DAMOO

Физика · ЕНТ 2026 · 02. Тепловая физика

Основы термодинамики

Начать тест

Чтобы пройти тест, нужно войти или зарегистрироваться.

Конспект

Учебниковая опора

Главное

  • Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Для одноатомного идеального газа $U = \dfrac32\nu RT$ — зависит только от $T$.
  • Изменить $U$ можно теплопередачей или совершением работы.
  • Работа газа при $p = \text{const}$: $A = p\Delta V$; в общем случае — площадь под графиком в осях $(p, V)$.
  • Первый закон термодинамики: $Q = \Delta U + A$ — закон сохранения энергии для тепловых процессов; вечный двигатель первого рода невозможен.
  • Второй закон: теплота сама передаётся только от горячего тела к холодному (Клаузиус); нельзя всю теплоту от одного резервуара превратить в работу (Кельвин).
  • КПД теплового двигателя: $\eta = \dfrac{A}{Q_1} = \dfrac{Q_1 - Q_2}{Q_1}$; максимум (цикл Карно) $\eta_{max} = 1 - \dfrac{T_2}{T_1}$.

Теория

Внутренняя энергия. Внутренняя энергия никогда не равна нулю — тепловое движение не прекращается (механическая энергия лежащего камня может быть нулевой). При 0 °C внутренняя энергия льда меньше, чем воды той же массы. Если над телом совершают работу, его $U$ растёт; если работу совершает тело — уменьшается. Опыт Б. Томпсона (Румфорда, 1798): при сверлении пушечного ствола вода в бочке закипела за 2,5 ч.

Работа газа. При расширении ($\Delta V > 0$) газ совершает положительную работу; при сжатии работу совершают над газом. Без изменения объёма работы нет. При изобарном процессе $A = p\Delta V = \nu R\Delta T$.

Первый закон для изопроцессов

Процесс Условие Первый закон
Изохорный $A = 0$ $Q = \Delta U$
Изотермический $\Delta U = 0$ $Q = A$
Изобарный (одноатомный газ) $A = \nu R\Delta T$ $Q = \frac52\nu R\Delta T$
Адиабатный $Q = 0$ $A = -\Delta U$

При адиабатном расширении газ совершает работу за счёт внутренней энергии и охлаждается; при адиабатном сжатии нагревается. Уравнение Пуассона: $pV^\gamma = \text{const}$, $\gamma = C_p/C_v$.

Второй закон и необратимость. Первый закон не говорит о направлении процессов. Камень падает и нагревает землю, но тепло земли не поднимет его обратно — практически все процессы в природе необратимы. Вечный двигатель второго рода запрещён: охлаждение Мирового океана на 1 °C дало бы ~$4{,}2\cdot10^{24}$ Дж, но превратить эту энергию целиком в работу нельзя.

Тепловой двигатель: нагреватель (отдаёт $Q_1$), рабочее тело (газ или пар), холодильник (получает $Q_2$). КПД всегда меньше 100 %: паровые турбины 30–40 %, ДВС 30–35 %, дизели 35–42 %. Цикл Карно — идеальный цикл из двух изотерм и двух адиабат (С. Карно); ни один двигатель с теми же $T_1$ и $T_2$ не превзойдёт его КПД.

ДВС — четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (единственный такт с полезной работой), выпуск. В паровой турбине пар вращает лопатки, движение вращательное — удобно для генераторов электростанций. Отработавшие газы загрязняют атмосферу.

Двухатомный газ и энтропия

  • Для идеального газа $U=\dfrac f2\nu RT$, где $f$ — число степеней свободы. У двухатомной молекулы $f=5$ (3 поступательные и 2 вращательные), поэтому $U=\dfrac52\nu RT$, $C_V=\dfrac52R$.
  • Энтропия $S$ — функция состояния; для обратимых процессов $dS=\dfrac{\delta Q}{T}$. В замкнутой системе при необратимых процессах энтропия возрастает, при обратимых не меняется.

Примеры

  1. Изобарное нагревание. 2 моль одноатомного газа нагрели на 50 К: $A = 2\cdot8{,}314\cdot50 \approx 831$ Дж, $\Delta U = 1{,}5A \approx 1247$ Дж, $Q \approx 2078$ Дж.
  2. Знак теплоты. $U$ уменьшилась на 68 кДж, газ совершил работу 42 кДж: $Q = -68 + 42 = -26$ кДж — газ отдал 26 кДж.
  3. Карно. $T_1 = 477$ °C = 750 К, $T_2 = 177$ °C = 450 К: $\eta = 1 - 450/750 = 40\%$.
  4. Баланс энергии. КПД 40 %, $Q_1 = 5$ кДж: $A = 2$ кДж, $Q_2 = 3$ кДж.

Типичные ошибки на ЕНТ

  • Путают знаки в $Q = \Delta U + A$: $A$ — работа газа; при сжатии $A < 0$.
  • Считают, что газ совершает работу при постоянном объёме.
  • Считают, что при изотермическом процессе теплота не передаётся (наоборот, $Q = A$), а при адиабатном — что температура не меняется.
  • Подставляют в $1 - T_2/T_1$ градусы Цельсия вместо кельвинов.
  • Думают, что КПД может достичь 100 %; путают вечные двигатели первого и второго рода.
  • Считают, что внутренняя энергия зависит от скорости движения тела как целого.

Самопроверка

  1. Чему равна работа газа при изохорном процессе? — Нулю; $Q = \Delta U$.
  2. Газ получил 126 кДж, его $U$ выросла на 54 кДж. Работа газа? — 72 кДж.
  3. Какой такт ДВС — рабочий? — Третий (рабочий ход): газы толкают поршень вниз.
  4. $T_1 = 500$ К, $T_2 = 300$ К. Максимальный КПД? — 40 %.
  5. Сформулируйте второй закон по Клаузиусу. — Теплота сама собой переходит только от более нагретого тела к менее нагретому.