À quoi correspond le travail en thermodynamique ? Travailler en thermodynamique

L'énergie de tout système, d'une manière générale, dépend non seulement des propriétés du système lui-même, mais également des conditions externes. Les conditions externes dans lesquelles se trouve le système peuvent être caractérisées en spécifiant certaines quantités appelées paramètres externes. L'un de ces paramètres, comme déjà indiqué, est le volume du système. L'interaction des corps, au cours de laquelle leurs paramètres externes changent, est appelée interaction mécanique, et le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre au cours d'une telle interaction est appelé travail. . Le terme « travail » est également utilisé pour désigner une quantité physique égale à l’énergie transférée (ou reçue) par un corps lors de l’exécution d’un travail.

En mécanique, le travail est défini comme le produit de la projection d'une force sur la direction du déplacement et l'amplitude du déplacement. Le travail est effectué lorsqu'une force agit sur un corps en mouvement et est égale à la variation de son énergie cinétique. En thermodynamique, le mouvement d’un corps dans son ensemble n’est pas pris en compte. Ici, le travail effectué par le système (ou sur le système) est associé à un déplacement de ses frontières, c'est-à-dire avec un changement de son volume. Cela se produit par exemple lors de la détente (ou de la compression) d'un gaz situé dans un cylindre sous le piston. Dans les processus d'équilibre, le travail élémentaire effectué par un gaz (ou sur un gaz) avec un changement de volume infinitésimal est déterminé comme

Où dh– déplacement infinitésimal du piston (limites du système), p- Pression du gaz. On voit que lorsque le gaz se dilate ( ) le travail qu'il fait est positif ( ), et une fois compressé ) - négatif ( ).

La même expression détermine le travail effectué par tout système thermodynamique (ou sur un système) avec un changement de volume infinitésimal. De la formule (5.4), il s'ensuit que si le système lui-même fonctionne (ce qui se produit lors de l'expansion), alors le travail est positif, mais si un travail est effectué sur le système (pendant la compression), alors le travail qu'il effectue est négatif. Comme on le voit, en thermodynamique les signes du travail sont opposés aux signes du travail en mécanique.

Avec un dernier changement de volume de V 1 à V 2 travaux peuvent être déterminés en intégrant des travaux élémentaires allant de V 1 à V 2:

(5.5)

La valeur numérique du travail est égale à l'aire du trapèze curviligne délimitée par la courbe et droit Et (Fig. 5.1). Puisque la zone limitée par l'axe V et courbe p(V), est différent, alors le travail thermodynamique sera différent. Il s'ensuit que le travail thermodynamique dépend du chemin de transition du système de l'état 1 à l'état 2 et dans un processus fermé (cycle) il n'est pas égal à zéro. Le fonctionnement de tous les moteurs thermiques est basé sur cela (ceci sera abordé en détail au paragraphe 5.7).

Nous utilisons cette formule pour obtenir le travail effectué par un gaz sous divers isoprocessus. Dans un processus isochore V= const, et

Riz. 5.1

travailler pour ça UN= 0. Pour un processus isobare p= travail constant . Dans un processus isotherme, pour intégrer selon la formule (5.5), il faut exprimer dans sa fonction intégrande pà travers V selon la formule de la loi Clapeyron-Mendeleev :

Où – nombre de moles de gaz. En tenant compte de cela, on obtient

(5.6)

L'énergie interne, selon la formule (5.1), peut changer à la fois en raison d'un changement (augmentation ou diminution) des niveaux d'énergie du système, et en raison de la redistribution des probabilités de ses différents états, c'est-à-dire en raison des transitions du système d'un état à un autre. La réalisation d'un travail thermodynamique est associée uniquement à un déplacement (ou une déformation) des niveaux d'énergie du système sans modifier sa répartition entre les états, c'est-à-dire sans changer les probabilités Ainsi, dans le cas d'un système constitué de particules n'interagissant pas (comme, par exemple, dans le cas d'un gaz parfait), lorsque l'on peut parler des énergies des particules individuelles, l'exécution du travail est. associé à un changement dans l'énergie des particules individuelles ( ) avec un nombre constant de particules à chaque niveau d'énergie. Ceci est représenté schématiquement sur la figure 1 en utilisant l'exemple du système à deux niveaux le plus simple. 5.2. Par exemple

Riz. 5.2

Mesures, lorsqu'un gaz est comprimé par un piston, le piston, en mouvement, transmet la même énergie à toutes les molécules qui entrent en collision avec lui, qui transfèrent de l'énergie aux molécules de la couche suivante, etc. En conséquence, l’énergie de chaque particule augmente du même montant. Comme autre exemple simple de la dépendance des niveaux d'énergie d'un système sur son paramètre externe, nous pouvons donner l'expression de l'énergie d'une microparticule dans un puits de potentiel unidimensionnel infiniment profond.

Où m– la masse des particules, je– taille de la région de mouvement des particules, n– un entier excluant zéro. Le paramètre externe dans ce cas est la largeur de la fosse. Lorsque la largeur du puits change, les niveaux d'énergie se déplacent de À mesure que la largeur de la fosse augmente les niveaux d'énergie diminuent , et en diminuant - en haut

Contrairement au travail mécanique, qui est égal à la variation de l’énergie cinétique d’un corps, le travail thermodynamique est égal à la variation de son énergie interne.

Il convient également de noter que le travail thermodynamique, comme le travail mécanique, est effectué pendant le processus de changement d'état, il dépend donc du type de processus et n'est pas fonction de l'état.

6.3. Travailler en thermodynamique

Plus tôt, au paragraphe 6.1, nous avons parlé des états d'équilibre d'un système thermodynamique ; dans ces états, les paramètres du système sont identiques dans tout son volume. Lorsqu'on commence à envisager des travaux dans les systèmes thermodynamiques, il faut s'attendre à ce que sa mise en œuvre soit associée à une modification du volume du système. Et puis la question se pose : de quels processus parlons-nous si l’on doit considérer les états d’équilibre ? La réponse est la suivante : si le processus est lent, alors les valeurs des paramètres d'état dans tout le volume peuvent être considérées comme les mêmes. La notion de « lent » doit ici être clarifiée. Tout d'abord, il est associé à la notion de « temps de relaxation » - le temps pendant lequel l'équilibre s'établit dans le système. On s'intéresse maintenant au temps d'égalisation des pressions dans le système (temps de relaxation), lorsque le système thermodynamique effectue un travail associé à un changement de volume ; pour un gaz homogène, ce temps est d'environ 10 à 16 s. Évidemment, le temps de relaxation est assez petit par rapport au temps des processus dans les systèmes thermodynamiques réels (ou par rapport au temps de mesure). Naturellement, nous avons le droit de supposer que le processus réel est une séquence d'états d'équilibre et nous avons donc le droit de le représenter comme une ligne sur le graphique. V, P.(Fig. 6.1.). Bien entendu, le volume et la température ou la pression et la température peuvent être tracés le long des axes du système de coordonnées. Puisqu'en algèbre, et pas seulement, lors du traçage de graphiques, le premier axe de coordonnées est lu et écrit X, et puis - à, c'est à dire. " X, à», on espère que le lecteur, en lisant les « axes du système de coordonnées V, R.", suppose - le long de l'axe X le volume est déposé V, et le long de l'axe à- Pression du gaz R..

Faisons connaissance avec le type de lignes qui affichent graphiquement les processus les plus simples dans un système de coordonnées, le long des axes desquels les paramètres d'état sont tracés V, P.(d'autres axes de coordonnées sont possibles). Le choix du système de coordonnées est dû au fait que la zone limitée par la courbe de processus et les deux coordonnées extrêmes des valeurs de volume initiales et finales est égale au travail de compression ou d'expansion. En figue. La figure 6.2 montre des graphiques d'isoprocessus tirés du même état initial. La courbe d'un processus adiabatique (adiabatique) est plus raide que celle d'un processus isotherme (isotherme). Cette circonstance peut s'expliquer sur la base de l'équation de Clapeyron pour l'état des gaz :

(2)

Exprimer à partir de l'équation d'état R. 1 et R. 2, différence de pression pendant l'expansion du gaz à partir du volume V 1 au volume V 2 s’écrira :

. (3)

Ici, comme dans l'équation (2),
.

Lors de la dilatation adiabatique, le travail sur les corps externes est effectué uniquement grâce à l'énergie interne du gaz, de sorte que l'énergie interne, et avec elle la température du gaz, diminue ; c'est-à-dire à la fin du processus d'expansion adiabatique (Fig. 6.2) T 2 < T 1 (trouver une justification); dans un processus isotherme T 2 T 1 . Par conséquent, dans la formule (3), la différence de pression
en expansion adiabatique elle sera plus importante qu'en expansion isotherme (vérifier en effectuant des transformations).

Réaliser que nous avons affaire à des processus d'équilibre et nous familiariser avec leur affichage graphique dans le système de coordonnées ( V,P.), passons à la recherche d'une expression analytique du travail externe effectué par un système thermodynamique.

Le travail effectué par le système peut être calculé en fonction de la valeur des forces externes agissant sur le système et de l'ampleur de la déformation du système - changements dans sa forme et sa taille. Si des forces externes sont appliquées le long de la surface sous la forme, par exemple, d'une pression externe comprimant le système, alors le travail externe peut être calculé en fonction de la modification du volume du système. Pour illustrer, considérons le processus de détente d'un gaz enfermé dans un cylindre avec un piston (Fig. 6.3). Supposons que la pression externe dans toutes les zones le long de la surface du cylindre est la même. Si, lors de la dilatation du système, le piston se déplace d'une distance dl, alors le travail élémentaire effectué par le système s'écrira : dA F ds p S dl p dV; Ici S est l'aire du piston, et S dl dV– modification du volume du système (Fig. 6.3). Lorsque le système se dilate, la pression externe ne reste pas toujours constante, donc le travail effectué
système lorsque son volume passe de V 1 à V 2 doit être calculé comme la somme des travaux élémentaires, c'est-à-dire par intégration :
. De l'équation de travail, il s'ensuit que les paramètres de l'initiale ( p 1 ,V 1) et finale ( p 2 ,V 2) les états du système ne déterminent pas la quantité de travail externe effectué ; il faut aussi connaître la fonction R.(V), révélant l'évolution de la pression lors du passage d'un système d'un état à un autre.

En conclusion, il convient de noter échange de chaleur La relation entre le système et l'environnement dépend non seulement des paramètres des états initial et final du système, mais aussi de la séquence d'états intermédiaires par lesquels passe le système. Cela découle de la première loi de la thermodynamique : Q U 2 –U 1 UN, Où U 1 et U 2 sont déterminés uniquement en définissant les paramètres des états initial et final, et des travaux externes UN Cela dépend aussi du processus de transition lui-même. En conséquence, la chaleur Q, reçu ou donné par le système lors du passage d'un état à un autre, ne peut s'exprimer en fonction uniquement de la température de ses états initial et final.

Conclure l'excursion dans la section « Thermodynamique. La première loi de la thermodynamique », nous énumérons ses concepts clés : système thermodynamique, paramètres thermodynamiques, état d'équilibre, processus d'équilibre, processus réversible, énergie interne du système, première loi de la thermodynamique, travail d'un système thermodynamique, processus adiabatique.

Travail mécanique

Travail mécanique- il s'agit d'une grandeur physique - une mesure quantitative scalaire de l'action d'une force (forces résultantes) sur un corps ou de forces sur un système de corps. Dépend de l'ampleur numérique et de la direction de la ou des forces, ainsi que du mouvement du corps (système de corps).

Notations utilisées

Le travail est généralement désigné par la lettre UN(de l'allemand. UN rbeit- travail, travail) ou lettre W(de l'anglais w ork- travail, travail).

Définition

Travail de force appliqué à un point matériel

Le travail total de déplacement d'un point matériel, effectué par plusieurs forces appliquées à ce point, est défini comme le travail de la résultante de ces forces (leur somme vectorielle). Par conséquent, nous parlerons plus loin d'une force appliquée à un point matériel.

Avec un mouvement rectiligne d'un point matériel et une valeur constante de la force qui lui est appliquée, le travail (de cette force) est égal au produit de la projection du vecteur force sur la direction du mouvement et de la longueur du vecteur déplacement réalisé au point :

A = F s s = F s c o s (F , s) = F → ⋅ s → (\displaystyle A=F_(s)s=Fs\ \mathrm (cos) (F,s)=(\vec (F))\ cdot(\vec(s)))

Ici, le point désigne le produit scalaire, s → (\displaystyle (\vec (s))) est le vecteur de déplacement ; on suppose que la force agissante F → (\displaystyle (\vec (F))) est constante pendant le temps pour lequel le travail est calculé.

Dans le cas général, lorsque la force n'est pas constante et le mouvement n'est pas rectiligne, le travail est calculé comme une intégrale curviligne de seconde espèce le long de la trajectoire du point :

UNE = ∫ F → ⋅ ré s → . (\displaystyle A=\int (\vec (F))\cdot (\vec (ds)).)

(cela implique une sommation le long d'une courbe, qui est la limite d'une ligne brisée composée de mouvements successifs d s → , (\displaystyle (\vec (ds)),) si nous les considérons d'abord finis, puis orientons la longueur de chacun vers zéro).

S'il existe une dépendance de la force sur les coordonnées, l'intégrale est définie comme suit :

A = ∫ r → 0 r → 1 F → (r →) ⋅ d r → (\displaystyle A=\int \limits _((\vec (r))_(0))^((\vec (r)) _(1))(\vec (F))\left((\vec (r))\right)\cdot (\vec (dr))) ,

où r → 0 (\displaystyle (\vec (r))_(0)) et r → 1 (\displaystyle (\vec (r))_(1)) sont les rayons vecteurs de la position initiale et finale du corps, respectivement.

• Conséquence. Si la direction de la force appliquée est orthogonale au déplacement du corps, ou si le déplacement est nul, alors le travail (de cette force) est nul.

Travail de forces appliqué à un système de points matériels

Le travail des forces pour déplacer un système de points matériels est défini comme la somme du travail de ces forces pour déplacer chaque point (le travail effectué sur chaque point du système se résume au travail de ces forces sur le système).

Même si le corps n'est pas un système de points discrets, il peut être divisé (mentalement) en de nombreux éléments (morceaux) infinitésimaux, dont chacun peut être considéré comme un point matériel et le travail peut être calculé conformément à la définition ci-dessus. Dans ce cas, la somme discrète est remplacée par une intégrale.

• Ces définitions peuvent être utilisées à la fois pour calculer le travail effectué par une force ou une classe de forces particulière et pour calculer le travail total effectué par toutes les forces agissant sur un système.

Énergie cinétique

L'énergie cinétique est introduite en mécanique en lien direct avec la notion de travail.

Le schéma de raisonnement est le suivant : 1) essayons d'écrire le travail effectué par toutes les forces agissant sur un point matériel et, en utilisant la deuxième loi de Newton (qui permet d'exprimer la force par l'accélération), essayons d'exprimer la réponse uniquement par grandeurs cinématiques, 2) en nous assurant que cela a réussi, et que cette réponse ne dépend que de l'état initial et final du mouvement, introduisons une nouvelle grandeur physique à travers laquelle ce travail s'exprimera simplement (ce sera l'énergie cinétique).

Si A t o t a l (\displaystyle A_(total)) est le travail total effectué sur la particule, défini comme la somme du travail effectué par les forces appliquées à la particule, alors il s'exprime comme suit :

A t o t a l = Δ (m v 2 2) = Δ E k , (\displaystyle A_(total)=\Delta \left((\frac (mv^(2))(2))\right)=\Delta E_(k ),)

où E k (\displaystyle E_(k)) est appelée énergie cinétique. Pour un point matériel, l'énergie cinétique est définie comme la moitié du produit de la masse de ce point par le carré de sa vitesse et s'exprime comme suit :

E k = 1 2 m v 2 . (\displaystyle E_(k)=(\frac (1)(2))mv^(2).)

Pour les objets complexes constitués de nombreuses particules, l'énergie cinétique du corps est égale à la somme des énergies cinétiques des particules.

Énergie potentielle

Une force est dite potentielle s'il existe une fonction scalaire de coordonnées, connue sous le nom d'énergie potentielle et notée E p (\displaystyle E_(p)), telle que

F → = − ∇ E p . (\displaystyle (\vec (F))=-\nabla E_(p).)

Si toutes les forces agissant sur une particule sont conservatrices et que E p (\displaystyle E_(p)) est l'énergie potentielle totale obtenue en additionnant les énergies potentielles correspondant à chaque force, alors :

Ce résultat est connu sous le nom de loi de conservation de l'énergie mécanique et stipule que l'énergie mécanique totale dans un système fermé soumis à des forces conservatrices est

∑ E = E k + E p (\displaystyle \sum E=E_(k)+E_(p))

est constante dans le temps. Cette loi est largement utilisée pour résoudre des problèmes de mécanique classique.

Travailler en thermodynamique

En thermodynamique, le travail effectué par un gaz lors de la détente est calculé comme l'intégrale de la pression sur le volume :

UNE 1 → 2 = ∫ V 1 V 2 P ré V . (\displaystyle A_(1\rightarrow 2)=\int \limits _(V_(1))^(V_(2))PdV.)

Le travail effectué sur le gaz coïncide avec cette expression en valeur absolue, mais est de signe opposé.

• Une généralisation naturelle de cette formule est applicable non seulement aux processus dans lesquels la pression est une fonction à valeur unique du volume, mais également à tout processus (représenté par n'importe quelle courbe dans le plan PV), en particulier aux processus cycliques.
• En principe, la formule s'applique non seulement au gaz, mais aussi à tout ce qui est capable d'exercer une pression (il suffit que la pression dans le récipient soit la même partout, ce qui est implicite dans la formule).

Cette formule est directement liée au travail mécanique. En effet, essayons d'écrire le travail mécanique lors de la dilatation du récipient, en tenant compte du fait que la force de pression du gaz sera dirigée perpendiculairement à chaque zone élémentaire, égale au produit de la pression P. Vers la place DS plates-formes, puis le travail effectué par le gaz pour déplacer h un de ces sites élémentaires sera

ré UNE = P ré S h . (\ displaystyle dA = PdSh.)

On voit qu'il s'agit du produit de l'incrément de pression et de volume à proximité d'une zone élémentaire donnée. Et pour résumer l'ensemble DS nous obtenons le résultat final, où il y aura une augmentation complète du volume, comme dans la formule principale du paragraphe.

Travail de force en mécanique théorique

Examinons de manière un peu plus détaillée que nous l'avons fait ci-dessus la construction de la définition de l'énergie en tant qu'intégrale riemannienne.

Supposons qu'un point matériel M (\displaystyle M) se déplace le long d'une courbe continuellement différentiable G = ( r = r (s) ) (\displaystyle G=\(r=r(s)\)) , où s est une longueur d'arc variable , 0 ≤ s ≤ S (\displaystyle 0\leq s\leq S) et il est soumis à l'action d'une force F (s) (\displaystyle F(s)) dirigée tangentiellement à la trajectoire dans la direction du mouvement (si le la force n'est pas dirigée tangentiellement, alors on comprendra par F (s) (\displaystyle F(s)) la projection de force sur la tangente positive de la courbe, réduisant ainsi ce cas à celui considéré ci-dessous). Valeur F (ξ i) △ s i , △ s i = s i − s i − 1 , i = 1 , 2 , . . . , je τ (\displaystyle F(\xi _(i))\triangle s_(i),\triangle s_(i)=s_(i)-s_(i-1),i=1,2,... ,i_(\tau )) est appelé travail de base force F (\displaystyle F) sur la section G i (\displaystyle G_(i)) et est prise comme valeur approximative du travail produit par la force F (\displaystyle F) agissant sur un point matériel lorsque cette dernière passe le courbe G je (\displaystyle G_(i)) . La somme de toutes les œuvres élémentaires ∑ i = 1 i τ F (ξ i) △ s i (\displaystyle \sum _(i=1)^(i_(\tau ))F(\xi _(i))\triangle s_ (i )) est la somme intégrale de Riemann de la fonction F (s) (\displaystyle F(s)) .

Conformément à la définition de l'intégrale de Riemann, on peut définir le travail :

La limite vers laquelle tend la somme ∑ i = 1 i τ F (ξ i) △ s i (\displaystyle \sum _(i=1)^(i_(\tau ))F(\xi _(i))\triangle s_ (i)) tout travail élémentaire, lorsque finesse | τ | \tau de la partition τ (\displaystyle \tau ) tend vers zéro est appelé le travail de force F (\displaystyle F) le long de la courbe G (\displaystyle G) .

Ainsi, si l'on désigne cette œuvre par la lettre W (\displaystyle W), alors, en vertu de cette définition,

W = lim | τ | → 0 ∑ je = 1 je τ F (ξ je) △ s je (\displaystyle W=\lim _\sum _(i=1)^(i_(\tau ))F(\xi _(i))\triangle s_(i)) ,

ainsi,

W = ∫ 0 s F (s) d s (\displaystyle W=\int \limits _(0)^(s)F(s)ds) (1).

Si la position d'un point sur la trajectoire de son mouvement est décrite à l'aide d'un autre paramètre t (\displaystyle t) (par exemple, le temps) et si la distance parcourue s = s (t) (\displaystyle s=s(t) ) , a ≤ t ≤ b (\displaystyle a\leq t\leq b) est une fonction continûment différentiable, alors à partir de la formule (1) on obtient

W = ∫ une b F [ s (t) ] s ′ (t) d t . (\displaystyle W=\int \limits _(a)^(b)Fs"(t)dt.)

Dimension et unités

L'unité de travail dans le Système international d'unités (SI) est le joule, dans le SGH c'est l'erg.

1 J = 1 kg m²/s² = 1 Nm 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 dyne cm 1 erg = 10−7 J

S'il te plait donne moi définition-Travail en thermodynamique et processus adiabatique.

Svetlana

En thermodynamique, le mouvement d'un corps dans son ensemble n'est pas pris en compte et nous parlons du mouvement des parties d'un corps macroscopique les unes par rapport aux autres. Une fois le travail terminé, le volume du corps change, mais sa vitesse reste nulle. Mais les vitesses des molécules du corps changent ! Par conséquent, la température corporelle change. La raison en est que lors d'une collision avec un piston en mouvement (compression de gaz), l'énergie cinétique des molécules change - le piston cède une partie de son énergie mécanique. Lors d'une collision avec un piston en retrait (expansion), les vitesses des molécules diminuent et le gaz se refroidit. Lorsque l’on travaille en thermodynamique, l’état des corps macroscopiques change : leur volume et leur température.
Un processus adiabatique est un processus thermodynamique dans un système macroscopique dans lequel le système ne reçoit ni ne libère d'énergie thermique. La ligne représentant un processus adiabatique sur tout diagramme thermodynamique est appelée adiabatique.

Oleg Goltsov

travail A=p(v1-v2)
Où
p - pression créée par le piston = f/s
où f est la force agissant sur le piston
s - zone du piston
remarque p = const
v1 et v2 - volumes initial et final.

En mécanique, le travail A est associé au mouvement X corps dans son ensemble sous l’influence d’une force F

La thermodynamique traite du mouvement des parties du corps. Par exemple, si le gaz dans le cylindre sous le piston se dilate, alors en déplaçant le piston, il agit dessus. Dans ce cas, le volume de gaz change (Fig. 2.1).

Calculons le travail effectué par un gaz lorsque son volume change. Travail élémentaire lors du déplacement du piston d'un certain montant dxégal à

.

La force est liée à la pression par la relation

Où S- zone des pistons.

Le changement de volume est

Ainsi

(2.5)

Travail complet UN effectué par un gaz lorsque son volume passe de V 1 à V 2, on trouve en intégrant la formule (2.5)

(2.6)

L'expression (2.6) est valable pour tous les processus

Calculons le travail pendant les isoprocessus :

1) pour un processus isochore V 1 = V 2 = const, UN = 0;
2) pour un processus isobare p = const, UN=p( V 2 – V 1) = pΔ V;
3) pour un procédé isotherme T= const. De l'équation (1.6), il résulte que

.

L'expression (2.6) ressemblera à

. (2.7)

2.3. Quantité de chaleur

Le processus de transfert d’énergie d’un corps à un autre sans effectuer de travail est appelé transfert de chaleur.

Quantité de chaleur- c'est l'énergie transférée au corps suite à l'échange thermique. Changer la température d'une substance en masse m de T 1 à T 2, il doit signaler la quantité de chaleur

Le coefficient c dans cette formule est appelé capacité thermique spécifique : [c]=1 J/(kg∙K).

Lors du chauffage d'un corps Q > 0, lors du refroidissement Q< 0.

2.4. La première loi de la thermodynamique. Application aux isoprocédés.

Si le système échange de la chaleur avec les corps environnants et fonctionne (positif ou négatif), alors l'état du système change, c'est-à-dire ses paramètres macroscopiques changent. Étant donné que l'énergie interne U est uniquement déterminée par des paramètres macroscopiques, il s'ensuit que les processus d'échange thermique et de travail s'accompagnent d'une modification de l'énergie interne du système.

La première loi de la thermodynamique est une généralisation de la loi de conservation et de transformation de l'énergie pour un système thermodynamique. Il est formulé ainsi :

La variation de l'énergie interne d'un système thermodynamique non isolé est égale à la différence entre la quantité de chaleur transférée au système et le travail effectué par le système sur les corps externes.

La science qui étudie les phénomènes thermiques est la thermodynamique. La physique le considère comme l'une de ses sections, ce qui permet de tirer certaines conclusions basées sur la représentation de la matière sous la forme d'un système moléculaire.

La thermodynamique, dont les définitions sont construites sur la base de faits obtenus expérimentalement, n'utilise pas les connaissances accumulées sur l'interne. Cependant, dans certains cas, cette science utilise des modèles de cinétique moléculaire pour illustrer clairement ses conclusions.

La thermodynamique repose sur les lois générales des processus se produisant lors des changements, ainsi que sur les propriétés d'un système macroscopique, considéré dans un état d'équilibre. Le phénomène le plus important se produisant dans un complexe de substances est l'égalisation des caractéristiques thermiques de toutes ses parties.

Le concept thermodynamique le plus important est que tout corps possède. Il est contenu dans l'élément lui-même. L'interprétation moléculaire-cinétique de l'énergie interne est une quantité qui représente la somme de l'activité cinétique des molécules et des atomes, ainsi que le potentiel de leur interaction les uns avec les autres. Cela implique la loi découverte par Joule. Cela a été confirmé par plusieurs expériences. Ils ont démontré qu'il possède notamment une énergie interne, constituée de l'activité cinétique de toutes ses particules, qui sont en mouvement chaotique et désordonné sous l'influence de la chaleur.

Travailler en thermodynamique modifie l’activité du corps. L'influence des forces influençant l'énergie interne d'un système peut avoir des significations à la fois positives et négatives. Dans les cas où, par exemple, une substance gazeuse est soumise à un processus de compression effectué dans un récipient cylindrique sous la pression d'un piston, les forces agissant sur elle effectuent un travail caractérisé par une valeur positive. Dans le même temps, des phénomènes opposés se produisent. Le gaz effectue un travail négatif de même ampleur sur le piston agissant sur lui. Les actions effectuées par une substance dépendent directement de la surface du piston disponible, de son mouvement et de la pression corporelle. En thermodynamique, le travail effectué par un gaz est positif lorsqu’il se dilate et négatif lorsqu’il est comprimé. L'ampleur de cette action dépend directement du chemin parcouru par la transition de la substance de la position initiale à la position finale.

Les travaux en thermodynamique des solides et des liquides diffèrent en ce sens qu'ils changent très légèrement de volume. De ce fait, l’influence des forces est souvent négligée. Cependant, le résultat d'un travail sur une substance peut être une modification de son activité interne. Par exemple, lors du perçage de pièces métalliques, leur température augmente. Ce fait est la preuve de la croissance de l’énergie interne. De plus, ce processus est irréversible, puisqu’il ne peut s’effectuer en sens inverse.
Les travaux en thermodynamique sont l'un de ses principaux. Sa mesure s'effectue en Joules. La valeur de cet indicateur dépend directement du chemin parcouru par le système de l'état initial à l'état final. Cette action n’est pas fonction de l’état du corps. C'est une fonction du processus lui-même.

Le travail en thermodynamique, qui est déterminé à l'aide des formules disponibles, est la différence entre la quantité de chaleur fournie et évacuée au cours d'un cycle fermé. La valeur de cet indicateur dépend du type de processus. Si le système donne son énergie, cela signifie qu'une action positive est en cours, et s'il en reçoit, cela signifie une action négative.

Lorsqu’on considère les processus thermodynamiques, le mouvement mécanique des macrocorps dans son ensemble n’est pas pris en compte. La notion de travail est ici associée à une modification du volume corporel, c'est-à-dire mouvement des parties d'un macrocorps les unes par rapport aux autres. Ce processus conduit à une modification de la distance entre les particules, et aussi souvent à une modification de la vitesse de leur mouvement, donc à une modification de l'énergie interne du corps.

Supposons qu'il y ait un gaz dans un cylindre à piston mobile à une température T 1 (Fig.1). Nous chaufferons lentement le gaz jusqu'à une température T 2. Le gaz se dilatera de manière isobare et le piston se déplacera de la position 1 positionner 2 à une distance Δ je. La force de pression du gaz fera un travail sur les corps externes. Parce que p= const, alors la force de pression F = PSégalement constante. Par conséquent, le travail de cette force peut être calculé à l’aide de la formule

\(~A = F \Delta l = pS \Delta l = p \Delta V, \qquad (1)\)

où Δ V- changement de volume de gaz. Si le volume du gaz ne change pas (processus isochore), alors le travail effectué par le gaz est nul.

La force de pression du gaz effectue un travail uniquement lors du processus de modification du volume de gaz.

Lors de l'expansion (Δ V> 0) du gaz, un travail positif est effectué ( UN> 0); pendant la compression (Δ V < 0) газа совершается отрицательная работа (UN < 0), положительную работу совершают внешние силы UN' = -UN > 0.

Écrivons l'équation de Clapeyron-Mendeleev pour deux états gazeux :

\(~pV_1 = \frac mM RT_1 ; pV_2 = \frac mM RT_2 \Rightarrow\) \(~p(V_2 - V_1) = \frac mM R(T_2 - T_1) .\)

Donc dans un processus isobare

\(~A = \frac mM R \Delta T .\)

Si m = M(1 mole de gaz parfait), puis à Δ Τ = 1 K on obtient R. = UN. Cela implique la signification physique de la constante universelle des gaz : elle est numériquement égale au travail effectué par 1 mole d'un gaz parfait lorsqu'il est chauffé de manière isobare de 1 K.

Sur la carte p = F(V) dans un processus isobare, le travail est égal à l'aire du rectangle ombré de la figure 2, a.

Si le processus n'est pas isobare (Fig. 2, b), alors la courbe p = F(V) peut être représenté comme une ligne brisée composée d'un grand nombre d'isochores et d'isobares. Le travail sur les sections isochores est nul, et le travail total sur toutes les sections isobares sera

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \Delta V_i\), ou \(~A = \int p(V) dV,\)

ceux. sera égal à l'aire de la figure ombrée. Dans un processus isotherme ( T= const) le travail est égal à l'aire de la figure ombrée représentée sur la figure 2, c.

Il n'est possible de déterminer le travail à l'aide de la dernière formule que si l'on sait comment la pression du gaz change lorsque son volume change, c'est-à-dire la forme de la fonction est connue p(V).

Ainsi, le gaz fonctionne lorsqu'il se dilate. Les appareils et unités dont les actions sont basées sur la propriété d'un gaz d'effectuer un travail pendant le processus de détente sont appelés pneumatique. Les marteaux pneumatiques, les mécanismes de fermeture et d'ouverture des portes des véhicules, etc. fonctionnent sur ce principe.

Littérature

Aksenovich L. A. Physique au lycée : Théorie. Tâches. Tests : Manuel. allocation pour les établissements dispensant un enseignement général. environnement, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino ; Éd. KS Farino. - Mn. : Adukatsiya i viakhavanne, 2004. - P. 155-156.

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À la suite de quels processus l’énergie interne peut-elle changer ?
Comment définit-on le travail en mécanique ?

Travail en mécanique et thermodynamique.

DANS mécanique le travail est défini comme le produit du module de force, du module de déplacement du point de son application et du cosinus de l'angle entre les vecteurs force et déplacement. Lorsqu'une force agit sur un corps en mouvement, le travail effectué par cette force est égal à la variation de son énergie cinétique.

Travailler dans thermodynamique est défini de la même manière qu'en mécanique, mais il n'est pas égal au changement de l'énergie cinétique du corps, mais au changement de son énergie interne.

Changement d'énergie interne lors du travail.

Pourquoi son énergie interne change-t-elle lorsqu'un corps se contracte ou se dilate ? Pourquoi, en particulier, l'air s'échauffe-t-il lors du gonflage d'un pneu de vélo ?

La raison du changement de température du gaz lors de sa compression est la suivante : lors de collisions élastiques de molécules de gaz avec un piston en mouvement, leur énergie cinétique change.

Lorsque la compression ou l'expansion se produit, l'énergie potentielle moyenne d'interaction entre les molécules change également, puisque la distance moyenne entre les molécules change également.

Ainsi, lorsqu'il se déplace vers des molécules de gaz, le piston leur transfère une partie de son énergie mécanique lors des collisions, ce qui entraîne une augmentation de l'énergie interne du gaz et son échauffement. Le piston agit comme un joueur de football rencontrant le ballon qui lui arrive d'un coup de pied. Le pied du joueur confère au ballon une vitesse nettement supérieure à celle qu'il avait avant l'impact.

À l'inverse, si le gaz se dilate, après avoir heurté le piston en retrait, les vitesses des molécules diminuent, ce qui entraîne un refroidissement du gaz. Un joueur de football agit de la même manière pour réduire la vitesse d’un ballon volant ou l’arrêter : sa jambe s’éloigne du ballon, comme pour lui céder la place.

Calculons le travail de la force agissant sur le gaz provenant du corps externe (piston), en fonction du changement de volume, en utilisant l'exemple du gaz dans un cylindre sous le piston (Fig. 13.1), tandis que la pression du gaz est maintenue constante. Tout d'abord, calculons le travail effectué par la force de pression du gaz agissant sur le piston avec la force ". Si le piston monte lentement et uniformément, alors, selon la troisième loi de Newton, = ". Dans ce cas, le gaz se dilate de manière isobare.

Le module de force agissant du gaz sur le piston est égal à F" = pS, où p est la pression du gaz et S est la surface du piston. Lorsque le piston monte sur une courte distance Δh = h 2 - h 1, le travail du gaz est égal à :

A" = F"Δh = pS(h 2 - h 1) = p(Sh 2 - Sh 1). (13.2)

Le volume initial occupé par le gaz est V 1 = Sh 1, et le volume final V 2 = Sh 2. Par conséquent, nous pouvons exprimer le travail d'un gaz par la variation de volume ΔV = (V 2 - V 1) :

A" = p(V 2 - V 1) = pΔV > 0. (13.3)

Lors de l'expansion, le gaz effectue un travail positif, puisque la direction de la force et la direction du mouvement du piston coïncident.

Si le gaz est comprimé, la formule (13.3) pour le travail au gaz reste valable. Mais maintenant V 2< V 1 , и поэтому А < 0.

Le travail A effectué par des corps extérieurs sur un gaz ne diffère du travail A" du gaz lui-même que par le signe :

A = -A" = -pΔV. (13.4)

Lorsque le gaz est comprimé, lorsque ΔV = V 2 - V 1< 0, работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки её приложения совпадают.

Si la pression n'est pas maintenue constante, alors lors de la détente, le gaz perd de l'énergie et la transfère aux corps environnants : un piston montant, de l'air, etc. Le gaz se refroidit. Au contraire, lorsqu’un gaz est comprimé, des corps extérieurs lui transfèrent de l’énergie et le gaz s’échauffe.

Interprétation géométrique de l'œuvre. Le travail A" d'un gaz dans le cas d'une pression constante peut recevoir une interprétation géométrique simple.

À pression constante, le graphique de la dépendance de la pression du gaz sur le volume qu'il occupe est une ligne droite parallèle à l'axe des abscisses (Fig. 13.2). Il est évident que l'aire du rectangle abdc, limitée par le graphique рх = const, l'axe V et les segments ab et cd égaux à la pression du gaz, est numériquement égale au travail déterminé par la formule (13.3) :

A" = p1(V2 - V2) = |ab| |ac|.

En général, la pression du gaz ne reste pas inchangée. Par exemple, lors d'un processus isotherme, il diminue de manière inversement proportionnelle au volume (Fig. 13.3). Dans ce cas, pour calculer le travail, vous devez diviser la variation totale de volume en petites parties et calculer le (petit) travail élémentaire, puis les additionner tous. Le travail du gaz est toujours numériquement égal à l'aire de la figure limitée par le graphique de p en fonction de V, l'axe V et les segments ab et cd dont la longueur est numériquement égale aux pressions p 1 p 2 dans les états initial et final du gaz.