸ííîì íà ðèñóíêå 13.3?
|
|
|