Теория
Внутренняя энергия газа — это сумма кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Она меняется двумя способами: при теплообмене и при совершении работы. Первый закон термодинамики связывает эти величины: \(\Delta U = Q + A\), где \(Q\) — теплота, полученная газом, а \(A\) — работа внешних сил над газом.
Часто удобнее вторая запись: \(Q = \Delta U + A'\), где \(A'\) — работа самого газа над внешними телами. Это противоположные по знаку величины: \(A' = -A\). Если газ расширяется, он совершает положительную работу \(A'\), а внешние силы — отрицательную. При изобарном процессе работу газа легко посчитать через давление и изменение объёма: \(A' = p\Delta V\).
Каждый изопроцесс упрощает закон: при изотермическом процессе \(\Delta U = 0\), поэтому \(Q = A'\); при изохорном газ не совершает работу, и \(Q = \Delta U\); при изобарном \(A' = p\Delta V\); при адиабатном нет теплообмена, \(Q = 0\), и \(\Delta U = A = -A'\).
Важно: \(A\) — работа внешних сил, \(A'\) — работа газа; они противоположны по знаку. Путаница между ними — главная ошибка в задачах.
Пример с решением
- Условие. Газу передали \(Q = 500\) Дж, внешние силы совершили над ним работу \(A = 200\) Дж. Найдите изменение внутренней энергии и работу газа.
- Формула. \(\Delta U = Q + A\).
- Подстановка. \(\Delta U = 500 + 200 = 700\) Дж.
- Работа газа. \(A' = -A = -200\) Дж — знак минус означает, что газ расширялся.
- Проверка. \(Q = \Delta U + A' = 700 - 200 = 500\) Дж — сходится.
- Ответ. \(\Delta U = 700\) Дж, газ нагрелся. В калькуляторе это режим «Изменение внутренней энергии» с \(Q = 500\) и \(A = 200\).
Главное
- Первый закон: \(\Delta U = Q + A\), где \(A\) — работа внешних сил.
- Вторая запись: \(Q = \Delta U + A'\), работа газа \(A' = -A\).
- Изобара: работа газа \(A' = p\Delta V\).
- Изопроцессы: изотерма — \(\Delta U = 0\), изохора — \(A' = 0\), адиабата — \(Q = 0\).