Termodynamika · Praca a wykresy przemian gazowych
Praca gazu i wykresy p(V) — teoria (poziom rozszerzony)
Energia wewnętrzna i pierwsza zasada
Energia wewnętrzna jest łączną mikroskopową energią cząsteczek gazu. W modelu gazu doskonałego pomijamy energię ich wzajemnych oddziaływań, więc dla danej ilości gazu zależy tylko od temperatury.
Dla gazu jednoatomowego , a jego zmiana wynosi . Dla gazu dwuatomowego w typowym zakresie temperatur . Symbole i oznaczają odpowiednio ilość gazu w molach i stałą gazową.
Energia wewnętrzna jest funkcją stanu. Po pełnym cyklu, gdy gaz wraca do stanu początkowego, .
Energia wewnętrzna i pierwsza zasada
Przyjmijmy, że ciepło jest dodatnie, gdy gaz je pobiera, a praca jest dodatnia, gdy gaz wykonuje ją nad otoczeniem. Pierwsza zasada termodynamiki ma wtedy postać:
Równoważnie . Jeżeli przez oznaczono pracę wykonaną nad gazem, znak pracy jest przeciwny. Ciepło i praca opisują przekazywanie energii podczas procesu; ich wartości zależą od jego przebiegu.
Ciepło molowe gazu
Ciepło molowe mówi, ile energii potrzeba, by ogrzać jeden mol substancji o jeden kelwin. Dla gazu rozróżniamy przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu. Ich jednostką jest .
Dla gazu doskonałego . Przy ogrzewaniu pod stałym ciśnieniem część energii zwiększa energię wewnętrzną, a część służy do wykonania pracy, dlatego . Dla gazu jednoatomowego , ; dla dwuatomowego w typowym zakresie temperatur , .
Praca gazu na wykresie $p(V)$
Gdy gaz zwiększa objętość i przesuwa tłok, wykonuje pracę nad otoczeniem. Na wykresie ciśnienia w funkcji objętości praca w quasi-statycznej przemianie jest polem pod krzywą między początkową i końcową objętością.
Przy stałym ciśnieniu . Rozprężanie daje pracę dodatnią, a sprężanie — ujemną. Przy stałej objętości praca wynosi zero. Dla odcinka prostego na wykresie pole trapezu daje .
Ciśnienie podaj w paskalach, a objętość w metrach sześciennych: wtedy pole ma jednostkę dżula, bo .
Praca gazu na wykresie $p(V)$
Przy konwencji warunek przemiany upraszcza bilans energii:
- **Izochoryczna:** , więc i .
- **Izobaryczna:** , więc .
- **Izotermiczna gazu doskonałego:** , zatem i . Dla odwracalnej przemiany .
- **Adiabatyczna:** , zatem . W odwracalnym procesie gazu doskonałego , gdzie .
W symbolach , a to objętości początkowa i końcowa.
Praca i bilans energii w cyklu
Po pełnym cyklu gaz wraca do stanu początkowego. Ponieważ energia wewnętrzna jest funkcją stanu, , a z pierwszej zasady wynika .
Praca netto odpowiada polu zamkniętej pętli na wykresie , ze znakiem określonym kierunkiem obiegu. Obieg zgodny z ruchem wskazówek zegara oznacza dodatnią pracę gazu; w obiegu przeciwnym praca gazu jest ujemna.
Ciepło i praca w trakcie cyklu mogą być niezerowe, mimo że zmiana energii wewnętrznej po całym cyklu wynosi zero.
Znaczenie znaków i jednostek
Pole pod wykresem opisuje pracę tylko razem z kierunkiem przemiany. Przy rozprężaniu praca gazu jest dodatnia, a przy sprężaniu ujemna. Dla pełnego cyklu liczy się pole pętli, nie suma pól bez znaków.
Wzór dotyczy stałego ciśnienia. Przy zmiennym ciśnieniu odczytaj pole pod krzywą. Pamiętaj też o zgodnych jednostkach: .
Zależności dla pracy gazu
W przemianie izobarycznej praca gazu zależy od ciśnienia i zmiany objętości:
Przy rozprężaniu , więc gaz wykonuje pracę dodatnią. Przy sprężaniu , więc praca gazu jest ujemna. Jeśli objętość się nie zmienia, gaz nie wykonuje pracy objętościowej.
Zależności dla pracy gazu
W cyklu zamkniętym gaz wraca do stanu początkowego, więc jego zmiana energii wewnętrznej wynosi zero. Z pierwszej zasady wynika wtedy, że ciepło netto pobrane przez gaz jest równe pracy netto wykonanej przez gaz:
Wartości te mogą być niezerowe. Ich znak zależy od kierunku obiegu i przyjętej konwencji.