Fizyka dla liceum/Pierwsza zasada termodynamiki

Wyobraźmy sobie ruch cząsteczek w naczyniu wypełnionym gazem. W gazie doskonałym cząsteczki zderzają się ze sobą oraz odbijają od ścian naczynia idealnie sprężyście więc dla stałych warunków ciśnienia, objętości oraz temperatury energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się. Co dzieje się jednak gdy gaz zostanie pogrzany lub gdy jego objętość ulegnie zmianie? Kiedy podgrzejemy gaz prędkość cząsteczek wzrośnie. Dzieje się tak ponieważ do układu zostaje dostarczona energia w postaci ciepła. Kiedy natomiast objętość gazu wzrośnie (zostanie rozprężony) Energia kinetyczna cząstek zmaleje. Stanie się tak ponieważ gaz rozprężając się wykona pracę. W obu przypadkach ulega zmianie wartość energii kinetycznej gazu (za wyjaśnienie algebraiczne posłużyć może tu podstawowy wzór teorii kinetyczno-molekularnej oraz równanie stanu gazu doskonałego).

Zmiana energii wewnętrznej

Każdy gaz posiada swoją energię wewnętrzną. Zależy ona od wielu czynników. Jednym z nich jest właśnie zmiana energii kinetycznej cząsteczek. W przemianach gazowych to właśnie ta zmiana prędkości cząstek decyduje o tym jaka jest zmiana energii wewnętrznej gazu. Pierwsza zasada termodynamiki wyraża się wzorem: ΔU = W + Q

gdzie:

ΔU – zmiana energii wewnętrznej układu,
Q – energia przekazana do układu jako ciepło,
W – praca wykonana na układzie.

W powyższym sformułowaniu przyjmuje się, że gdy:

W > 0 – nad układem wykonana zostaje praca (ciśnienie gazu rośnie)
W < 0 – układ wykonuje pracę (ciśnienie gazu maleje),
Q < 0 – gaz oddaje ciepło do otoczenia (ciśnienie gazu maleje)
Q > 0 - gaz pobiera ciepło z otoczenia (ciśnienie gazu rośnie)

Jak widać do dodatnich wartości pracy oraz ciepła ciśnienie gazu rośnie, zaś dla ujemnych maleje.

Załóżmy, że gaz został podgrzany i jednocześnie wykonał pracę rozprężając się, wtedy zgadnie z powyższym: ΔU = Q - W

Przemiana izochoryczna

W przemianie izochorycznej nie zachodzi zmiana objętości, dlatego też praca wykonana przez gaz równa jest zero. Zmiana temperatury gazu łączy się z uzyskaniem przez niego energii w postaci ciepła.

• W = 0J
• Q = mC_vΔT
• ΔU = Q

C_v - ciepło właściwe w procesie izochorycznym

Przemiana izotermiczna

Podczas przemiany izotermicznej temperatura nie ulega zmianie, nie zmienia się więc również średnia energia kinetyczna cząsteczek. Wynika z tego, że zmiana energii wewnętrznej jest równa zeru.

• ΔU = 0
• W = -Q

Przemiana adiabatyczna

Jest to przemiana, podczas której gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem. Całość energii jest dostarczana lub odbierana z niego jako praca.

• Q = 0
• ΔU = W