Перший закон термодинаміки стосовно ізопроцесів
Застосуємо перший закон термодинаміки до ізопроцессів в газах.
1.У Ізохоричний процесі (V = const) газ роботи не робить, A = 0. Отже,
Q = ΔU = U (T2) – U (T1).
Тут U (T1) і U (T2) – внутрішні енергії газу в початковому і кінцевому станах. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури (закон Джоуля). При Ізохоричний нагріванні тепло поглинається газом (Q> 0), і його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні тепло віддається зовнішнім тілам (Q <0).
2. У ізобарному процесі (p = const) робота, що здійснюються газом, виражається співвідношенням
A = p (V2 – V1) = p ΔV.
Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу дає:
Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV.
При ізобарному розширенні Q> 0 – тепло поглинається газом, і газ здійснює позитивну роботу. При ізобарному стисненні Q <0 – тепло віддається зовнішнім тілам. В цьому випадку A <0. Температура газу при ізобарному стисненні зменшується, T2 <T1; внутрішня енергія зменшується, ΔU <0 В ізотермічному процесі температура газу не змінюється, отже, не змінюється і внутрішня енергія газу, ΔU = 0.
3. Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу виражається співвідношенням
Q = A.
Кількість теплоти Q, отриманої газом в процесі ізотермічного розширення, перетворюється в роботу над зовнішніми тілами. При ізотермічному стисканні робота зовнішніх сил, вироблена над газом, перетворюється в тепло, яке передається оточуючим тілам.
4. Поряд з ізохорним, Ізобаричний і ізотермічним процесами в термодинаміки часто розглядаються процеси, що протікають під час відсутності теплообміну з оточуючими тілами. Судини з теплонепроніцаемимі стінками називаються адіабатичними оболонками, а процеси розширення або стиснення газу в таких судинах називаються адіабатичними.
В адіабатичному процесі Q = 0, тому перший закон термодинаміки приймає вид
A = –ΔU,
т. ч. газ здійснює роботу за рахунок зменшення його внутрішньої енергії. На площині (p, V) процес адіабатичного розширення (або стиснення) газу зображується кривої, яка називається адіабати. При адіабатичному розширенні газ здійснює позитивну роботу (A> 0); тому його внутрішня енергія зменшується (ΔU <0). Це призводить до зниження температури газу. Внаслідок цього тиск газу при адіабатичному розширенні зменшується швидше, ніж при ізотермічному.
У термодинаміки виводиться рівняння адіабатичного процесу для ідеального газу. У координатах (p, V) це рівняння має вигляд
pVγ = const.
Це співвідношення називають рівнянням Пуассона. Тут γ = Cp / CV – показник адіабати, Cp і CV – теплоємності газу в процесах з постійним тиском і з постійним об’ємом. Для одноатомного газу для двухатомного для багатоатомного
Робота газу в адіабатичному процесі просто виражається через температури T1 і T2 початкового і кінцевого станів:
A = CV (T2 – T1).
Адіабатичний процес також можна віднести до ізопроцесам. У термодинаміки важливу роль відіграє фізична величина, яка називається ентропією. Зміна ентропії в будь-якому квазістатичному процесі дорівнює наведеному тепла ΔQ / T, отриманого системою. Оскільки на будь-якій ділянці адіабатичного процесу ΔQ = 0, ентропія в цьому процесі залишається незмінною.
Адіабатичний процес (так само, як і інші ізопроцеси) є процесом квазістатичним. Всі проміжні стану газу в цьому процесі близькі до станів термодинамічної рівноваги. Будь-яка точка на адіабаті описує рівноважний стан.