Краткий ответ — конспект §12 «Работа в термодинамике»
Работа в термодинамике — один из способов изменения внутренней энергии системы при механическом взаимодействии тел.
Работа силы давления газа при постоянном давлении: \[ A=F\Delta l=pS\Delta l=p(V_2-V_1)=p\Delta V. \] Формула справедлива для изобарного процесса, когда \(p=\text{const}\).
Знак работы:
- газ расширяется: \(V_2>V_1\), \(\Delta V>0\), поэтому \(A>0\);
- газ сжимается: \(V_2<V_1\), \(\Delta V<0\), поэтому \(A<0\);
- работа внешних сил противоположна по знаку: \[ A'=-A. \] При сжатии внешние силы совершают положительную работу, при расширении — отрицательную.
Геометрический смысл. На графике \(p(V)\) работа газа численно равна площади фигуры под графиком между объёмами \(V_1\) и \(V_2\). Для изобарного процесса это площадь прямоугольника: \[ A=p(V_2-V_1). \]
Работа зависит от процесса, а не только от начального и конечного состояний. Один и тот же переход можно осуществить разными путями, и площади под графиками будут разными.
Частные случаи:
- изохорный процесс: \(V=\text{const}\), \(\Delta V=0\), значит \(A=0\);
- изобарный процесс: \(A=p\Delta V\);
- изотермический процесс: давление меняется, поэтому нельзя считать \(A=p\Delta V\) с постоянным \(p\); работу находят по площади под графиком.
- Для изобарного процесса из уравнения Менделеева — Клапейрона: \[ A=p\Delta V=\nu R\Delta T. \]
Как понять формулу
Поршень площадью \(S\) движется на \(\Delta l\). Сила давления газа: \[ F=pS. \] Работа силы: \[ A=F\Delta l=pS\Delta l. \] Но \(S\Delta l\) — это изменение объёма \(\Delta V\). Поэтому: \[ A=p\Delta V. \]
Почему работа — площадь под графиком
На графике \(p(V)\) произведение \(p\Delta V\) — это площадь узкого столбика шириной \(\Delta V\) и высотой \(p\). Если сложить площади всех таких столбиков, получится вся площадь под графиком процесса.
Алгоритм решения похожей задачи
- Определи процесс: если \(p=\text{const}\), используй \(A=p\Delta V\).
- Переведи давление в паскали, объём — в кубические метры.
- Найди \(\Delta V=V_2-V_1\).
- Вычисли \(A=p\Delta V\).
- Проверь знак: расширение — \(A>0\), сжатие — \(A<0\).
- Проверь единицы: \(1\ \text{Па}\cdot\text{м}^3=1\ \text{Дж}\).
Пример проверки
Газ расширяется при \(p=200\) кПа от \(10\) л до \(20\) л: \[ A=2\cdot10^5\cdot(0{,}020-0{,}010)=2000\ \text{Дж}=2\ \text{кДж}. \] Расширение, поэтому работа положительна — результат согласуется со знаком.