Адиабатный процессТепловую энергию можно частично или полностью превратить в механическую энергию. Например, разреженный газ расширяется изотермически. Внутренняя энергия газа в таком процессе не меняется, то есть вся переданная газу внешними телами теплота переходит в работу сил, с которыми газ действует на окружающие его предметы (на стенки сосуда, в котором газ находится).

Устройства, в которых механическая работа совершается за счет того, что какие-то тела отдают тепловую энергию, а другие тела получают ее в меньшем количестве, называются тепловыми двигателями.

Удобно пользоваться двигателем, который работает циклически. Механическая работа в циклическом процессе совершается за счет неполной передачи внутренней энергии нагревателя через так называемое рабочее тело холодильнику.

Рассмотрим модель взаимодействия молекул газа со стенками сосуда. Свойства молекулы будем описывать свойствами упругого шарика, а свойства стенки — массивным абсолютно твердым телом. Пусть шарик и стенка движутся вдоль одного направления, перпендикулярного плоскости поверхности стенки. Скорость шарика V, а скорость стенки u. Если скорость шарика перед ударом и скорость стенки имеют одинаковое направление, то в этом случае отскочивший шарик будет иметь скорость V–2u, то есть уменьшит свою кинетическую энергию. Если же они движутся навстречу друг другу, то после абсолютно упругого удара шарик отскочит от стенки со скоростью V+2u, то есть увеличит свою энергию.

Или, говоря другими словами, при взаимодействии молекулы и стенки во время удара точка приложения сил перемещается и, соответственно, силы совершают работу. Сил при взаимодействии две — по третьему закону Ньютона они равны по величине и противоположны по направлению. Работы этих сил равны по величине и противоположны по знаку. Если стенка покоится, то работы этих двух сил равны нулю.

Отскочившая от стенки молекула при последующих столкновениях с другими молекулами распределяет избыток или недостаток энергии между всеми другими молекулами. Скорости молекул газа в состоянии термодинамического равновесия распределены определенным образом (распределение Максвелла). Столкновения молекул с движущейся стенкой нарушают это распределение.

Из этого рассмотрения следует, что работа газа при расширении будет максимальной, если движение стенок происходит очень медленно. Действительно, если стенка движется со значительной скоростью, то «медленные» молекулы, которые есть в распределении, не догоняют стенку и не оказывают давления на движущуюся стенку. Если стенка движется с такой скоростью, что ни одна молекула не может её догнать, то в этом случае газ вообще никакой работы при расширении не совершит! Этот случай соответствует расширению газа в вакууме. Если перемещение стенки происходит со скоростью много меньшей, чем скорости молекул, то можно считать, что давление газа на эту подвижную стенку Рп и давление на неподвижные стенки Рн совпадают. Работа А сил, с которыми молекулы газа действуют на внешние тела, при медленном (квазистатическом) малом изменении объема газа, равна . Достаточно рассмотреть медленное перемещение поршня в цилиндрическом сосуде. В дальнейшем мы не будем использовать тяжеловесную формулировку: «работа сил, с которыми молекулы газа действуют на внешние тела», а будем говорить просто: «работа газа».

Если стенка сосуда, в котором находится газ, перемещается со скоростью, сравнимой со скоростями движения молекул, и объем сосуда увеличивается, то молекулы передают этой стенке при каждом столкновении меньший импульс, чем покоящейся стенке. Газ совершает положительную работу меньшую, чем .

С другой стороны, при сжатии газа внешние силы совершают минимальную работу, если движение стенок происходит с очень маленькой скоростью. Если это не так, то давление газа на движущуюся стенку больше, чем среднее давление во всем сосуде.

Мы можем рассчитывать работу газа, используя формулу только в случае, когда весь газ (во всем сосуде) характеризуется одинаковыми макроскопическими параметрами: давлением и температурой. При быстрых движениях стенок сосуда средняя энергия молекул газа вблизи движущейся стенки отличается от соответствующей энергии в других частях объема газа. Если в газе при движении стенок успевают устанавливаться во всех частях объема одинаковое давление и одинаковая температура, то такой процесс называют квазистатическим. Только для таких процессов и справедливо выражение для работы газа .

Если рабочее тело на каком-либо интервале времени не получает от других тел теплоту и не отдает теплоту другим телам, то в этом процессе механическая работа совершается рабочим телом только за счет его внутренней энергии. Такой процесс, когда рабочее тело не обменивается теплотой с окружающими телами, называется адиабатическим (адиабатным).


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+